DWDM оборудование

Что такое DWDM?

DWDM – это технология плотного спектрального мультиплексирования (уплотнения) (сокр. от англ. – Dense Wavelength Division Multiplexing), позволяющая одновременно передавать до 44 оптических сигналов с канальным интервалом 100 ГГц по одному одномодовому волокну.  При уменьшении канального интервала вдвое, до 50 ГГц, емкость одного волокна SM возрастёт до 88 симплексных каналов связи, такая модификация в некоторых источниках называется HDWDM – высокоплотное спектральное мультиплексирование (сокр. от англ. – High Dense Wavelength Division Multiplexing).

Для передачи сигналов в рамках технологии DWDM используют несущие длины волн из диапазона 1530 – 1625 нм, в которой попадают два телекоммуникационных спектральных диапазона:

1. С-band (compromise band, компромиссный диапазон) 1531-1570 нм;
2. L-band (long band, длиноволновый диапазон) 1571-1611 нм.

В современных системах уплотнения DWDM, как правило, используется только C-band. Это связано с тем, что оборудование, рассчитанное на работу в этом спектральном диапазоне, значительно доступнее своих аналогов из L-band, как экономически, так и ассортиментом.

С-диапазон для удобства и простоты расчётов делится на два условных поддиапазона:

1. Red-band – красный диапазон, 1547,72-1561,42 нм;
2. Blue-band – синий диапазон, 1528,77-1543,73 нм.

Системы плотного спектрального мультиплексирования на данный момент являются наиболее гибким решением, так как позволяют создавать не только высокоплотные многоканальные системы передачи, но и организовывать протяжённые линии передачи Long-Haul типа. К тому же ассортимент современных DWDM трансиверов позволяет формировать каналы связи со скоростями от 100 Мбит/с до 100 Гбит/с.

Виды DWDM оборудования

В зависимости от задачи, системы уплотнения DWDM строятся на основе шести компонентов:

1. Оптических трансиверов, рассчитанных для работы в системах уплотнения DWDM;
2. Пассивных оптических мультиплексоров/демультиплексоров DWDM;
3. Пассивных оптических мультиплексоров ввода/вывода OADM DWDM;
4. Оптических усилителей на основе эрбиевого волокна – EDFA;
5. Модулей компенсации хроматической дисперсии – DCM.

Так же в качестве компонентов системы DWDM могут выступать транспондеры/мукспондеры, перестраиваемые мультиплексоры – ROADM (сокр. от англ. -) и оптические усилители, основанные на эффекте Рамана (Рамановские усилители), но в связи с высокой стоимостью и редкостью использования, в описанных ниже примерах данные компоненты не рассматриваются в рамках данной статьи.

Трансиверы DWDM

Оптические трансиверы DWDM – это духволоконные приемо-передатчики, применяемые для передачи сигналов в системах плотного спектрального мультиплексирования. Все DWDM модули вне зависимости от их форм фактора оснащены портами:

• «Tx» – для передачи сигналов;
• «Rx» – для приёма.

Порт «Rx» зачастую является широкополосным и детектирует оптические сигналы в диапазоне 1270 – 1620 нм, порт «Tx» сигнал на одной из несущих длин волн C или L диапазонов, в зависимости от модели трансивера.

Современная линейка DWDM трансиверов включает в себя практически все возможные форм факторы, которые поддерживают передачу данных со скоростью от 100 Мбит/с до 100 Гбит/с.

Мультиплексоры и демультиплексоры DWDM

Оптический мультиплексор и демультиплексор DWDM представляет собой – пассивное волоконно-оптическое устройство, предназначенное для мультиплексирования (суммирования) и демультиплексирования (разделения) оптических сигналов по длинам волн (частоте) в рамках частотной сетки DWDM (DWDM grid).

В системах уплотнения DWDM применяются мультиплексоры, построенные как по технологии TFF (сокр. от англ. – Thin Film Filter) – мультиплексор на основе тонкопленочных фильтров, так и по технологии AWG (сокр. от англ. – Arrayed Waveguide Gratings) – мультиплексор на основе массива волноводов. Каждая технология производства мультиплексоров обладает своими плюсами и минусами, в зависимости от требований или ресурсов трассы может быть использована любая из перечисленных технологий.

DWDM мультиплексоры на основе TFF

Данный тип мультиплексоров практически полностью повторяет архитектуру своего аналога CWDM за исключением диапазонов пропускаемых длин волн. Окно прозрачности для этих мультиплексоров составляет λн±0,1 нм, где λн — несущая длина волны.

В остальном принципы, заложенные в мультиплексорах CWDM (подробнее можно прочитать по ссылке), основанных на оптических фильтрах, полностью применимы в DWDM-мультиплексорах.

DWDM мультиплексоры на основе AWG

В данном типе мультиплексоров смешение или разделение различных длин волн происходит в рамках одного кристалла. Мультиплексор на основе AWG представляет собой кристалл, состоящий из массива волноводов (условно можно сказать, что это множество различных ОВ). Свет на определенной длине волны, попадая на этот кристалл, распространяется по своей «дорожке» и на оборот.

Внутри AWG мультиплексора находится:

• Фокусирующая С-линза — специальная линза с вклеенным в нее оптическим выводом, которая фокусирует проходящий по ОВ свет на массив волноводов или фокусирует свет, приходящий из массива волноводов в ОВ.
• Массив волноводов — кристалл, состоящий из множества отдельных дорожек, каждая из которых соответствует своей длине волны.
• Выходная фокусирующая пластина — специальная структура, состоящая во многом из ленточного волокна, которая прецизионно вклеена в массив волноводов таким образом, чтобы отдельное ОВ стыковалось со своей дорожкой.

За счет того, что свет на любой длине волны проходит примерно один и тот же путь, вносимые затухания для мультиплексоров на основе AWG для любой длины волны всегда примерно одинаковы и составляют 4-7 дБ в зависимости от типа кристалла. Данная особенность очень выгодна при проектировании и построении высокоплотных систем (более 20 каналов передачи данных), так как расчет оптического бюджета заметно упрощается и, таким образом, значительно проще предсказать возможные отклонения от расчетных значений.

По принципу работы все мультиплексоры можно разделить на два основных типа:

1. Одноволоконные DWDM мультиплексоры – являются комбинированным устройством, которое одновременно мультиплексирует исходящие сигналы (из портов «Tx») и демуплексирует принимаемый групповой сигнал на отдельные каналы (подаваемые на порты «Rx»);
2. Двухволоконные мультиплексоры DWDM, которые представляют собой классический волоконно-оптические мультиплексоры с чётко разделенными мультиплексирующей и демультиплексирующей частями. Функционально, двухволоконный мультиплексор является двумя взаимно не связанными мультиплексорами, один из которых только мультиплексирует исходящие сигналы в групповой исходящий сигнал, а второй мультиплексор демультиплексирует поступающий из линии групповой сигнал на отдельные канальные сигналы.

DWDM мультиплексоры ввода и вывода

Оптические мультиплексоры ввода и вывода DWDM сокращённо DWDM OADM (сокр. от англ. – Optical Add Drop Multiplexor) – это пассивные оптические устройства, которые применяются для организации промежуточных узлов связи в рамках магистральной линии. 

Устройства OADM по своей сути являются обычными мультиплексорами и демультиплексорами с малой канальной ёмкостью, которые могут быть рассчитаны для использования, как в одноволоконных системах, так и в двухволоконных.

Ключевым же отличием обычных мультиплексоров от OADM является метод подключения устройства к линии передачи: мультиплексор/демультиплексор подключается в линию портом (портами) «COM», OADM же для подключения задействует порты «COM» и «EXP» (так же называется Upgrade).

Таким образом одноволоконные мультиплексоры ввода/вывода имеет два линейных порта, а мультиплексор/демультиплексор один линейный порт.

Из-за особенностей в подключении, DWDM OADM могут быть произведены только по технологии TFF, так как мультиплексоры, произведенные по технологии AWG, не имеют порта «EXP».

По принципу работы можно разделить мультипелксоры ввода/вывода на:

• Однонаправленные,
• Двунаправленные.

Однонаправленные OADM выделяют и вносят в линейный сигнал N длин волн в одном направлении распространения группового сигнала. Такой тип устройств используется для организации связи между «головными» и «промежуточным» узлами связи.

Двунаправленные мультиплексоры ввода/вывода выделяют и вносят в линейный сигнал длины волн в обе стороны его распространения. Двунаправленные OADM применяются в полносвязных сетях с тремя узлами связи или в топологии «Точка – многоточие» для организации связи между двумя «головными» и «промежуточным» узлами, а также для организации связи между соседними узлами связи.

Оптические усилители EDFA

Оптические усилители на основе волокна, легированного эрбием – EDFA (сокр. от англ. – Erbium Doped Fibre Amplifier) является активным волоконно-оптическим оборудованием позволяющим усиливать проходящие оптические сигналы в спектральном диапазоне 1530 – 1560 нм.

EDFA усилители используются в системах плотного спектрального мультиплексирования для увеличения оптической мощности передаваемых сигналов без необходимости предварительного демультиплексирования или OEO – преобразования. То есть DWDM EDFA позволяют равномерно усиливать канальные оптические сигналы в рамках группового потока без необходимости дополнительных манипуляций.

В рамках DWDM систем используется три типа оптических усилителей:

1. Входной усилитель (Booster) – устанавливается непосредственно после мультиплексора.
2. Линейный усилитель (Line) – устанавливается на промежуточном узле регенерации.
3. Предусилитель (PreAmp) – устанавливается перед демультиплексором.

В зависимости от протяжённости линии передачи или вносимых оптическим волокном затуханий в системе уплотнения DWDM могут быть применены как все три типа усилителей, так и только два (зачастую используют связку booster – preamp) или один (в таком случае зачастую выбирают booster).

Важным условием к системе передачи для использования оптических усилителей является двухволоконность, то есть выделенное волокно для передачи сигнала в направлении «A – B» и волокно для передачи в направлении «B – A». В случае дефицита кабельной ёмкости это правило можно обойти при помощи широкополосных оптических фильтров, которые делят C-диапазон на два поддиапазона: Red и Blue.

Такое решение значительно снижает канальную ёмкость системы уплотнения (максимальное количество дуплексных каналов передачи данных – 16), но позволяет организовать DWDM – систему с использованием EDFA в рамках одного оптического волокна.

Так же при построении систем уплотнения с использованием EDFA важно помнить, что большое число каскадов усиления (последовательно соединение оптических усилителей без промежуточной 3R регенерации) может значительно снизить соотношение Сигнал/Шум (OSNR), что в итоге может привести к ошибкам передачи или полному «падению» каналов передачи.

Модуль компенсации дисперсии (DCM)

Модуль компенсации хроматической дисперсии – DCM (сокр. от англ. – Dispersion Compensation Module) – это пассивное волоконно-оптическое устройство, применяемое в протяжённых линиях связи для исправления формы оптических сигналов, искажённых под влиянием хроматической дисперсии в процессе прохождения оптического волокна.

Явление хроматической дисперсии заключается в размытии спектра светового импульса при прохождении одномодового волокна G.652 типа. Явление хроматической дисперсии в большей степени относится к сигналам со скоростью передачи данных более 1,25 Гбит/с.

На данный момент на рынке наиболее распространены два основных типа DCM:

1. Компенсатор хроматической дисперсии на основе волокна с отрицательной дисперсией – DCF (сокр. от англ. – Dispersion Compensation Fiber);
2. Компенсатор хроматической дисперсии на основе решётки Брэгга – FBG (сокр. от англ. – Fiber Bragg Grating).

Компенсатор дисперсии на основе DCF представляет собой катушку оптического волокна, обладающую отрицательной дисперсией в диапазоне длин волн 1525-1565 нм (по отношению к величине дисперсии SMF G.652). Это исторически первый вид компенсаторов хроматической дисперсии.

В настоящее время данный вид DCM является наиболее бюджетным, но имеет несколько недостатков:

• Вносимые потери. В зависимости от величины компенсируемой хроматической дисперсии, блоки DCF имеют разные показатели вносимого затухания в диапазоне от 4 дБ до 12 дБ в зависимости от модели. Это достаточно неудобно при расчёте/построении DWDM-систем.
• Габариты. В связи с тем, что DCF по факту являются катушкой с волокном, данные блоки обладают внушительными габаритами (не менее ½ Rack Unit). Это неудобно в случаях, когда блок DCM необходимо встроить в какое-либо оборудование или в телекоммуникационной стойке ограничено пространство для размещения DWDM-оборудования.

Компенсатор хроматической дисперсии на основе FBG представляет собой пассивное оптическое устройство, состоящее из чирпированного волокна и оптического циркулятора. Чирпированное волокно за счёт структуры создаёт условно отрицательную хроматическую дисперсию входящих сигналов в диапазоне длин волн 1525-1600 нм. Оптический циркулятор в устройстве играет роль фильтрующего устройства, направляющего сигналы в соответствующие выводы.

В настоящее время данный вид DCM является наиболее востребованным, хоть и имеет более высокую стоимость в сравнении с DCF.

Основные достоинства DCM FBG:

• Вносимые потери. Вне зависимости от величины компенсируемой хроматической дисперсии, все блоки DCM FBG имеют одинаковый показатель вносимых потерь, примерно 3,5~4 дБ. Это объясняется тем, что в данном виде компенсаторов, как правило, вносимые потери вносит циркулятор, который абсолютно одинаков в любом DCM FBG.
• Габариты. В связи с тем, что DCM FBG представляет собой небольшой отрезок волокна в качестве циркулятора для корпусирования используются небольшие пластиковые/ металлические коробы размером 160х20х10 мм. Такие размеры позволяют встраивать блоки в любое оборудование или любой корпус.

Сферы применения DWDM

Системы спектрального уплотнения DWDM характеризуются внушительной канальной ёмкостью (до 44 каналов передачи данных по одному волокну) и большой протяжённостью линии передачи (200 – 300 км без необходимости регенерации передаваемых сигналов). В связи с этим, системы DWDM наиболее востребованы в следующих сферах:

• Высокоплотные LAN – сети;
• Разветвлённые или высокоплотные Metro – сети;
• Протяжённые Long haul сети;
• Гибридные сети передачи данных.

Поговорим о каждой из них более подробно.

LAN – сети по технологии DWDM

Наиболее распространённой сферой применения DWDM в LAN – сетях является организация соединения внутри ЦОД`а или крупной точки обмена трафиком – IX (сокр. от англ. – Internet Exchange).

В рамках этой задачи необходимо организовать высокую плотность каналов передачи 10 Гбит/с на небольшом расстоянии, менее 1 км. Для этого великолепно подойдут многоканальные DWDM мультиплексоры, произведённые по технологии AWG и DWDM трансиверы со скоростью передачи 10 Гбит/с.

Использовать оптические усилители или компенсаторы дисперсии в данном случае не нужно, так как расстояние не большое, а значит вносимые затухания и хроматическая дисперсия так же не велики.

Так же в рамках LAN – сети можно организовать DCI (сокр. от англ. – Data Center Interconnect) при условии не большой удалённости ЦОД`ов друг от друга, не более 40 км. В данном решении, возможно, потребуется использование EDFA, так как зачастую городские трассы обладают повышенным затуханием.

Metro – сети по технологии DWDM

В данном случае технология DWDM является органичным развитием идеи Metro – сетей на основе CWDM. Главным отличием и преимуществом DWDM над CWDM является возможность организации более ёмких и протяжённых сетей.

Увеличение протяжённости возможно при использовании EDFA усилителей и при необходимости DCM. При этом широкий ассортимент DWDM трансиверов позволяет организовывать каналы передачи со скоростью от 100 Мбит/с до 100 Гбит/с.

Long haul – сети по технологии DWDM

Протяжённые сети связи являются наиболее популярной сферой применения DWDM, это имеет как исторические корни (системы с использованием EDFA усилителей изначально были нацелены, на преодоление больших расстояний с минимумом или отсутствием регенерационных узлов), так и инновационные, так как на основе технологии DWDM проектируются все «дальнобойные» технологии, такие как DCO (сокр. от англ. – Digital Coherent Optics).

В рамках Long haul – сетей на основе DWDM систем реализуются различные по своей ёмкости и скорости магистральные трассы, это может быть как передача единичных каналов 1,25 Гбит/с, так и высокоемкие линии передачи 10 Гбит/и. И конечно же именно в рамках DWDM передаются высокоскоростные каналы на 100 Гбит/с и более.

Гибридные сети с использованием технологии DWDM

Зачастую гибридные системы передачи являются вынужденной мерой связанной или с ограниченным ресурсом кабельной инфраструктуры, или из соображений экономии. Но при этом при помощи гибридных сетей можно создавать достаточно удобные и функциональные системы передачи. К гибридным сетям можно отнести:

• Гибридные сети передачи DWDM + CWDM;
• Гибридные сети передачи DWDM + CATV;
• Гибридные сети передачи DWDM + PON.

Совместная передача DWDM с CWDM

Это наиболее популярное решение гибридных систем, в рамках которого технология CWDM используется для передачи низкоскоростных каналов ≤ 1,25 Гбит/с, а DWDM для передачи каналов 10 Гбит/с.

Обычно такие системы уплотнения реализуются на сетях, где уже установлено оборудование CWDM, но его необходимо расширить. Для расширения использую CWDM длины волн 1530 нм и 1550 нм в рамках которых можно организовать до 8 дуплексных каналов связи при помощи DWDM.

Совместная передача DWDM с CATV

Совместная передача сигналов DWDM и CATV может быть реализована двумя путями:

1. Дорогим, с использованием специального CATV передатчика передающего сигнал КТВ на несущей линии волны из С – диапазона 100ГГц, это позволяет использовать практически всю ёмкость DWDM выделяя всего одну длину волны под передачу CATV. Главным минусом такого решения является стоимость DWDM CATV передатчика, который в разы дороже обычны 1550 нм CATV передатчиков.
2. Компромиссным, с использованием специального широкополосного фильтра для мультиплексирования/демультиплексирования CATV сигнала и DWDM сигналов. Данный метод позволяет без замены КТВ оборудования совместно передавать и DWDM, и CATV, но имеет ограничение ёмкости DWDM системы – 8 каналов связи, это вызвано использованием широкополосного фильтра. 

Совместная передача DWDM с PON

Крайне непопулярное решение, так как требует не только установки на сеть DWDM EDFA, но и зачастую отказа от передачи CATV 1550 нм в связи со сложностью совместной передачи.

Подобные сети связи можно рассматривать как временные решения организации MAN сети в рамках имеющейся кабельной инфраструктуры PON, для быстрого запуска нескольких DWDM каналов.

В долгосрочной же перспективе компоненты данной гибридной сети будут мешать развитию друг друга и в конечном итоге от какого-то из сегментов придётся отказаться или же вся структура переродиться в WDM-PON сеть, набирающую в настоящий момент популярность.