Источник: LIGHTWAVE russian edition №1 2003 с. 20-21
Единая сеть связи Российской Федерации (ЕСС России) является одной их самых динамично развивающихся отраслей экономики. В настоящее время кабельная составляющая сети, в особенности магистральные и зоновые ее участки, полностью выполнена на основе оптических кабелей. Для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в увеличении пропускной способности сетей связи РФ интенсивно внедряются системы передачи с временным уплотнением – системы синхронной цифровой информации различных иерархий скоростей – СТМ-4, СТМ-16, СТМ-64, в ближайшей перспективе СТМ-256 (40 Гбит/с), являющейся предельной для электронных методов обработки сигналов. В этих системах перечисленные цифровые потоки передаются на одной оптической несущей с определенной длиной волны. Дальнейшее повышение скорости передачи возможно только с использованием чисто оптических методов временного уплотнения, обозначаемых в англоязычной технической литературе аббревиатурой OTDM (Optical Time Division Multiplexing). В настоящее время ведутся интенсивные теоретические и экспериментальные исследования и разработки по созданию волоконнооптических систем передачи (ВОСП) с OTDM. Прошли успешные испытания экспериментальных ВОСП с OTDM по передаче цифровых потоков информации со скоростью 160 Гбит/с на расстояние до 300 км [1] и 1,28 Тбит/с на расстояние до 70 км [2]. Однако эти системы пока не вышли из стадии лабораторных образцов.
Альтернативным методом повышения пропускной способности ВОСП является передача необходимого количества (например, m) цифровых потоков информации упомянутых выше иерархий скоростей на соответствующих оптических длинах волн (1…m) по одному оптическому волокну. Такой метод увеличения пропускной способности оптического тракта получил название «уплотнение оптических сигналов по длинам волн» – WDM (Wavelength Division Multiplexing), при плотном размещении оптических каналов в заданном (рабочем) диапазоне длин волн (окно прозрачности) – DWDM (где первая D – dense (плотный)). В отечественной отраслевой технической литературе в соответствии с РД 45.286.2003 [3] используются термин «волоконно-оптические системы передачи со спектральным разделением оптических каналов» и аббревиатура ВОСП-СР. В настоящее время ВОСП-СР получили широкое распространение во многих странах мира, включая Россию. Оборудование ВОСП-СР производят также ведущие компании мира, такие, как Nortel Networks (Канада), Lucent Technologies (США), NEC (Япония), Siemens и Alcatel (Германия), Huawei (Китай), ИРЭ-Полюс (Россия), и некоторые другие, а отдельные компоненты для ВОСП-СР производят более 20 компаний мира.
Увеличение пропускной способности магистральных и зоновых ВОСП происходит благодаря широкому внедрению оптических и квантово-электронных технологий. В развитии этих технологий утвердилась устойчивая тенденция полного вытеснения электронных методов обработки сигналов оптическими. Этот процесс получил название фотонизации сетей связи. Для оптического тракта магистральных и зоновых ВОСП-СР этот процесс фотонизации можно считать состоявшимся, поскольку на этом участке ВОСП-СР используются полностью оптические компоненты: оптические волокна и ОК на их основе, оптические усилители передачи и приема, оптические промежуточные усилители, полностью оптические компенсаторы хроматической дисперсии, полностью оптические 2R- и 3R-регенераторы. Следует отметить, что один из самых важных компонентов оптического тракта – оптическое волокно по такому параметру, как коэффициент затухания, приблизился на длине волны 1550 нм к теоретическому пределу 0,151 дБ/км (теоретический предел 0,14 дБ/км) [4]. Для уменьшения влияния оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ при введении в него оптического группового сигнала с повышенным уровнем мощности (+23…30 дБм), созданы одномодовые оптические волокна с большой эффективной площадью поперечного сечения Аэфф = 211 мкм2 [5]. Исследования в области создания микроструктурированных (дырчатых) оптических волокон указывают на возможность снижения коэффициента потерь до 0,1 дБ/км за счет уменьшения релеевского рассеяния. Уменьшение релеевского рассеяния в «дырчатых» волокнах обусловлено тем, что значительная часть энергии оптического сигнала распространяется в физических каналах, представляющих собой трубки диаметром 1…1,5 мкм, содержащие воздух или вакуум. Оптический тракт регенерационных секций магистральных ВОСП-СР большой протяженности, как правило, содержит до 7…8 оптических промежуточных усилителей и до 9 элементарных кабельных участков (ЭКУ).
Длина ЭКУ LЭКУ обычно не превышает 180-200 км. Достаточно часто возникает необходимость существенного увеличения LЭКУ в тех местах, где нет населенных пунктов и источников электрического питания. Такая ситуация особеннохарактерна, например, для азиатской части территории России. Существенное увеличение длин ЭКУ для ВОСП-СР, проходящих через такие территории, может быть достигнуто с помощью применения на ЭКУ рамановских оптичеких усилителей. Преимущество этих усилителей состоит в том, что активной (усиливающей) средой является обычное рабочее волокно, по которому передается информационный оптический сигнал, т.е. часть самого оптического тракта в виде оптического кабеля превращается в распределенный оптический усилитель длиной до 50 км. Одним из основных факторов, ограничивающих длину регенерационной секции ВОСП-СР, является увеличение длительности информационных оптических импульсов в процессе их распространения в ОВ, что приводит к взаимному наложению информационных символов и возникновению ошибок при приеме сигналов. Это увеличение длительности вызвано хроматической дисперсией в оптическом волокне. Для одноволновых ВОСП влияние хроматической дисперсии практически снимается путем ее компенсации с помощью дискретных компенсаторов, основанных на использовании сдвоенных дифракционных решеток Брэгга. Основным достоинством компенсаторов хроматической дисперсии дискретного типа являются малые вносимые потери (менее 1 дБ) и малые габариты, недостаток – значительная температурная зависимость параметров, вследствие чего такие компенсаторы требуют температурной стабилизации. Применение дискретных компенсаторов хроматической дисперсии в системах со спектральным уплотнением нецелесообразно, поскольку в этом случае такие компенсаторы пришлось бы ставить для каждого спектрального канала. Если в системе передаются 20-30 и более спектральных сигналов, устройство компенсатора резко усложняется, что приводит к необходимости дополнительного увеличения потребляемой электрической мощности для температурной стабилизации, увеличению габаритов и неприемлемого повышения стоимости.
В системах ВОСП-СР проблема компенсации хроматической дисперсии решается с помощью использования оптического волокна с отрицательным коэффициентом хроматической дисперсии. Компенсаторы, в которых используется такое волокно, являются распределенными. Их достоинства: широкополосность, позволяющая с помощью одного компенсатора осуществлять компенсацию дисперсии во всем рабочем диапазоне. Кроме того, такие компенсаторы не требуют температурной стабилизации, и, следовательно, отпадает необходимость в электропитании. Основной недостаток распределенных волоконных компенсаторов – большой коэффициент затухания компенсирующего волокна. Большое затухание, вносимое в оптический тракт компенсирующим волокном, нейтрализуется дополнительным оптическим усилением. На практике бухта с компенсирующим волокном располагается в оптическом промежуточном усилителе, состоящем из двух каскадно соединенных ВОУ-предусилителя и усилителя мощности, между которыми включена упомянутая бухта. Включение дополнительного оптического усилителя приводит к возрастанию мощности усиленного спонтанного излучения, в результате чего снижается отношение сигнал/шум. В реальных системах передачи компенсирующее волокно распределяется на все (или часть) промежуточные усилители регенерационной секции. Очевидно, что применение дополнительных усилителей в промежуточных пунктах и, как следствие этого, снижение отношения сигнал/шум уменьшают энергетический потенциал и длину регенерационных секций системы ВОЛС-СР.
Магистральные ВОСП-СР большой протяженности, как правило, состоят из нескольких регенерационных секций и регенерационных пунктов, в которых применяются оптические регенераторы. В настоящее время в реализованных проектах ВОСП-СР используются оптические квантово-электронные регенераторы, в которых оптический сигнал преобразовывается в электронный и после соответствующей обработки по восстановлению формы и временных параметров цифровых сигналов происходит обратное их преобразование в оптические цифровые сигналы. Однако, как уже упоминалось выше, в настоящее время созданы полностью оптические 2R- и 3R-регенераторы без преобразования в электронную форму энергии сигналов [6,7]. Тем не менее эти наукоемкие изделия высоких технологий пока имеют высокую стоимость, препятствующую их использованию в коммерческих ВОСП-СР. Таким образом, проблема уменьшения влияния хроматической дисперсии остается актуальной. Решение этой проблемы просматривается по трем направлениям: разработка и снижение стоимости оптического волокна с пониженным коэффициентом дисперсии и малым коэффициентом наклона дисперсионной характеристики (ОВ стандарта G.655 ITU-T); применение в оптическом тракте чередующихся участков с волокнами с положительным и отрицательным коэффициентом дисперсии в сочетании с рамановским усилителем; использование в передающих устройствах на стороне передачи или в регенерационных пунктах полупроводниковых лазеров с внешними модуляторами. Использование внешней модуляции дает возможность ограничить ширину линии излучения практически только спектром модулирующего сигнала.
Наибольший эффект это дает в системах со скоростями передачи 622 Мбит/с или 2,5 Гбит/с. Успешная фотонизация магистральных и зоновых сетей практически снимает ограничения по пропускной способности и дальности передачи информации на ближайшие 5-10 лет. Эти утверждения могут быть подтверждены тем, что достигнутая пропускная способность экспериментальной ВОСП-СР 11 Тбит/с [8] далеко превосходит потребности сегодняшних дней, а начало реализации проекта SAT-3/WASL протяженностью 28 тыс.км [9] свидетельствует о решении проблемы дальности передачи.
1. Signal Channel 160 Gbit/s (40 Gbit/s x4) 300 km – Transmission Using EA Modulator based – OTDM module and 40 GHz External Cavity Mode-locked LD. Murai, Hitoshi at al ECOC 2002, Copenhagen, Sept. 2002 SS.2.1.
2. 1,28 Tbit/s – 70 km OTDM transmission with a phase thirb and fourth – order simultaneously dispersion compensation with a phase modulator Yamamoto T., Tamura K.R. Electronics Letters – 2000 V.36 – N24, p.2027-2028.
3. РД 45.286.2002 Аппаратура волоконно-оптической системы передачи со спектральным разделением. Технические требования.
4. Ultra Low Loss 10,151 dB/km) Fiber and its Impact on Submarine Transmission Systems. K. Nagayama, T. Saitoh at al OFC 2002, USA Postdidline Papers.
5. Ulyra Low Nonlinearity Pure-Silica-Core Fiber with an Effective Area of 211 mm2 and Transmission Loss of 0,159 dB/km. Masno Trukitani, Masahiko Matsui at al ECOC 2002, Copenhagen, Sept. 2002, SS.6.3.
6. Optical 3R regeneration with all-optical timing extraction and simultaneous wavelength conversion using a single Electro-Absorbtion Modulator. Awad Ehab, Goldhar, Julius at al ECOC 2002, Copenhagen, Sept. 2002, SS.6.3.
7. Novel 3R Regenerator architecture with wavelength flexible output. Sartorius Bernd, Slovak Juray (Germany) ECOC 2002.
8. 1092 Tbit/s, 273 Channel, 40 Gbit/s per channel spacing bandwidth efficiency 50 GHz. Fucuchi R. et al NEC Corporation, OFC Post diadline, OFC 2001.
9. 20000 km under the sea. Mark Telford LIGHTWAVE EUROPE October 2002, pp. 3031.
LIGHTWAVE russian edition №1 2003 с. 20-21