Технологии CWDM

Coarse Wavelength Division Multiplexing сокращенно CWDM — технология грубого спектрального мультиплексирования (уплотнения). Она позволяет одновременно передавать несколько информационных каналов в рамках одного ОВ. Принцип данной технологии заключается в том, что несколько каналов данных передаются по одному ОВ на разных длинах волн не взаимодействуя с другими оптическими сигналами в данном ОВ.

Длины волн, используемые для передачи в CWDM, лежат в диапазоне 1270-1610 нм, который охватывает несколько телекоммуникационных диапазонов:

• O-band (original band, основной диапазон) 1270-1370 нм;
• E-band (extensive band, расширенный диапазон) 1371-1470 нм;
• S-band (short band, коротковолновый диапазон) 1471-1530 нм;
• С-band (compromise band, компромиссный диапазон) 1531-1570 нм;
• L-band (long band, длинноволновый диапазон) 1571-1611 нм.

Несущие длины волн отстоят друг от друга на расстоянии 20 нм. Количество несущих длин волн в CWDM составляет 18 штук.

Частотная сетка CWDM

Диапазон	Название	Длина
Нижний	O-band	1270 нм
		1290 нм
		1310 нм
		1330 нм
		1350 нм
	E-band	1370 нм
		1390 нм
		1410 нм
		1430 нм
		1450 нм
Верхний	S-band	1470 нм
		1490 нм
		1510 нм
	C-band	1530 нм
		1550 нм
		1570 нм
	L-band	1590 нм
		1610 нм

CWDM–диапазон (1270–1610 нм) для простоты расчетов делят на два поддиапазона:

• Нижний диапазон — 1270-1450 нм, затухания ОВ для которого рассчитываются по затуханиям на длине волны 1310 нм;
• Верхний диапазон — 1470-1610 нм, затухания ОВ для которого рассчитываются по затуханиям на длине волны 1550 нм.

Системы уплотнения CWDM состоят из двух основных компонентов:

• Оптических трансиверов, рассчитанных для работы в CWDM. В этом случае используются специальные двухволоконные трансиверы передатчики (лазеры), которых излучают оптический сигнал на одной из длин волн входящей в рабочий диапазон CWDM;
• Оптических мультиплексоров/демультиплексоров. Мультиплексор — пассивное оптическое устройство, объединяет несколько оптических сигналов (от нескольких трансиверов) в один общий и передает в ОВ. Демультиплексор — пассивное оптическое устройство, разделяет общий оптический сигнал, принятый из ОВ и передает отдельные сигналы в соответствующие приемники трансиверы.

Мультиплексоры и демультиплексоры – конструктивно не отличаются. Разница в названии обусловлена способом применения. Одно и то же устройство может мультиплексировать и демультиплексировать, в зависимости от схемы подключения.Оптические мультиплексоры в системах уплотнения CWDM состоят из тонкопленочных фильтров TFF.

Тонкопленочный фильтр TFF (от англ. Thin-Film Filter) — это пассивное оптическое устройство, представляет собой трехполюсник (имеет три вывода) и состоит из нескольких элементов:

• Оптический фильтр — стеклянная площадка с напыленными на нее отражающими слоями;
• Фокусирующая С-линза — линза с вклеенным в нее оптическим выводом, фокусирует свет, который проходит по ОВ на фильтр или приходит из фильтра в ОВ;
• Фокусирующая G-линза — 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.

Рисунок 1. Конструктив оптического фильтра TTF

Оптический фильтр имеет три порта:

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

Принцип действия оптического фильтра достаточно прост:

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

Диапазон «пропускаемых» в порт PASS длин волн может быть различен и зависит от установленного оптического фильтра, например, для стандартных CWDM–фильтров диапазон пропускания составляет λн±6,5 нм, где λн – 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. Величина вносимого затухания зависит от характеристик конкретного фильтра, приведены средние значения вносимых затуханий.

Из нескольких оптических фильтров можно создать мультиплексор за счет устойчивых связей, изложенных выше.
По принципу построения все оптические мультиплексоры можно разделить на три вида:

• Мультиплексор/демультиплексор из тонкопленочных фильтров (наиболее распространённый);
• Мультиплексор из PLC–делителя, демультиплексор из тонкопленочных фильтров (в настоящее время не используется);
• Мультиплексор/демультиплексор из тонкопленочных фильтров с использованием skip–фильтров (в основном применяется в мультиплексорах большим количеством каналов).

Мультиплексор/демультиплексор из тонкопленочных фильтров 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 через него мультиплексор будет подключаться к линии передачи, а порт «REFL (λ3)» — порт расширения «UPG», через который можно будет подключить к той же линии еще один мультиплексор.

Максимальные вносимые затухания такого мультиплексора рассчитываются по следующей формуле:

IL_MUX=IL_COM-PASS + (IL_COM-REFL*(N-1)), где IL_COM-PASS — вносимые фильтром затухания для связи «COM-PASS», IL_COM-REFL — вносимые фильтром затухания для связи «COM-REFL», N — количество использованных фильтров.
Мультиплексор из PLC–делителя, демультиплексор из тонкопленочных фильтров является начальным вариантом исполнения мультиплексоров для систем уплотнения CWDM. В качестве демультиплексирующей части используется каскад из тонкопленочных фильтров (информация изложена выше), а для мультиплексирующей части используется PLC–делитель.

Максимальные вносимые затухания такого мультиплексора будут рассчитываться по следующим формулам:

• для демультиплексора: IL_DEMUX=IL_COM-PASS + (IL_COM-REFL*(N-1));
• для мультиплексора: IL_MUX=IL_PLC + (IL_COM-REFL*N),

где IL_PLC — затухания, вносимые PLC–делителем.

Данная структура имеет несколько плюсов:

• Дешевизна производства — стоимость PLC–делителя типа 1*N во много раз ниже аналогичного мультиплексора, собранного из тонкопленочных фильтров;
• Простота производства — при сборке такого мультиплексора / демультиплексора необходимо произвести значительно меньше сварных соединений чем при производстве аналогичного устройства из тонкопленочных фильтров.

Но при всех имеющихся плюсах данная структура имеет один весомый минус — очень большие вносимые затухания, которые не позволяет использовать подобные мультиплексоры во многих проектах.Мультиплексор / демультиплексор из тонкопленочных фильтров с использованием skip-фильтров — самый новый и самый технологичный вид мультиплексоров. Структура похожа на структуру обычного мультиплексора из тонкопленочных фильтров, но для снижения вносимых потерь добавлен широкополосный skip-фильтр.

Skip-фильтр — это специальный тонкопленочный фильтр с широким диапазоном пропускания. К примеру, на данный момент существуют фильтры с диапазоном пропускания 1500-1610 нм. Внесение skip-фильтра позволяет снизить потери, вносимые мультиплексором, не менее чем в 1,5 раза.

Максимальные вносимые затухания такого мультиплексора рассчитываются по формуле:

IL_MUX = IL_SKIP + IL_COM-PASS + (IL_COM-REFL*(N/2-1)), где IL_SKIP — вносимые skip-фильтром затухания, IL_COM-PASS — вносимые фильтром затухания для связи «COM-PASS», IL_COM-REFL — вносимые фильтром затухания для связи «COM-REFL», N — количество использованных фильтров.В системах спектрального уплотнения CWDM существует три типа мультиплексоров:

• Мультиплексор/демультиплексор;
• Однонаправленный мультиплексор ввода вывода;
• Двунаправленный мультиплексор ввода вывода.

Мультиплексор / демультиплексор — это пассивное оконечное устройство системы спектрального уплотнения, выполняющее две функции: мультиплексирование (суммирование) подаваемых на входные порты сигналов и демультиплексирование (разделение) приходящего линейного сигнала.

Различают два основных вида мультиплексоров/демультиплексоров:

• Одноволоконные, в которых мультиплексирование и демультиплексирование происходит в рамках одного функционального блока, а передача сигналов ведется по одному волокну в обе стороны;
• Двухволоконные, в которых мультиплексирование происходит в рамках одного функционального блока, а демультиплексирование производится в другом функциональном блоке. Передача сигналов в данном случае ведется по двум независимым ОВ, по одному в одну сторону и по второму в обратную.

а) одноволоконного б) двухволоконного

Однонаправленный мультиплексор ввода/вывода (далее OADM) — это пассивное промежуточное устройство системы спектрального уплотнения, которое выделяет и вносит в линейный сигнал N длин волн (зачастую N ≤ 2). Принципиально однонаправленный OADM ничем не отличается от оконечного мультиплексора/демультиплексора. Единственной особенностью OADM является то, что вывод «EXP» подключается к линии.«Однонаправленным» подобный OADM называется потому, что ввод/вывод длин волн происходит в одном направлении.

Двунаправленный мультиплексор ввода вывода — это пассивное промежуточное устройство системы спектрального уплотнения, которое выделяет и вносит в линейный сигнал N длин волн (зачастую N ≤ 2) в обе стороны.

Другими словами, двунаправленный OADM — это два однонаправленных OADM, соединенных друг с другом портами «EXP» и «смотрящих» в противоположные стороны.