Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексоры и демультиплексоры – это комбинационные устройства, предназначенные для коммутации сигналов и потоков данных в линиях связи по заданным адресам и маршрутам. Основное назначение оптических мультиплексоров заключается в передаче сигналов из нескольких входов на один выход, причем выбор выхода может осуществляется при помощи сочетания определенных управляющих сигналов.

Типы мультиплексоров

В телекоммуникациях существует несколько типов мультиплексоров и демультиплексоров:

• Активные, которые мультиплексируют или демультиплексируют потоки данных в зависимости от управляющих сигналов, к такому типу мультиплексоров можно отнести мультиплексирующие оборудование PDH/SDH сетей и TDM сумматоры, а также ROADM;
• Пассивные, которые работают с физическими сигналами, подаваемыми на них, к этому типу относятся все WDM мультиплексоры и демультиплексоры, о них и поговорим далее.

Типы WDM мультиплексоров

Оптический WDM мультиплексор – это пассивное, протоколонезависимое устройство, предназначенное для объединения или разделения нескольких оптических сигналов для передачи по оптическому волокну. С их помощью можно организовать передачу нескольких каналов связи в рамках одного или нескольких волокон.

Мультиплексоры WDM по типу спектрального уплотнения

1. Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) – грубое спектральное уплотнение. Данный вид уплотнения был стандартизирован Международным Союзом Электро Cвязи в 2002 году рекомендацией ITU-T G.694.2.В системах уплотнения CWDM для организации каналов связи используется 18 длин волн, в диапазоне 1270-1610 нм, что позволяет передавать 9 дуплексных каналов по одному волокну. Данная технология получила большое распространение в городских сетях (MAN) с канальной скоростью передачи 1,25 Гбит/с (GigabitEthernet) в связи со своей простотой и недорогими компонентами необходимыми для построения системы передачи данных. Основным минусом этого типа спектрального уплотнения является невозможность усиления передаваемых оптических сигналов, из чего следует, что протяженность или разветвленность системы уплотнения зависит от оптического бюджета приемо-передатчиков (трансиверов).
2. Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) – плотное спектральное уплотнение. В данном типе спектрального уплотнения для передачи используется диапазон длин волн 1530-1625 нм (C-band), реже используется L-band (1568 – 1610 нм). Выбор С-диапазона связан с тем что он приходится на третье окно прозрачности кварцевого волокна, и как следствие обладает наименьшим затуханием дБ/км – примерно 0,25дБ/км, а также волны из этого диапазона можно усиливать при помощи эрбиевых (EDFA) и рамановских усилителей. В настоящее время существует две частотные сетки DWDM описанные в рекомендации МСЭ-С G.694:
   • Частотная сетка 100 ГГц, в которой несущие волны отстоят друг от друга на 0,8нм, то есть в диапазоне 1530-1625 нм доступно 48 длин волн, что позволяет организовать до 24 дуплексных каналов по одному волокну.
   • Частотной сетки 50ГГц, в которой несущие волны отстоят друг от друга на расстояние 0,4нм, в рамках, которой доступно 96 длин волн для организации каналов передачи – 48 штук при использовании одного оптического волокна.

   Технология уплотнения DWDM получила большое распространение и в городских сетях (MAN) с канальной скоростью передачи от 10 Гбит/с (10GigabitEthernet), и в магистральных сетях (Long-haul).

   Своим распространением в MAN-сетях DWDM обязан с одной стороны относительной экономичностью – в последнее время стоимость организации 10GE канала в рамках города на DWDM значительно ниже, чем аналогичное решение на CWDM. Так же популярность можно объяснить большей емкостью и как следствие гибкой масштабируемостью, которую предоставляют системы уплотнения DWDM.

   В long-haul сетях популярность DWDM можно объяснить одним словом – усиление. Как уже упоминалось выше, С-диапазон позволяет использовать, как относительно бюджетные EDFA-усилители для построения трасс протяженностью 100-200 км, так и дорогую связку эрбиевых усилителей с рамановскими, которые позволяют организовывать линии передачи протяженностью до 350 км.

   В обоих случаях описываются безретрансляционные участки – от одного узла связи до другого. Минусом DWDM уплотнения можно назвать сложность расчетов трасс и монтажа оборудования, но с учетом перспективности технологии и большим количеством производителей и интеграторов, поставляющих это оборудование, этим минусом можно пренебречь.

3. Local Area Network Wavelength Division Multiplexing (LWDM) – технология используется для организации высокоскоростных каналов передачи – 25G, 100G, 200G, 400G. В качестве рабочего диапазона используется O-band – второе окно прозрачности (1260-1360 нм), так как оно обладает достаточно низкими вносимыми затуханиями и почти нулевой хроматической дисперсией. Расстояние между несущими длинами волн составляет около 4,5 нм. Такая частотная сетка выбрана в связи с тем, что имеющихся CWDM лазеров работающих в О-диапазоне будет недостаточно, а изготовление фильтров и лазеров по технологии DWDM достаточно дорого.

Мультиплексоры WDM по технологии производства

• На основетонкопленочных фильтров – TFF (Thin Film Filter);
• На основе массива волноводов – AWG (Arrayed Waveguide Grating).

Принцип работы мультиплексоров

Принцип работы мультиплексоров на основе тонкопленочных фильтров

Оптические мультиплексоры на основе тонкопленочных фильтров представляют собой группу тонкопленочных фильтров соединенных друг с другом особым образом. Тонкоплёночный фильтр – это пассивное оптическое устройство, представляющее собой трехполюсник (имеет три вывода) и состоящее из нескольких элементов:

• Оптический фильтр — стеклянная площадка с напыленными на нее отражающими слоями;
• Фокусирующая С-линза — специальная линза с вклеенным в нее оптическим выводом, фокусирует свет, который проходит по ОВ на фильтр или приходит из фильтра в ОВ;
• Фокусирующая G-линза — специальная линза с вклеенными в нее двумя ОВ. Принцип действия у нее точно такой же, как и у С-линзы за исключением того, что она фокусирует свет на два ОВ;
• Стеклянная трубка, служит в качестве корпуса для всей конструкции.

Оптический фильтр имеет три порта:

• COM — сокращенно от Common, входной или линейный оптический порт, через него свет проходит на порты PASS и REFL;
• PASS — порт ввода/вывода, через него проходит свет с заданной длинной волны;
• REFL — транзитный порт или порт отражения, в этот порт поступает весь отраженной от фильтра свет.

Принцип действия оптического фильтра достаточно прост:

1. Свет на длине волны, которая задана фильтру для пропускания, поступает на порт «СОМ», далее он проходит тонкопленочный фильтр и выходит из порта «PASS».
2. Свет на длине волны, которая задана фильтру для пропускания, поступает на порт «PASS», далее он проходит тонкопленочный фильтр и выходит из порта «СОМ».
3. Свет на длине волны, которая задана фильтру для отражения, поступает на порт «COM», далее он отражается от тонкопленочного фильтра и выходит из порта «REFL».
4. Свет на длине волны, которая задана фильтру для отражения, поступает на порт «REFL», далее он отражается от тонкопленочного фильтра и выходит из порта «COM».

Можно сказать, что оптический фильтр имеет устойчивые двунаправленные соединения между портами COM-PASS и COM-REFL.

Диапазон «пропускаемых» в порт PASS длин волн может быть различен и зависит от установленного оптического фильтра, например, для стандартных CWDM–фильтров диапазон пропускания составляет λ_н±6,5 нм, где λ_н – несущая длина волны.

Затухания, вносимые оптическим фильтром, в зависимости от направления распространения разные — для связи COM-PASS ≈ 0.4-0.7 дБ, а для связи COM-REFL ≈ 0.25-0.4 дБ.

Как уже упоминалось ранее мультиплексоры на основе TFF представляет собой каскад соединенных между собой оптических фильтров. Данный вид мультиплексоров изготавливается путем последовательного соединения оптических фильтров портами REFL и COM.

В данном случае порт «COM (λ₁)» — линейный порт всего мультиплексора, то есть будет подключаться к линии передачи, а порт «REFL (λ₃)» — порт расширения «EXP», через который можно будет подключить к той же линии еще один мультиплексор.

Принцип работы мультиплексоров на основе массива волноводов

Оптические мультиплексоры на основе AWG имеют принципиально другое устройство в сравнении с TFF, 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 наоборот.

WDM мультиплексор на основе AWG состоит:

• 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.

Для чего же нужен мультиплексор?

Спектральное мультиплексирование (уплотнение) необходимо для передачи большего объёма информации по оптическому волокну. Мультиплексоры нужен для частотного (спектрального) уплотнения оптических сигналов на физическом уровне, важно помнить, что мультиплексирование сигналов происходит независимо от протокола.

Дело в том, что в одном одномодовом волокне могут распространяться световые волны с разной длиной волны (частотой). Это физическое свойство позволяет передавать множество сигналов в одном волокне. Мультиплексор способен объединять разные длины волн в одно волокно, для передачи. Для «разбора» группового сигнала на приёмной стороне используется демультиплексор, который разделяет групповой сигнал на составляющие.

Чем различаются мультиплексоры и демультиплексоры?

В случае если разговор идет об устройствах на основе AWG, то разницы нет, в связи с равномерностью вносимых затуханий для всех длин волн. Но в случае если рассматривать устройства на основе TFF: мультиплексор отличается от демультиплексора порядком расположения фильтров.

В мультиплексоре фильтры расположены по возрастанию, от 1270 до 1610 нм, в демультиплексоре фильтры собирают в обратном порядке – от 1610 до 1270 нм. Это делается для того чтобы, «выровнять» затухания для каждой длины волны.

Рассмотрим принцип «выравнивания» на примере четырёхканального мультиплексора. Он состоит из восьми фильтров 1470-1610, т.к. фильтр 1470 стоит первым, вносимое затухание на этой длине волны будет минимальным. А максимальным затухание будет на длине волны 1610, т.к. этот фильтр стоит последним. Это значит, что волне 1610 необходимо будет пройти через восемь фильтров, каждый из которых внесет некоторое затухание.

Если на каждой стороне линии установить по мультиплексору, получится, что для волны 1470 нм будет минимальное затухание, а на 1610 нм максимальное. Такая схема может привести к нежелательным последствиям. Например, канал работающий на последней длине волны будет работать на пороге чувствительности, что со временем приведет к возникновению ошибок и простою всей трассы.

Для выравнивания вносимого затухания по всем длинам волн с одной стороны устанавливают мультиплексор, а с другой демультиплексор собранный в обратном порядке, то есть в нашем случае от 1610 до 1470 нм.  Таким образом, на каждой длине волны будет примерно одинаковое затухание, без сильных перекосов.

Как протестировать мультиплексор?

Иногда бывает необходимо протестировать новый или уже работающий мультиплексор с целью проверить уровень вносимых им затуханий.

Для проведения тестирования потребуются:

• непосредственно мультиплексор;
• трансивер/трансиверы в качестве источника излучения;
• измеритель оптической мощности, работающий в диапазоне 1310-1610 нм.

В начале, необходимо снять эталонную мощность с трансивера, для этого необходимо подключить выход трансивера «TX» к измерителю мощности, настроив последний на необходимый диапазон если это требуется. После получения эталонного сигнала нужно подключить порт трансивера «TX» к соответствующему порту длины волны мультиплексора (зачастую порты маркируются длинной волны, например, «1310»), а измерительный прибор к порту мультиплексора «COM» и измерить уровень сигнала. Вычитая из эталонного значение, измеренное с «COM» порта, получаем вносимое мультиплексором затухание на конкретной длине волны.

A_{внос. мукс}=P_эталон – P_{после мукс}

Таким способом нужно промерить все порты «PASS» мультиплексора. В комплекте с каждым устройством должен идти отчёт о тестировании (паспорт устройства), в котором указаны вносимые затухания для каждой длины волны.

Полученные значения должны совпадать с указанными в паспорте. Если измеренное значение значительно отличается от паспортного, значит мультиплексор неисправен. Причиной может быть загрязнение порта, неисправность адаптера или одного из фильтров.

В случае загрязнения порта его можно починить на месте при помощи специального клиннера не снимая мультиплексор с трассы. Если очистка порта не дала результатов и значение вносимых мультиплексором затуханий, то необходимо или смена адаптера, или замена неисправного фильтра. В этом случае мультиплексор для ремонта нужно вернуть Поставщику, так как самостоятельный ремонт может снять устройство с гарантии.