В волоконно-оптической связи мультиплексирование с разделением по длине волны ( WDM ) представляет собой технологию, которая мультиплексирует несколько оптических несущих сигналов на одном оптическом волокне , используя различные длины волн (т. е. цвета) лазерного света . [1] Эта технология обеспечивает двунаправленную связь по одной жиле волокна (также называемую дуплексированием с разделением по длине волны ), а также умножение пропускной способности. [1]
Термин WDM обычно применяется к оптической несущей, которая обычно описывается ее длиной волны, тогда как частотное разделение обычно применяется к радионесущей, чаще описываемой частотой . [2] Это чисто условно, поскольку длина волны и частота передают одну и ту же информацию. В частности, частота (в герцах, что является циклами в секунду), умноженная на длину волны (физическая длина одного цикла), равна скорости несущей волны. В вакууме это скорость света (обычно обозначается строчной буквой c). В стекловолокне скорость существенно ниже - обычно около 0,7 раза c. Скорость передачи данных в практических системах является частью несущей частоты.
Система WDM использует мультиплексор на передатчике для объединения нескольких сигналов вместе и демультиплексор на приемнике для их разделения. [1] При правильном типе волокна можно получить устройство, которое делает и то, и другое одновременно и может функционировать как оптический мультиплексор ввода-вывода . Оптические фильтрующие устройства, используемые традиционно, были эталонами (стабильные твердотельные одночастотные интерферометры Фабри-Перо в форме тонкопленочного оптического стекла). Поскольку существует три различных типа WDM, один из которых называется WDM , обозначение xWDM обычно используется при обсуждении технологии как таковой. [3]
Концепция была впервые опубликована в 1970 году Деланжем [4] , а к 1980 году системы WDM были реализованы в лабораторных условиях. Первые системы WDM объединяли только два сигнала. Современные системы могут обрабатывать 160 сигналов и, таким образом, могут расширить базовую систему 100 Гбит/с по одной паре волокон до более чем 16 Тбит/с . Также присутствует система из 320 каналов (разнос каналов 12,5 ГГц, см. ниже.)
Системы WDM популярны среди телекоммуникационных компаний , поскольку они позволяют им расширять емкость сети без прокладки дополнительных волокон. Используя WDM и оптические усилители , они могут разместить несколько поколений технологических разработок в своей оптической инфраструктуре без необходимости капитального ремонта магистральной сети. Емкость данной линии связи можно расширить, просто обновив мультиплексоры и демультиплексоры на каждом конце.
Это часто делается с помощью преобразования «оптический-электрический-оптический» (O/E/O) на самом краю транспортной сети, что позволяет взаимодействовать с существующим оборудованием с оптическими интерфейсами. [3]
Большинство систем WDM работают на одномодовых оптоволоконных кабелях с диаметром сердцевины 9 мкм. Некоторые формы WDM также могут использоваться в многомодовых оптоволоконных кабелях (также известных как кабели для помещений), которые имеют диаметр сердцевины 50 или 62,5 мкм.
Ранние системы WDM были дорогими и сложными в эксплуатации. Однако недавняя стандартизация и лучшее понимание динамики систем WDM сделали развертывание WDM менее затратным.
Оптические приемники, в отличие от лазерных источников, как правило, являются широкополосными устройствами. Поэтому демультиплексор должен обеспечивать селективность длины волны приемника в системе WDM.
Системы WDM делятся на три различных шаблона длин волн: нормальный (WDM), грубый (CWDM) и плотный (DWDM). Нормальный WDM (иногда называемый BWDM) использует две нормальные длины волн 1310 и 1550 нм на одном волокне. Грубый WDM обеспечивает до 16 каналов в нескольких окнах передачи кварцевых волокон. Плотный WDM (DWDM) использует окно передачи C-диапазона (1530 нм-1565 нм), но с более плотным разнесением каналов. Планы каналов различаются, но типичная система DWDM будет использовать 40 каналов с разнесением 100 ГГц или 80 каналов с разнесением 50 ГГц. Некоторые технологии способны на разнесение 12,5 ГГц (иногда называемое сверхплотным WDM). Новые возможности усиления ( рамановское усиление ) позволяют расширить используемые длины волн до L-диапазона (1565–1625 нм), более или менее удваивая эти числа.
Грубое мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM), в отличие от DWDM, использует увеличенный интервал между каналами, что позволяет использовать менее сложные и, следовательно, более дешевые конструкции приемопередатчиков. Чтобы обеспечить 16 каналов на одном волокне, CWDM использует весь диапазон частот, охватывающий второе и третье окна передачи (1310/1550 нм соответственно), включая критические частоты, на которых может возникнуть рассеяние OH. Рекомендуется использовать кварцевые волокна без OH, если необходимо использовать длины волн между вторым и третьим окнами передачи [ необходима ссылка ] . Избегая этой области, остаются каналы 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, которые используются чаще всего. С волокнами OS2 проблема пика воды преодолена, и можно использовать все возможные 18 каналов.
WDM, CWDM и DWDM основаны на одной и той же концепции использования нескольких длин волн света на одном волокне, но различаются по расстоянию между длинами волн, количеству каналов и способности усиливать мультиплексированные сигналы в оптическом пространстве. EDFA обеспечивает эффективное широкополосное усиление для C-диапазона , рамановское усиление добавляет механизм усиления в L-диапазоне. Для CWDM широкополосное оптическое усиление недоступно, что ограничивает оптические пролеты несколькими десятками километров.
Первоначально термин грубое мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM) был довольно общим и описывал ряд различных конфигураций каналов. В целом, выбор интервалов между каналами и частоты в этих конфигурациях исключал использование усилителей на волоконно-оптических линиях, легированных эрбием (EDFA). До сравнительно недавней стандартизации термина МСЭ одним из общих определений CWDM было два или более сигналов, мультиплексированных на одном волокне, с одним сигналом в диапазоне 1550 нм, а другим в диапазоне 1310 нм.
В 2002 году МСЭ стандартизировал сетку разнесения каналов для CWDM (ITU-T G.694.2) с использованием длин волн от 1270 нм до 1610 нм с разнесением каналов 20 нм. ITU G.694.2 был пересмотрен в 2003 году с целью смещения центров каналов на 1 нм, поэтому, строго говоря, центральные длины волн составляют от 1271 до 1611 нм. [5] Многие длины волн CWDM ниже 1470 нм считаются непригодными для использования на старых волокнах спецификации G.652 из-за повышенного затухания в диапазонах 1270–1470 нм. Новые волокна, соответствующие стандартам G.652.C и G.652.D [6] , такие как Corning SMF-28e и Samsung Widepass, практически устраняют пик затухания, связанный с водой, на длине волны 1383 нм и обеспечивают полную работу всех 18 каналов ITU CWDM в городских сетях.
Основная характеристика недавнего стандарта ITU CWDM заключается в том, что сигналы не разнесены надлежащим образом для усиления EDFA. Это ограничивает общий оптический диапазон CWDM до примерно 60 км для сигнала 2,5 Гбит/с, что подходит для использования в городских приложениях. Смягченные требования к стабилизации оптической частоты позволяют приблизить сопутствующие затраты CWDM к затратам на оптические компоненты без WDM.
CWDM используется в сетях кабельного телевидения , где для нисходящих и восходящих сигналов используются разные длины волн . В этих системах используемые длины волн часто сильно разнесены. Например, нисходящий сигнал может быть на 1310 нм, а восходящий — на 1550 нм. [ необходима цитата ]
Стандарт физического уровня 10GBASE-LX4 10 Гбит/с является примером системы CWDM, в которой четыре длины волны около 1310 нм, каждая из которых передает поток данных со скоростью 3,125 гигабит в секунду (Гбит/с), используются для передачи 10 Гбит/с совокупных данных. [7]
Пассивный CWDM — это реализация CWDM, которая не использует электроэнергию. Он разделяет длины волн с помощью пассивных оптических компонентов, таких как полосовые фильтры и призмы. Многие производители продвигают пассивный CWDM для развертывания оптоволокна в доме. [ необходима цитата ]
Плотное мультиплексирование с разделением по длине волны (DWDM) изначально относится к оптическим сигналам, мультиплексированным в диапазоне 1550 нм, чтобы использовать возможности (и стоимость) усилителей на основе легированного эрбием волокна (EDFA), которые эффективны для длин волн приблизительно от 1525 до 1565 нм ( диапазон C ) или от 1570 до 1610 нм ( диапазон L ). EDFA изначально были разработаны для замены оптико-электро-оптических (OEO) регенераторов SONET/SDH , которые они сделали практически устаревшими. EDFA могут усиливать любой оптический сигнал в своем рабочем диапазоне, независимо от модулированной скорости передачи данных. Что касается многоволновых сигналов, то при условии, что EDFA имеет достаточную энергию накачки, он может усиливать столько оптических сигналов, сколько может быть мультиплексировано в его полосу усиления (хотя плотности сигналов ограничены выбором формата модуляции). Таким образом, EDFA позволяют модернизировать одноканальную оптическую линию связи по скорости передачи данных, заменяя только оборудование на концах линии связи, сохраняя существующий EDFA или ряд EDFA на протяжении длинного маршрута. Кроме того, одноволновые линии связи с использованием EDFA могут быть аналогичным образом модернизированы до линий WDM по разумной цене. Таким образом, стоимость EDFA используется для максимального количества каналов, которые могут быть мультиплексированы в диапазоне 1550 нм.
На данном этапе базовая система DWDM содержит несколько основных компонентов:
Введение сетки частот ITU-T G.694.1 [8] в 2002 году упростило интеграцию WDM со старыми, но более стандартными системами SONET/SDH. Длины волн WDM располагаются в сетке, имеющей точное расстояние 100 ГГц (около 0,8 нм) по оптической частоте, с опорной частотой, зафиксированной на 193,10 ТГц (1552,52 нм). [9] Основная сетка размещается внутри полосы пропускания усилителя оптического волокна, но может быть расширена до более широких полос пропускания. Первое коммерческое развертывание DWDM было осуществлено корпорацией Ciena в сети Sprint в июне 1996 года. [10] [11] [12] Сегодняшние системы DWDM используют расстояние между каналами 50 ГГц или даже 25 ГГц для работы до 160 каналов. [ требуется обновление ] [13]
Системы DWDM должны поддерживать более стабильную длину волны или частоту, чем те, которые необходимы для CWDM из-за более близкого расстояния между длинами волн. Точный контроль температуры лазерного передатчика требуется в системах DWDM, чтобы предотвратить дрейф очень узкого частотного окна порядка нескольких ГГц. Кроме того, поскольку DWDM обеспечивает большую максимальную емкость, он, как правило, используется на более высоком уровне в иерархии связи, чем CWDM, например, в магистральной сети Интернет , и поэтому связан с более высокими скоростями модуляции, тем самым создавая меньший рынок для устройств DWDM с очень высокой производительностью. Эти факторы меньшего объема и более высокой производительности приводят к тому, что системы DWDM обычно дороже, чем CWDM.
Последние инновации в транспортных системах DWDM включают подключаемые и программно-настраиваемые модули приемопередатчиков, способные работать на 40 или 80 каналах. Это значительно снижает потребность в отдельных запасных подключаемых модулях, когда несколько подключаемых устройств могут обрабатывать весь диапазон длин волн.
Транспондеры с преобразованием длины волны изначально транслировали длину волны передачи сигнала клиентского уровня в одну из внутренних длин волн системы DWDM в диапазоне 1550 нм. Внешние длины волн в диапазоне 1550 нм, скорее всего, нуждаются в трансляции, поскольку они почти наверняка не имеют требуемых допусков стабильности частоты или оптической мощности, необходимой для EDFA системы.
Однако в середине 1990-х годов транспондеры с преобразованием длины волны быстро взяли на себя дополнительную функцию регенерации сигнала . Регенерация сигнала в транспондерах быстро эволюционировала через 1R к 2R к 3R и в многобитрейтные регенераторы 3R с контролем за головами. Эти различия описаны ниже:
Для DWDM наиболее распространенным является диапазон C21–C60, для Mux/Demux — 8, 16, 40 или 96 размеров.
Как упоминалось выше, промежуточные оптические узлы усиления в системах DWDM могут позволять удалять и добавлять определенные каналы длин волн. В большинстве систем, развернутых по состоянию на август 2006 года, это делается нечасто, поскольку добавление или удаление длин волн требует ручной установки или замены карт, селективных по длине волны. Это дорого, и в некоторых системах требуется, чтобы весь активный трафик был удален из системы DWDM, поскольку установка или удаление карт, специфичных для длины волны, прерывает многоволновой оптический сигнал.
С помощью ROADM операторы сетей могут удаленно перенастраивать мультиплексор, отправляя мягкие команды. Архитектура ROADM такова, что удаление или добавление длин волн не прерывает каналы передачи . Для различных коммерческих ROADM используются многочисленные технологические подходы, компромисс между стоимостью, оптической мощностью и гибкостью.
Когда топология сети представляет собой сетку, где узлы соединены между собой волокнами для формирования произвольного графа, требуется дополнительное устройство для соединения волокон, чтобы направить сигналы от входного порта к желаемому выходному порту. Эти устройства называются оптическими кросс-коннекторами (OXC). Различные категории OXC включают электронные («непрозрачные»), оптические («прозрачные») и избирательные по длине волны устройства.
Система Enhanced WDM компании Cisco представляет собой сетевую архитектуру, которая объединяет два различных типа технологий мультиплексирования для передачи данных по оптоволокну.
EWDM объединяет 1 Гбит/с соединения Coarse Wave Division Multiplexing (CWDM) с использованием SFP и GBIC с 10 Гбит/с соединениями Dense Wave Division Multiplexing (DWDM) с использованием модулей XENPAK , X2 или XFP DWDM. Система Enhanced WDM может использовать как пассивные, так и усиленные соединения DWDM для обеспечения большей дальности соединения. В дополнение к этому, подключаемые модули форм-фактора C обеспечивают Ethernet 100 Гбит/с, подходящий для высокоскоростных магистральных подключений к Интернету.
Коротковолновый WDM использует трансиверы с вертикальным резонатором и поверхностно-излучающим лазером (VCSEL) с четырьмя длинами волн в диапазоне от 846 до 953 нм по одному волокну OM5 или двухволоконному соединению для волокна OM3/OM4. [7]
См. также транспондеры (оптическая связь) для различных функциональных взглядов на значение оптических транспондеров.