eng
Содержание
Содержание
Предисловие 7
Часть I. Основы DWDM-систем 9
1.
Введение 9
2.
Эволюция волоконно-оптических линий связи 19
2.1.
Первое поколение, ММ-волокна 23
2.2.
Второе поколение, SSMF-волокна 24
2.3.
Третье поколение, DSF-волокна 26
2.4.
Четвертое поколение, EDFA и DWDM 28
2.4.1.
Мультиплексирование по длинам волн 28
2.4.2.
Однопролетная линия 32
2.4.3.
Каскад усилителей 35
2.5.
Усовершенствованные форматы модуляции для прямого
детектирования 39
2.5.1.
Cпектральная эффективность форматов модуляции 39
2.5.2.
Оптические спектры сигналов 41
2.5.3.
«Псевдолинейный режим» при B ≥ 40 Гбит/с 42
2.6.
Пятое поколение: когерентные системы и модуляция nQAM 45
2.6.1.
Архитектура и принцип работы когерентных систем 46
2.6.2.
Форматы модуляции для когерентных систем 49
3.
Подводные и наземные cистемы 53
3.1.
Топологии сетей 54
3.2.
Параметры систем 56
3.3.
Надежность линий 59
4.
Оптические волокна 61
4.1.
Геометрия волокон 61
4.2.
Потери в прямом волокне 63
4.3.
Потери в изогнутом волокне 64
4.4.
Потери в соединениях волокон 66
4.5.
Хроматическая дисперсия 67
4.6.
Поляризационная модовая дисперсия 71
5.
Нелинейные эффекты при В ≤ 10 Гбит/с 76
5.1.
Типы нелинейных эффектов 76
5.2.
Фазовая самомодуляция 78
5.3.
Перекрестная фазовая модуляция 82
5.4.
Четырехволновое смешение 84
5.5.
Вынужденное бриллюэновское рассеяние 87
5.6.
Вынужденное рамановское рассеяние 89
Часть II. Компоненты оптического тракта 99
6.
Пассивные оптические элементы 99
6.1.
Базовые технологии 99
6.2.
Оптические разъемы 101
6.3.
Оптические ответвители 103
6.4.
Типы оптических мультиплексоров 109
6.5.
Мультиплексоры с TFF-фильтрами 114
6.6.
Мультиплексоры с AWG-решетками 118
6.7.
Волокна для DCM-модулей 127
6.8.
Компенсаторы дисперсии с DCF-волокнами 131
6.8.
Компенсаторы дисперсии с FBG-решетками 139
6.10.
Статические GFF-фильтры 151
6.11.
Оптические изоляторы 157
6.12.
Оптические циркуляторы 159
6.13.
Аттенюаторы 160
7.
Эрбиевые усилители (EDFA) 167
7.1.
Физические основы EDFA 167
7.1.1.
Принцип действия EDFA 167
7.1.2.
Коэффициент перекрытия 170
7.1.3.
Сечения рассеяния 172
7.1.4.
Спектры усиления 175
7.1.5.
Эффективность усиления и накачки 180
7.1.6.
Пороговая мощность накачки 183
7.1.7.
Типы эрбиевых волокон 186
7.2.
Модель ненасыщенного усилителя 187
7.2.1.
Эффект просветления волокна 189
7.2.2.
Коэффициент усиления ненасыщенного усилителя 192
7.2.3.
Спонтанное излучение и шум-фактор 194
7.3.
Модель насыщенного усилителя 197
7.3.1.
Эффект самонасыщения 197
7.3.2.
Коэффициент усиления в режиме самонасыщения 200
7.3.3.
Шумы усилителя в режиме самонасыщения 204
7.3.4.
Спектральные характеристики 206
7.4.
Насыщение усилителя мощностью сигнала 210
Часть III. Классические (некогерентные) DWDM-системы 213
8.
Расчет оптических шумов в некогерентных системах 213
8.1.
OSNR на выходе линии передачи 213
8.2.
Неоднородности спектра OSNR 220
8.3.
Предустановка спектра входного сигнала 222
8.4.
Шум-фактор оптических усилителей 226
9.
Дифференциальный фотоприемник для некогерентных систем 231
9.1.
Элементы цифрового фотоприемника 231
9.1.1.
Блок-схема 232
9.1.2.
Фотодиод 233
9.1.3.
Трансимпедансный усилитель 235
9.1.4.
Регенератор 238
9.2.
Быстродействующие фотодиоды 240
9.2.1.
Импульсные характеристики 240
9.2.2.
Вертикальное и торцевое освещение 243
9.2.3.
Насыщение фотодиодов 245
9.3.
Измерение BER 249
9.3.1.
Схема измерений 250
9.3.2.
Законы распределения ошибок 251
9.3.3.
Методика измерений 253
9.3.4.
Тестирование 255
9.4.
Коэффициент ошибок и Q-фактор 257
9.4.1.
Вероятность появления ошибок 257
9.4.2.
Оптимальное положение порога 258
9.4.3.
Q-фактор 259
9.4.4.
Негауссовы шумы 261
9.5.
Шумы фотоприемника 262
9.5.1.
Шумы спонтанного излучения 263
9.5.2.
Тепловые шумы 264
9.6.
Требуемое OSNR и чувствительность фотоприемников 265
9.6.1.
Требуемое OSNR (OSNRТ) 266
9.6.2.
Чувствительность фотоприемников 269
9.6.3.
Отношение сигнал/шум в бите 271
Часть IV. Когерентные 100G+ DWDM-системы 274
10.
Шумы нелинейной интерференции 275
10.1.
Механизм формирования шумов NLI 276
10.1.1.
Хаотизация импульсной последовательности 276
10.1.2.
Нелинейная интерференция (NLI) 277
10.1.3.
Шумовой характер NLI 278
10.1.4.
Спектр оптических шумов 279
10.2.
Измерение шумов нелинейной интерференции 281
10.3.
Модель шумов нелинейной интерференции 283
10.3.1.
Шумы, генерируемые в одном пролете ВОЛС 283
10.3.2.
Суммирование шумов в пролетах ВОЛС 285
10.3.3.
Точность модели гауссовых шумов 286
10.3.4.
Модель некогерентного сложения шумов 287
11.
Расчет оптических шумов в когерентных системах 289
11.1.
ВОЛС с равными пролетами 289
11.1.1.
Модель оптического тракта 289
11.1.2.
Аналитические свойства OSNRвых 290
11.1.3.
Учет дополнительных потерь 297
11.2.
ВОЛС с неравными пролетами 300
11.2.1.
Эволюция OSNR в одном пролете ВОЛС 300
11.2.2.
Эволюция OSNR в оптическом тракте 302
12.
Когерентное детектирование в высокоскоростных ВОЛС 304
12.1.
Оптоэлектронное преобразование с 180° гибридом 304
12.2.
Гомодинное и гетеродинное детектирование 306
12.3.
Интрадинное детектирование 308
12.4.
Оптоэлектронное преобразование с 90° гибридом 311
12.5.
Цифровое поляризационное демультиплексирование 313
Сокращения 317
Литература 325
Дополнительная литература 332
Предисловие
В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает
беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосовых систем
к системам передачи данных, что является следствием бурного развития
Интернет-технологий и разнообразных сетевых приложений. Поэтому од-
ним из основных требований, предъявляемых к волоконно-оптическим
сетям, является возможность быстрого увеличения их пропускной способ-
ности в соответствии с ростом объемов трафика. Наилучшим образом эта
задача решается с помощью технологии мультиплексирования каналов
по длинам волн (DWDM — Dense Wavelength Division Multiplexing).
В книге собран курс лекций по DWDM-системам, предназначенный
для специалистов, занимающихся разработкой, внедрением и эксплуата-
цией DWDM-систем. Авторы книги — сотрудники российской компании
«Т8», занимающейся разработкой и производством DWDM-оборудования,
а также проектированием, инсталляцией и пуско-наладкой DWDM-систем.
Оборудование «Волга» компании «Т8» сертифицировано для передачи
до 96 каналов DWDM со скоростью 100 Гбит/с, или до 48 каналов со скоро-
стью 400 Гбит/с. Спектральная эффективность системы «Волга» составляет
4–4,5 бит/с/Гц, что обеспечивает потенциальную пропускную способность
до 40–45 Тбит/с при использовании C+L-диапазона (~10 ТГц). К 2017 году
сотрудниками компании «Т8» построено более 67 000 километров DWDM-
сетей, из них более 15 000 километров — на DWDM-системах «Волга». Таким
образом, книга воплощает непосредственный опыт специалистов-практиков,
более 20 лет занимающихся разработкой оборудования и строительством
DWDM-систем в России и других странах.
DWDM-система в самом общем виде состоит из приемопередатчиков
(транспондеров) и волоконно-оптического тракта между ними, как показано
на рисунке ниже. В одном волокне могут быть сформированы несколько ка-
налов передачи данных на разных длинах волн. Для формирования каналов
со скоростью 10 Гбит/с и ниже используются классические (некогерентные)
транспондеры с дифференциальными фотоприемниками, а для формирова-
ния каналов со скоростью 100 Гбит/с и выше — когерентные транспондеры
с когерентным детектированием сигнала.
Соответственно, книга состоит их четырех частей. В первой части рас-
смотрены основы DWDM-систем и история их эволюции, во второй части —
компоненты волоконно-оптического тракта, в третьей части — классические
(некогерентные) DWDM-системы (10 Гбит/с и ниже), в четвертой части — коге-
рентные DWDM-системы (100 Гбит/с и выше).
Книга продолжает начатую в 2003 г. серию книг по волоконной оптике:
«Оптические волокна для линий связи», «Рефлектометрия оптических воло-
кон». Ее первое издание вышло в 2012 г., второе — в 2015 году. Материал изла-
гается достаточно просто и может быть хорошим введением для тех, кто только
начинает знакомиться с телекоммуникационными технологиями.
Детальное описание технологии DWDM и обширный список литературы
можно найти в томах Optical Fiber Telecommunications [1–5, 66], первый из которых
был издан в 1979 году (самые новые на сегодняшний день тома VIa и VIb вышли
в 2013 г.). Список литературы на русском языке приведен в конце этой книги.
Авторы благодарят Сергея Шаталина за замечания, а также Андрея Леоно-
ва за редактирование текста и иллюстраций.
В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает
беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосовых систем
к системам передачи данных, что является следствием бурного развития
Интернет-технологий и разнообразных сетевых приложений. Поэтому од-
ним из основных требований, предъявляемых к волоконно-оптическим
сетям, является возможность быстрого увеличения их пропускной способ-
ности в соответствии с ростом объемов трафика. Наилучшим образом эта
задача решается с помощью технологии мультиплексирования каналов
по длинам волн (DWDM — Dense Wavelength Division Multiplexing).
В книге собран курс лекций по DWDM-системам, предназначенный
для специалистов, занимающихся разработкой, внедрением и эксплуата-
цией DWDM-систем. Авторы книги — сотрудники российской компании
«Т8», занимающейся разработкой и производством DWDM-оборудования,
а также проектированием, инсталляцией и пуско-наладкой DWDM-систем.
Оборудование «Волга» компании «Т8» сертифицировано для передачи
до 96 каналов DWDM со скоростью 100 Гбит/с, или до 48 каналов со скоро-
стью 400 Гбит/с. Спектральная эффективность системы «Волга» составляет
4–4,5 бит/с/Гц, что обеспечивает потенциальную пропускную способность
до 40–45 Тбит/с при использовании C+L-диапазона (~10 ТГц). К 2017 году
сотрудниками компании «Т8» построено более 67 000 километров DWDM-
сетей, из них более 15 000 километров — на DWDM-системах «Волга». Таким
образом, книга воплощает непосредственный опыт специалистов-практиков,
более 20 лет занимающихся разработкой оборудования и строительством
DWDM-систем в России и других странах.
DWDM-система в самом общем виде состоит из приемопередатчиков
(транспондеров) и волоконно-оптического тракта между ними, как показано
на рисунке ниже. В одном волокне могут быть сформированы несколько ка-
налов передачи данных на разных длинах волн. Для формирования каналов
со скоростью 10 Гбит/с и ниже используются классические (некогерентные)
транспондеры с дифференциальными фотоприемниками, а для формирова-
ния каналов со скоростью 100 Гбит/с и выше — когерентные транспондеры
с когерентным детектированием сигнала.
Соответственно, книга состоит их четырех частей. В первой части рас-
смотрены основы DWDM-систем и история их эволюции, во второй части —
компоненты волоконно-оптического тракта, в третьей части — классические
(некогерентные) DWDM-системы (10 Гбит/с и ниже), в четвертой части — коге-
рентные DWDM-системы (100 Гбит/с и выше).
Книга продолжает начатую в 2003 г. серию книг по волоконной оптике:
«Оптические волокна для линий связи», «Рефлектометрия оптических воло-
кон». Ее первое издание вышло в 2012 г., второе — в 2015 году. Материал изла-
гается достаточно просто и может быть хорошим введением для тех, кто только
начинает знакомиться с телекоммуникационными технологиями.
Детальное описание технологии DWDM и обширный список литературы
можно найти в томах Optical Fiber Telecommunications [1–5, 66], первый из которых
был издан в 1979 году (самые новые на сегодняшний день тома VIa и VIb вышли
в 2013 г.). Список литературы на русском языке приведен в конце этой книги.
Авторы благодарят Сергея Шаталина за замечания, а также Андрея Леоно-
ва за редактирование текста и иллюстраций.