Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


Rambler's Top100

  

Прольем свет на оптические сети

Даррин Вудс

Пять лет назад волоконно-оптические кабели использовались лишь операторами связи да крупными предприятиями. Теперь, когда настало время широкого внедрения сетей Gigabit Ethernet и уже ратифицирован стандарт 10 Gigabit Ethernet, оптические сети становятся массовой технологией. Несмотря на простоту основных компонентов этих сетей — стекло да свет — оптические технологии и описывающие их термины для многих остаются тайной за семью печатями.

Оптические волокна делятся на две категории: многомодовые и одномодовые. Первые имеют более толстую сердцевину (светонесущую жилу) с типовым диаметром 50 или 62,5 мкм, сердцевина вторых — всего лишь от 2 до 10 мкм (для сравнения, диаметр обычного человеческого волоса равен 140 мкм). Многомодовыми волокна называют потому, что их диаметр значительно больше длины волны, а значит, в них распространяется множество различных типов световых лучей — мод. Многомодовые кабели предназначены для использования на более коротких расстояниях, чем одномодовые. Причина этого — дисперсия, т. е. уширение световых импульсов. После прохождения фотонами некоторого расстояния импульсы расплываются до такой степени, что приемник уже не в состоянии отличить уровень логической единицы от нуля.

По одномодовому кабелю сигналы способны передаваться на сотни и даже тысячи километров, в зависимости от типа источника излучения, длины волны и скорости передачи данных. Поскольку визуально отличить многомодовое волокно от одномодового практически невозможно, большинство производителей стремятся облегчить нам эту задачу. Многомодовые кабели обычно имеют оранжевую оболочку, а одномодовые — желтую.

Источники излучения

В оптической связи используются два типа источников: светодиоды и лазеры. Первые применяются только с многомодовыми кабелями, а вторые — чаще всего с одномодовыми. Светодиоды не могут работать с одномодовыми кабелями, так как их излучение недостаточно когерентно — представьте себе попытку наполнить пипетку водой из ведра.

По медным линиям данные передаются в виде последовательностей импульсов, соответствующих нулевым и единичным битам. Оптоволокно работает аналогичным образом, но импульсы образуются включением и выключением источника света (если говорить точнее, то при низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), а при высоких — сам оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией). — Прим. ред.). Чем чаще пульсация излучения, тем больше данных можно переслать по оптоволокну. Существует предельная скорость, с которой лазер может включаться и выключаться, все еще генерируя столько фотонов, сколько необходимо для того, чтобы мощность на другом конце кабеля была достаточной для принимающей аппаратуры. По этой причине в высокоскоростных оптоволоконных соединениях для передачи данных используется несколько длин волн — спектральных каналов.

По одному медному кабелю может передаваться несколько различных потоков данных за счет деления его полосы пропускания на каналы. Каждому каналу разрешается пересылать данные в течение определенного промежутка времени, таким образом все каналы по очереди получают возможность отправить свои данные. Этот метод носит название временноўго уплотнения — Time Division Multiplexing (TDM). Существует также частотное уплотнение — Frequency Division Multiplexing (FDM), когда каждый канал занимает определенную ему полосу частот. Примером применения FDM-систем является радио- и телевизионное вещание.

В большинстве оптических систем применяется комбинация этих двух методов уплотнения (мультиплексирования), при этом создается несколько каналов передачи на разных частотах (длинах волн). Технология WDM (Wavelength Division Multiplexing), представляющая собой одну из трех разновидностей спектрального уплотнения, занимает среднее положение в смысле эффективности использования спектра. В системах WDM объединяются спектральные каналы, длины волн которых отличаются одна от другой на 10 нм. Самой производительной является технология DWDM (Dense WDM). Она предусматривает объединение каналов, разнесенных по спектру не более чем на 1 нм, а в некоторых системах даже на 0,1 нм. Вследствие такого плотного размещения сигналов по спектру стоимость оборудования DWDM обычно очень высока.

Наименее эффективно спектральные ресурсы используются в новых системах на основе технологии CWDM (Coarse WDM). Здесь спектральные каналы разнесены не менее чем на 20 нм (в некоторых случаях эта величина достигает 35 нм). Системы CWDM обычно используются в городских сетях и даже в ЛВС, где низкая цена оборудования является важным фактором. Оборудование CWDM не ограничено каким-то одним участком спектра и может работать в диапазоне от 1300 до 1600 нм, в то время как аппаратура DWDM привязана к более узкому частотному диапазону выше 1500 нм.

Дальность действия

Конечная задача любой оптической системы связи — это доставка световых импульсов из точки A в точку B. За секунду свет в оптоволокне может пройти расстояние в 200 тыс. км, однако не существует ни одного источника, излучение которого, распространяясь на такие расстояния, сохраняло бы четкое отличие логических единиц и нулей. Это связано не только с дисперсией; фотоны могут поглощаться оболочкой оптоволокна, таким образом снижается их общее число. Приемник подсчитывает фотоны, которые достигли его за определенный период. Если их число оказывается выше заданной величины, он фиксирует логическую единицу, если меньше — нуль. Недостаточное число фотонов может привести к появлению ложных нулей.

Возможно, вы думаете, что, увеличивая мощность лазера-источника, а следовательно и число фотонов, вам удастся собрать необходимое их число на приемнике. Все было бы именно так, если бы оптические волокна работали линейно, но они нелинейны. Чтобы зависимость между входной и выходной мощностью была как можно ближе к линейной, мощность большинства лазеров в одномодовых системах поддерживается на уровне 0,5 Вт. Из-за нелинейности оптических систем повышение входной мощности может даже привести к снижению выходной мощности.

Стандартным методом увеличения пробега фотонов в оптоволокне является регенерация сигнала. Применяют два способа регенерации: по схеме OEO (Optical—Electrical—Optical, оптика—электроника—оптика) и с использованием оптических усилителей (fiber amplifiers). Системы OEO, называемые также повторителями, принимают оптический сигнал, демультиплексируют его и преобразуют в электрический. Затем электрические сигналы усиливаются, очищаются от шума и конвертируются обратно в оптические. Устройства OEO могут работать с любыми длинами волн и обычно используются в линиях связи CWDM и иногда в системах WDM.

Оптические усилители предлагают более элегантное решение, без преобразования фотонов в электрические сигналы. Наибольшее распространение получили усилители на волокне, легированном эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifier — EDFA). Хотя обычно используется эрбий, аналогичные результаты могут дать и другие химические элементы, такие, как празеодим и иттербий. Поэтому более общим является термин “усилитель на волокне, легированном редкоземельным элементом” (Rare-Earth-Doped Fiber Amplifier — REDFA).

В таком усилителе содержится участок оптоволокна с примесью редкоземельного элемента, например эрбия. На этом участке полезный сигнал смешивается с излучением лазера накачки, работающего на длине волны 980 или 1480 нм. Лазер накачки возбуждает атомы эрбия, и, когда на них падают фотоны полезного сигнала, часть энергии возбуждения передается этому сигналу, усиливая его. Типичный усилитель REDFA включает катушку легированного волокна длиной 10 м. Лазер накачки может быть расположен рядом с ним или на расстоянии, лишь бы мощность его излучения не снижалась чересчур сильно.

Усилители REDFA часто используют в подводных кабельных системах, поскольку они позволяют значительно снизить потребность в дополнительном оборудовании. Кроме того, в отличие от повторителей OEO эти усилители не добавляют заметной задержки в проходящий сигнал. Однако вместе с полезной составляющей устройства REDFA усиливают и шум в оптическом сигнале, на больших расстояниях этот шум может привести к серьезным искажениям.

Ослепленный светом

Хотя обычно основной проблемой оптической передачи является обеспечение достаточной мощности, чтобы сигнал мог достичь точки назначения, иногда приходится сталкиваться и с обратной проблемой. Если слишком много фотонов достигают приемника, он “слепнет”, подобный эффект наблюдается, когда человек смотрит прямо на солнце. В общем, превышение мощности — вещь не слишком хорошая для приемника. Многомодовые приемники, как правило, защищены от перегрузки, а вот одномодовые — нет, и проблемы могут возникнуть тогда, когда мощность передатчика не соответствует дальности связи.

Одномодовые передатчики поставляются в вариантах с различной мощностью для передачи на разные расстояния. Было бы большой ошибкой предположить, что передатчик и приемник, рассчитанные на покрытие больших расстояний, смогут работать на более коротких расстояниях и что приемник при этом не сгорит. Конструкция фотоприемника предполагает определенную величину потерь мощности, в соответствии с расстоянием, на которое рассчитан передатчик. Если по дальности или мощности они не подходят друг другу, то для их совместной работы необходимы “солнцезащитные очки” — оптические аттенюаторы, которые помещаются между двумя отрезками оптоволокна или непосредственно перед приемником.

Как только сигналы достигают оконечного устройства, они должны быть демультиплексированы и отправлены получателям. На первый взгляд самый простой способ — “расщепить” оптоволокно и направить одни и те же сигналы всем приемникам. При этом каждый фотоприемник должен воспринимать только фотоны определенной длины волны и игнорировать все остальные. Но такие узкополосные приемники стоят очень дорого. Поэтому чаще всего используют широкополосные приемники, способные воспринимать большую часть спектра лазерного излучения. При этом, однако, на каждый приемник должны попадать только фотоны с заданной длиной волны.

Один из способов выделения желаемой длины волны основан на использовании брэгговской решетки. Ее можно представить в виде набора канавок, вытравленных поперек сердцевины оптоволокна. Если канавки расположены на определенном расстоянии друг от друга, то свет с некоторой длиной волны будет отражаться от такой решетки в обратном направлении. Затем решетка из косых “зарубок” (blazed grating) отражает этот свет под углом, выводя его из волокна и направляя на приемник. Используя эту технологию, можно разделить все длины волн и направить их на соответствующие приемники.

Коннекторы и скорость передачи

Волоконно-оптические кабели могут иметь разную длину и использовать различные типы коннекторов. Коннекторы, возможно, самая сложная часть волоконно-оптической кабельной системы. Можно легко запутаться в их названиях — FC, SC, LC, ST, MT. Большинство специалистов запоминают типы коннекторов, давая им названия, отражающие их специфические возможности. Например, FC — Finger Cramp (сводит пальцы), этот коннектор может вызвать судорогу при попытке туго закрутить гайку при его подключении; SC — Stab Click (защелка), коннектор вставляется в разъем с характерным щелчком; LC — Little Click (маленькая защелка), уменьшенный вариант SC-коннектора; ST — Stab Twist (вставь и поверни), коннектор вставляется в разъем и для фиксации поворачивается на четверть оборота; MT — Mighty Tiny (могучая крошка), самый маленький из коннекторов.

Несмотря на то что сегодняшнее оптоволокно более эластично, чем его предшественники, при работе с ним требуется осторожность. Волоконно-оптический кабель не следует туго скручивать или сильно изгибать, и хотя вы привыкли ходить по медным витым парам, раскиданным по полу вокруг ваших компьютеров, с волоконно-оптическим кабелем следует обращаться, как со стеклом — не наступайте на него. Любое изменение в диаметре сердцевины волокна может вызвать серьезные изменения в дисперсии, приводящие к ухудшению его характеристик.

Скорости передачи волоконно-оптических систем связи невероятно велики. Современные системы позволяют передать все содержимое CD-диска за полсекунды. И технология продолжает развиваться. Организация Optical Internetworking Forum (http://www.oiforum.com) завершает разработку стандартов для уровня OC-768, которые позволят увеличить пропускную способность линий связи до 40 Гбит/c. Такая скорость соответствует передаче в секунду восьми полных CD-дисков или 5 Гбайт данных.

Но даже 40 Гбит/с — это далеко не предел. Так, компания Alcatel продолжает наращивать пропускную способность волокна, “втискивая” в одно оптическое волокно 365 спектральных каналов со скоростью 10 Гбит/с каждый и обеспечивая их передачу на расстояние 6800 км. Эта технология, предназначенная для подводных кабельных систем, будет обеспечивать пропускную способность, достаточную для передачи трафика 47 млн телефонных разговоров.

Следующий рубеж — чисто оптическая коммутация. И такие компании, как Opthos, уже прокладывают путь в этом направлении. Сегодня большинство коммутаторов используют технологию с промежуточным преобразованием сигнала в электрическую форму (OEO), и сама коммутация в действительности осуществляется электронными компонентами. Коммутация на оптическом уровне не только происходит значительно быстрее, но и способствует снижению уровней тепловыделения и шума.





  
13 '2002
СОДЕРЖАНИЕ

бизнес

• Большая сеть и большие перемены

• Интеграция с неограниченной расширяемостью

локальные сети

• Маркировать СКС становится проще

• Кабельные системы категории 6 и оборудование Gigabit Ethernet

• Оптические сети - это доступно всем

• Сетевые адаптеры Gigabit Ethernet с обработкой трафика TCP/IP

корпоративные сети

• XML приручает информационный хаос

• Радиосистемы типа “точка—точка”

• SAN против NAS - следующий раунд

услуги сетей связи

• Прольем свет на оптические сети

• Как нести бродбэнд в массы?

защита данных

• Защитите свой IP-телефон

• Аутентификация - основа безопасности

• PremierAccess впереди всех

• ИБП-гиганты

новые продукты

• Новые коммутаторы HardLink -- менее 9 долл. за порт!; Радиорелейные станции Altium MX


• Калейдоскоп



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх