Волоконно-оптические системы связи. Эволюция

В этом материале мы подробно остановимся на основных вехах развития волоконно-оптических систем связи (ВОСС). Эволюцию развития ВОСС на этапе зарождения волоконной оптики принято разделять по годам, вторую половину эволюцию разделяют по этапам.

1960 год

Изобретение и демонстрация первого лазера

1966 год

На основе испытаний первых лазеров установлено, что они могут быть лучшим выбором для волоконно-оптических систем связи. Однако на тот момент не было практически пригодного для ВОСС оптического волокна: опытные образцы таких волокон вносили затухание более 1000 дБ/км.

1970 год

Изобретение оптического волокна фирмой Cornglass

Прорыв произошел в 1970 году: фирма Cornglass получила опытные образцы волокна с затуханием 20 дБ/км в диапазоне длин волн, близких к 1000 нанометров (нм). Практически одновременно было доказано, что GAs полупроводниковые лазеры могут непрерывно работать при температуре помещения.

Наличие оптического волокна с малым затуханием и компактного источника оптического излучения сделали реальным создание волоконно-оптической системы связи.

1975 год

Начало практического создания волоконно-оптических систем связи

Тридцатилетний период развития после 1975 года обычно представляют в виде нескольких последовательных этапов, каждый из которых вносил фундаментальные изменения в состояние ВОСС.

Этап 1

Первые волоконно-оптические системы связи работали в области длин волн 850 нм и использовали многомодовое волокно и полупроводниковые лазеры на арсениде галлия GaAs . Первые испытания таких систем проводились в (1977…1979) годах, а коммерческое применение получили с 1980 года. Они работали на скоростях передачи 34…45 Мбит/с с максимально допустимой длиной регенерационного участка 10 км.

Для сравнения: достижение таких же скоростей передачи в коаксиальных системах передачи возможно только при длине регенерационного участка не более 1 км.

Параметры первых ВОСС были специфицированы в двух рекомендациях ITU-T – рекомендации G.651, где определены параметры мультимодового оптического волокна, работающего в диапазоне длин волн (или окне) 850 нм и рекомендации G.956 (теперь G.955), где определены параметры ВОСС, работающей в окне 850 нм на скоростях плезиохронной цифровой иерархии PDH.

Этап 2

Уже в 1970-ых годах стало очевидно, что длина регенерационного участка волоконно-оптической системы связи может быть значительно увеличена, если использовать окно 1300 нм, где затухание волокна составляет менее 1 дБ/км. Более того, оптическое волокно в этом окне волн имеет также минимальную дисперсию. Было также установлено, что реализация такой ВОСС требует применения InGaAsP полупроводниковых лазеров на основе фосфид-арсенид индия-галлия InGaAsP и детекторов, работающих в окне 1300 нм.

Приборы с такими параметрами появились в начале 1980-ых годов. Однако скорость передачи в ранних системах ВОСС 2-го этапа была ограничена 100 Мбит/с из-за большой дисперсии в мультимодовых волокнах в этом окне. Это ограничение было преодолено использованием одномодовых волокон. Лабораторный эксперимент в 1981 году показал возможность достижения скорости 2 Гбит/с при длине одномодового волокна 44 км в диапазоне длин волн 1300 нм.

Коммерческое внедрение 2-го поколения волоконно-оптических систем связи с параметрами – скоростью передачи до 1,7 Гбит/с и длиной регенерационного участка около 50 км – началось в 1988 году.

Параметры 2-го поколения ВОСС стандартизованы 2-мя рекомендациями ITU-T – рекомендацией G.652, которая специфицирует параметры одномодового волокна в окне 1300 нм, и рекомендацией G.957, которая определяет характеристики ВОСС, работающих в окне 1300 нм и соответствующих скоростям передачи синхронной цифровой иерархии SDH до STM-16. Кроме того, рекомендация G.956, которая теперь называется G.955, была дополнена параметрами систем плезиохронной цифровой иерархии PDH, работающих в окне 1300 нм.

Этап 3

Длина регенерационного участка второго поколения волоконно-оптических систем связи, работающих в окне 1300 нм, была ограничена затуханием волокна на волне 1300 нм, которое равно 0,5 дБ/км. Затухание же кремниевого волокна имеет место вблизи волны 1550 нм и составляет 02 дБ/км.

Однако внедрение ВОСС, работающих по одномодовому волокну в окне 1550 нм, было значительно задержано из-за большой дисперсии волокна на волне 1550 нм. Кроме того, типовые InGaAsP полупроводниковые лазеры не могли быть использованы из-за явления расширения импульсов в результате одновременной осцилляции нескольких продольных волн. Проблему дисперсии можно было преодолеть использованием волокон со сдвинутой дисперсией, имеющих минимальную дисперсию на волне 1550 нм, или ограничением спектра лазерного излучения только одной продольной модой. Оба способа исследовались в начале 1980-х годов. Лабораторные испытания, проведенные в 1985 году, показали возможность достижения скоростей передачи 4 Мбит/с при длине волокна более 100 км.

ВОСС третьего поколения стали коммерчески доступны в 1992 году. Такие ВОСС оказались способными работать на скоростях до 10 Гбит/с. Причём лучшие результаты были достигнуты путём комбинированного применения волокон со сдвинутой дисперсией и лазеров, работающих в режиме единственной продольной моды.

Параметры 3-го поколения волоконно-оптических систем связи специфицированы в следующих рекомендациях ITU-T:

рекомендации G.653, регламентирующей характеристики одномодового волокна со сдвинутой дисперсией;
рекомендации G.652, G.955 (прежнее название G.956) и G.957, которые изменены или дополнены параметрами ВОСС, работающими в окне 1550 нм;
рекомендации G.974, нормирующей параметры подводных ВОСС.

Этап 4

Недостатком 3-го поколения ВОСС была необходимость применения электронных усилителей через каждые (70…80) км. Эта ситуация изменилась только в 1989 году с изобретением оптических усилителей.

4-ое поколение ВОСС сделало возможным использование оптического усиления для увеличения длины регенерационного участка и спектрального мультиплексирования wavelength division multiplexing (WDM) для увеличения агрегатной скорости передачи. Появление WDM положило начало удвоению пропускной способности системы каждые 6 месяцев. В большинстве WDM систем затухание длина регенерационного участка составляло 70…80 км и компенсировалось с помощью легированных эрбием оптических усилителей. Такие усилители, работающие в диапазоне частот C-band (1 530-1 565 nm), были разработаны после 1985 года и стали коммерчески доступны в 1990 году. Эксперименты 1991 года показали возможность передачи данных со скоростью 2,5 Гбит/с более чем на 21000 км и со скоростью 5 Гбит/с более чем на 14000 км при использовании recirculating-loop configuration. Тем самым была подтверждена принципиальная реальность межконтинентальной связи с помощью подводных ВОСС с оптическими усилителями, а начиная же с 1996 года стала возможной коммерческая эксплуатация трансатлантических и транстихоокеанских подводных волоконно-оптических систем связи, число которых постоянно росло.

Примечание

Recirculating-loop configuration – так называют шлейфы оптического волокна с возможностью многократной циркуляции света (fiber loops in which light can circulate many times).

Параметры оптического волокна, систем связи с оптическими усилителями и метода передачи WDM специфицированы целой группой разработанных ITU-T рекомендаций. Так, рекомендация G.655 регламентировала параметры одномодового оптического волокна со сдвинутой ненулевой дисперсией, а рекомендации G.694.1 и G.694.2 определяли спектральные сетки для приложений DWDM и CWDM.

Следующая группа рекомендаций ITU-T специфицировала характеристики ВОСС, предназначенных для работы со специальными приложениями DWDM:

G.959.1 для связи между серверами доменов Интернет без линейных оптических усилителей;
G.698.1 для городских сетей доступа без линейных оптических усилителей;
G.698.2 для городских/региональных сетей доступа с линейными оптическими усилителями;
G.696.1 для магистральных (core) сетей c оптическими усилителями;
G.973 для подводных систем без линейных оптических усилителей;
G.977 для подводных систем с линейными оптическими усилителями.

Наконец, рекомендация G.695 определяет системы CWDM для городских сетей и сетей доступа.

Этап 5

Этот этап касается текущего развития волоконно-оптических систем связи и некоторых направлений их эволюции.

Первое направление рассматривает магистральную (long-haul) волоконно-оптическую связь на большие расстояния.

Ключевым аспектом этого направления является увеличение пропускной способности таких систем путём:

передачи большего числа каналов методом WDM в диапазоне C-band (1530…1565) за счёт сокращения канального интервала. Коммерческие наземные системы с пропускной способностью 1,6Тбит/с (160 каналов по 10 Гбит/с каждый) уже имеют канальный интервал 25 ГГц.
развёртывания оптических каналов не только в диапазоне C-band, но также на коротких волнах S-band (1460…1530) нм и длинных волнах L-band (1565…1625) нм. Рамановский метод усиления может быть использован для сигналов во всех 3-х диапазонах длин волн. Более того, новый тип волокна, известный как «low water peak fibre», имеет малое затухание во всем диапазоне длин волн от 1,3 нм до 165 нм. Наличие такого волокна и новых схем усиления позволяет создавать ВОСС с большим числом каналов WDM на одном оптическом волокне.
увеличения скорости передачи в каждом канале внутри сигнала WDM. Начиная с 2000 года во многих экспериментах использовались каналы, работающие на скорости 40 Мбит/c. Более того, начиная с 2006 года в некоторых экспериментах были достигнуты скорости передачи в каждом канале WDM до (110…130) Гбит/с. Большинство этих новых систем требует очень точного управления их дисперсией и новых методов обращения со временем поляризации различных эффектов (PMD и PDL 1-го и 2-го порядков).

2-ое направление эволюции – сокращение числа дорогостоящих оптических/электронных/оптических преобразований (O/E/O) в оптической транспортной сети OTN.

Успешное решение этой задачи оказалось возможным благодаря созданию:

волоконно-оптических систем, способных переносить оптические сигналы DWDM на тысячи километров без электрической регенерации;
устройств фотонной кросс-коннекции PXCs и оптических мультиплексоров ввода/выделения OADMs, пригодных по своим параметрам (пропускной способности, потребляемой мощности, цене и т.п.) для использования в сетях связи.
3-е направление эволюции (как альтернатива 2-ому) – применение множества O/E/O регенераторов по цене сравнимых с оптическими усилителями. Сегодня эта цель, казавшаяся ещё вчера совершенной фантазией, становится реальностью благодаря достижениям в области фотонных интегральных схем и силиконовой фотонике.

Уже сегодня доказана экспериментально возможность получения на одном чипе 40 каналов WDM по 40 Гбит/с каждый. При этом пути эволюции можно было бы установить O/E/O регенераторы практически во всех узлах сети, а необходимые дополнительные затраты компенсировать более эффективным решением таких проблем, как улучшение аккумуляции, правил планирования сети, оптического мониторинга и т.п.

В рамках этих направлений эволюции уже подготовлены некоторые рекомендации ITU-T, другие же находятся в стадии разработки. В качестве уже подготовленных можно указать рекомендацию G.656 для волокна с ненулевой дисперсией для широкополосного оптического транспорта, расширение рекомендации G.959.1, куда включены системы 40 Мбит/с, и рекомендацию G.680, разрешающую операторам использовать OADMs и PXCs разных производителей и интегрировать их в полностью оптическую сеть AON без добавления дорогих O/E/O преобразований.