Самое распространенное одномодовое оптическое волокно – это SMF G.652 разных модификаций. Практически наверняка, если у Вас есть волоконно-оптическая линия, она сделана из волокна G.652. У него есть ряд важных характеристик, которые надо иметь в виду. Удельное (его ещё называют километрическим) затухание – то есть затухание одного километра волокна – зависит от длины волны излучения.

Википедия подсказывает нам следующее распределение:

Водяной пик

В реальной жизни сейчас картина получше, в частности удельное затухание в окне 1310нм обычно укладывается в 0.35дБ/км, в окне 1550нм оно порядка 0.22-0.25дБ/км, а так называемый «водяной пик» в районе 1400-1450нм у современных волокон не так сильно выражен, либо вообще отсутствует.

Тем не менее, надо иметь в виду эту картину и само наличие этой зависимости.

Исторически диапазон длин волн, который пропускается оптическим волокном, делится на следующие диапазоны:

  • O – 1260…1360
  • E – 1360…1460
  • S – 1460…1530
  • C – 1530…1565
  • L – 1565…1625
  • U – 1625…1675

С приемлемым приближением свойства волокна внутри каждого диапазона можно считать примерно одинаковыми. Водяной пик приходится, как правило, на длинноволновый конец E-диапазона. Ещё будем иметь в виду, что удельное (километрическое) затухание в O-диапазоне примерно в полтора раза выше, чем в S- и в С-диапазоне, удельная хроматическая дисперсия – наоборот, имеет нулевой минимум на длине волны в 1310нм и ненулевая в C-диапазоне.

Простейшие системы уплотнения – двунаправленная передача по одному волокну

Первоначально дуплексная волоконно-оптическая линия связи требовала для работы два волокна: по одному волокну шла передача информации в одну сторону, по другому волокну – в другую. Это удобно своей очевидностью, но довольно расточительно по отношению к использованию ресурса проложенного кабеля.

Поэтому, как только стала позволять технология, стали появляться решения для передачи информации в обе стороны по одному волокну. Названия подобных решений – «одноволоконные трансиверы», «WDM», «bi-directional».

В самых распространенных вариантах используются длины волн 1310 и 1550нм, соответственно из O- и C-диапазона. «В дикой природе» трансиверы на эти длины волн встречаются для линий до 60км. Более «дальнобойные» варианты делаются на другие комбинации – 1490/1550, 1510/1570 и тому подобные варианты с использованием окон прозрачности с мЕньшим удельным затуханием, чем в O-диапазоне.

Кроме вышеперечисленных пар длин волн, возможно встретить комбинацию 1310/1490нм – она используется, если одновременно с данными по этому же волокну передается сигнал кабельного телевидения на длине волны 1550нм; или 1270/1330нм – она используется для передачи 10Гбит/с потоков.

Мультиплексирование данных и кабельного телевидения

Раз уж я затронул тему КТВ, расскажу о нем ещё немного.

Для доставки сигнала кабельного телевидения от головной станции до многоквартирного дома сейчас тоже используется оптика. Для него используется либо длина волны 1310нм – здесь минимальная хроматическая дисперсия, то есть искажение сигнала; либо длина волны 1550нм – здесь минимальное удельное затухание и возможно применение чисто-оптического усиления с использованием EDFA. Если есть необходимость доставки на один дом одновременно и потока данных (интернет) и синала КТВ, нужно либо использовать два отдельных волокна, либо несложное пассивное устройство – фильтр FWDM.

FWDM filter TV1550

Это обратимое устройство (то есть одно и то же устройсто используется как для мультиплексирования, так и для демультиплексирования потоков) с тремя выводами: под КТВ, одноволоконный трансивер и общий выход (см. схему). Таким образом можно строить сеть PON или Ethernet, используя для передачи данных длины волн 1310/1490, а для КТВ – 1550нм.

CWDM и DWDM

Системы CWDM и DWDM – это следующие шаги в сторону более эффективного использования ресурса волоконно-оптического кабеля. Принципиально эти две технологии устроены одинаково: диапазон длин волн, пригодных для передачи в одномодовом волокне, разбивается на некоторое количество каналов (18 в CWDM, до 160 в DWDM), по которым с помощью пассивных чисто-оптических мультиплексоров осуществляется передача независимых потоков данных.Отличие CWDM и DWDM – в плотности разделения каналов. В системах CWDM используется все окно прозрачности: предусмотрено 18 каналов шириной 13нм с шагом 20нм, от 1270 до 1610нм. В системах DWDM используется только C-диапазон, но сетка каналов гораздо плотнее: предусмотрено разделение каналов с межканальным интервалом 200, 100, 50 и 25ГГц в диапазоне длин волн от 1528 до 1565нм. Также существует расширение DWDM-сетки на L-диапазон 1565-1625нм.Для использования этого частотного ресурса применяются специальные пассивные устройства – мультиплексоры и модули ввода-вывода (дроп-модули), а также специальные («цветные») трансиверы.

CWDM система

Подчеркну, что использование каналов для передачи данных в одну или в другую сторону – чистая условность, мультиплекору абсолютно всё равно, в какую сторону идет сигнал в каждом канале; а оптические приемники – широкополосные, они реагируют на излучение любой длины волны. Поэтому распределение каналов – вопрос планирования сети и допускает значительную гибкость. Из важных моментов, которые надо иметь в виду при проектировании линии CWDM – это различие удельного затухания в волокне на разных каналах (см. первый раздел настоящей статьи), а также различие вносимого самим мультиплексором затухания. Обычный мультиплексор сделан из последовательно соединенных фильтров, и если для первого в цепочке канала затухание может быть меньше одного децибела, то для последнего оно будет ближе к четырем (эти значения приведены для мультиплексора 1х16, на 16 длин волн). Этого недостатка лишены т. н. компактные CWDM-мультиплексоры, но они на нашем рынке появились совсем недавно.Также полезно помнить, что никто не запрещает строить двухволоконные CWDM-линии, просто объединив два мультиплексора в один функциональный блок.Кроме этого замечу, что вполне возможно часть частотного ресурса выделить под КТВ, передавая по одному волокну до семи дуплексных потоков данных одновременно с аналоговым телевидением.

Передача ТВ сигнала в системе уплотнения CWDM

Системы DWDM – по сравнению с CWDM – имеют ряд особенностей.

Во-первых, они несколько дороже CWDM. Для их использования требуются лазеры со строгим допуском по длине волны и мультиплексоры очень высокой избирательности.

Во-вторых, используемые диапазоны лежат в рабочих зонах оптических усилителей EDFA. Это позволяет строить длинные линии с чисто-оптическим усилением без необходимости оптоэлектронного преобразования сигнала. Именно это свойство привело к тому, что многие при слове «DWDM» сразу представляют себе именно сложные системы монстров телеком-рынка, хотя подобное оборудование можно использовать и в более простых системах.И в-третих, затухание в C- и L-диапазонах минимально из всего окна прозрачности оптического волокна, что позволяет даже без усилителей строить линии бОльшей длины, чем при использовании CWDM.

Мультиплексоры DWDM – это так же пассивные устройства, как и мультиплексоры CWDM. Для числа каналов до 16 они также устроены из отдельных фильтров, и это довольно простые устройства. Однако мультиплексоры для бОльшего числа каналов делаются по технологии Arrayed Wavelength Grating, крайне чувствительной к изменениям температуры. Поэтому такие мультиплексоры выпускаются либо с электронной схемой термостабилизации (Thermal AWG), либо с применением специальных способов автокомпенсации, не требующих энергии (Athermal AWG). Это делает такие мультиплексоры более дорогими и нежными в эксплуатации.

Практические ограничения в волоконно-оптической связи

В заключение я немного расскажу об ограничениях, с которыми приходится иметь дело при организации связи по оптике.

Первое ограничение – это оптический бюджет, или баланс между потерями в оптоволоконной трассе, мощностю вводимого излучения и чувствительностью приемника трансивера..

Если мы говорим о двухволоконных линиях связи, расчет оптического бюджета достаточно сделать для одной длины волны – той, на которой будет вестись передача.

Как только у нас появляется волновое уплотнение (особенно в случае одноволоконных трансиверов или систем CWDM) – сразу надо вспомнить про неравномерность удельного затухания волокна на разных длинах волн и про затухание, вносимое мультиплексорами.

Если мы строим систему с промежуточными ответвлениями на OADM – не забываем посчитать затухание на OADM. Оно отличается для сквозного канала и выводимых длин волн.

Не забываем оставить несколько децибел эксплуатационного запаса.

Второе, с чем приходится иметь дело – это хроматическая дисперсия. Актуальной она по-настоящему становится для 10Гбит/с линий, и вообще говоря, о ней в первую очередь думает производитель оборудования. Кстати, именно дисперсия придает физический смысл упоминанию километров в маркетинговых названиях трансиверов. Специалисту эксплуатации просто полезно понимать, что есть такое свойство волокна и что кроме затухания сигнала в волокне картину портит ещё и дисперсия.

Для простых систем без усилителей расчет линии в основном сводится к расчету оптического бюджета, а тема расчета линии с усилителями вполне достойна отдельной статьи.

Вот,  вкратце, инженерные основы технологий уплотнения в оптических линиях. Более подробную информацию Вы всегда можете получить у специалистов компании Modultech.