Parametrii de baza a sistemei WDM

Parametrii de baza a sistemei WDM

1 Problemele de baza

Aparitia tehnologiei WDM , ca oricare tehnologie noua , odata cu numeroasele prioritati a adus si probleme noi . Problema de baza pentru operatorii sistemelor contemporane DWDM este lucrul lor sigur si stabil . Foarte important devine controlul calitatii caracteristicelor optice . Factorii de baza care limiteaza productivitatea sistemelor cu multiplexarea in timp TDM sint : puterea laserului , pierderi in fibra si pierderi introduse de componente , dispersia modala de polarizare , dispersia cromatica si modala nestabilitatea semnalului , adincimea modularii laserului , neliniaritatea fibrei , intensitatea relativa de zgomot RIN ( Relativ Intensity Noise ) si coreficientul de erori BER ( Bit Error Rate ) . Multiplexarea dupa lungimea de unda adauga in spatiul parametrilor o noua masurare - lungimea de unda - si cu mult complica parametrii de de baza a sistemei WDM . Astfel se cunosc urmatorii parametri : stabilitatea spectrului , diapazonul spectral al amplificatorului EDFA , lungimea de unda centrala , latimea benzii de transmisiune , devierea frecventei laserului , dispersia cromatica , stabilitatea frecventei optice zgomote de faza ( automodularea de faza  si modularea de faza ) , radierea spontana amplificata ASE , amplificarea EDFA , perturbatii , imprastierea stimulata Raman , imprastierea stimulata Brillouin . Cu toate ca tehnologia WDM mareste eficacitatea retelelor , marind banda de transmisiune si numarul canalelor , utilizarea ei cere o prgatire minutioasa . La etapele de planificare , elaborare , producere si darea in exploatare a sistemelor WDM , toti acesti factori trebuie cercetati si luati in consideratie in masura necesara .

2 Multiplexoare si demultiplexoare

Multiplexor MUX se utilizeaza pentru unirea intro fibra optica a catorva canale cu diferite lungimi de unda fig. 1 . In calitate de multiplexor poate fi folosit ramificator de banda larga . Dar pierderile introduse in acest caz vor fi destul de mari - de la 4 dB in sisteme cu doua canale , 7 dB in sisteme cu patru canale , si 13 dB in sistemele cu 16 canale s.a m.d. .  De aceea pentru multiplexarea canalelor de intrare de obicei se utilizeaza alte metode bazate pe utilizarea filtrelor optice . Multiplexoarele de banda ingusta existente DWDM unesc canalele cu diferite lungimi de unda intrun canal comun cu pierderi minimal posibile .

Fig. 1 Lungimile de unda multiplexate trebuie sa fie date exact cu intervaluri egale .

Demultiplexorul DEMUX invers divizeaza din canalul de baza mai multe canale . Cu toate ca tehnologiile de producere a multiplexoarelor si demultiplexoarelor , sint asemanatoare , producerea demultiplexoarelor este o sarcina mai complicata . Din cauza ca DEMUX in mare parte se caracterizeaza de parametrul care se numeste izolatie , iar MUX se caracterizeaza de directivitate . Cu cit este mai mica valoarea fiecarui parametru cu atit sint mai inalte caracteristicele dispozitivului . Tehnologic este mai complicat de produs dispozitive cu valoare mica de izolatie . In asa caz DEMUX poate lucra in regim de multiplexare . Cu micsorarea intervalului intre canale si marirea numarului de canale producerea multiplexorului devine o sarcina mai complicata .

2.1 Banda de transmisiune a canalului

Eficacitatea multiplexorului/demultiplexorului se determina de capacitatea lui de a izola unele de altele canalele de intrare sau de iesire . Banda de transmisiune a fiecarui canal se caracterizeaza de parametrii reprezentati in fig. 2 . La ele se refera :

Fig. 2 Criteriile de eficacitate pentru multiplexor/ demultiplexor

2.1.1 Lungimea de unda centrala

Lungimea de unda centrala - unul din parametrii , care caracterizeaza canalul multiplexorului/demultiplexorului . Lungimea de unda centrala a canalului - este valoarea medie aritmetica a lungimii de unda de separare : λ_supper+λ_lower/2 . Lungimea de unda de separare - de sus si de jos - acestea sint lungimile de unda , la care pierderile introduse ajung la nivelul necesar ( de obicei 3 dB ) . Lungimea de unda spectrala poate sa nu corespunda cu lungimea de unda a maximului spectral .

Lungimea de unda centrala a canalului este cel mai important parametru pentru filtrele optice cu forma simetrica  ( sau aproape de ea ) a spectrului . Pentru spectrul ideal simetric a canalului optic lungimea de unda centrala corespunde cu lungimea de unda a maximului spectral , ceea ce poate avea loc destul de rar . Pentru curba spectrala mai complicata cu citeva virfuri a lungimei de unda de separare se determina pe 'aripile' curbei . Des devierile slabe a formei spectrului aduc la o schimbare vizibila a lungimei de unda centrale . Compararea a doua spectre sint prezentate in fig 3 .

Fig. 3 Compararea a doua spectre , care arata actiunea schimbarilor slsbe la situatia lungimii de unda centrale

Lungimea de unda nominala a emitatorului trebuie sa fie cit mai aproape de lungimea de unda centrala . De obicei aceasta este una din lungimile de unda , ce corespunde planului de frecventa ITU .

2.1.2 Intervalul intre canale

Intervalul intre canale trebuie sa corespunda planului de frecventa WDM . In retelele existente se poate de folosit plase de frecventa a canalelor regulate si neregulate . Cel mai raspandit este planul de frecventa ITU cu intervalul de frecventa regulat intre canale 100 GHz . Intervalele neregulate intre canale in general se utilizeaza pentru a minimiza sau a exclude deplasarea neliniara cu patru unde FWM , cind in rezultatul interactiunii neliniare a radierii in fibra pe doua sau mai multe frecvente apar semnale cu frecventa noua . La intervale regulate intre canale semnalul nou parazit poate corespunde dupa frecventa cu semnalele existente a altor canale si sa aduca la aparitia perturbatiilor incrucisate . La intervale neregulate intre canale deplasarea cu patru unde poate aduce la zgomote suplimentere pe lungimile de unda ,  ne utilizate pentru transmisiunea semnalului util .

2.1.3 Banda de transmisiune

Banda de transmisiune dupa nivelul -3 dB ( si alte niveluri de prag , de obicei este -0,5dB, -20dB sau mai jos )

Banda de transmisiune - este partea spectrului a semnalului transmis ( sau semnalului reflectat pentru asa dispozitive ca reteaua de difractie Bragg ) in limitele careia toate componentele spectrale intrec un oarecare nivel de prag . De exemplu se poate de luat pragul dupa nivelul de -3 dB de la maximum sau latimea la jumatate de inaltime FWHM ( Full Width at Half Maximum ) . Banda de transmitere arata acel diapazon spectral, in limitele caruia dispozitivul poate fi folosit efectiv .Anumite benzi de transmisiune la doua si mai multe nivele de prag permit de a vedea forma ei la margini , care depinde de ordinea filtrului folosit (fig. 4) . Valoarea latimii benzii de transmisiune la o atenuare foarte mare ( -20dB sau -30dB ) sint utile pentru prognozarea nivelului perturbatiilor intercalate in canalele de iesire a sistemei DWDM . Valoarea de prag concreta a latimii benzii de transmisiune de nivelul izolarii canalelor vecine .

Fig. 4   Masurarea benzii de transmisiune a semnalului de banda larga

Fig. 5 Masurarea benzii de transmisiune a asemnalului de banda larga

Banda de trecere a tuturor componentelor ( si componentelor lor in cazul multiplexoarelor ) este foarte importanta pentru determinarea imprastierii canalelor si caracteristicelor laserului .Unii producatori pentru descrierea formei benzii de transmisiune a filtrului folosesc criteriul de calitate FOM ( Figure of Merit ) , care se determina ca raportul benzii de transmitere le raportul benzii reflectate . Pentru filtre cu caracteristica de frecventa ideala unghiulara acest raport este egal cu unu . In general cu cit e mai inalta ordinea filtrului , cu atit este mai dreapta caracteristica de transmisiune si respectiv este mai mare criteriul de calitate .

2.1.4 Izolarea si perturbatii incrucisate

Vom studia lucrul demultiplexorului , si anume unul din canalele de iesire cu lungimea  de unda centrala λ_i . O parte mare a radierii la aceasta lungime de unda trece prin acest canal - semnal util . Dar o parte de radiere le acesta lungime de unda poate fi si in alte canale de iesire ( in canalele vecine de obicei puterea este mai mare ) in calitate de semnal parazit .In general izolarea canalului si perturbatiile intercalate determina nivelul slabirii semnalului canalului dat si altor canale , unde acest semnal este de baza . La masurarea portiunii semnalului micsorat care in componenta ideala trebuie sa lipseasca , iau in consideratie caracteristicele benzii de trecere a fiecarui canal si de obicei arata valoarea la conditiile cele mai rele . Cu toate ca nu sint determinari de izolatie stricte si perturbatii incrucisate acestea difera intre ele . Izolarea ( se masoara in dB ) se determina ca marimea minimala de micsorare a puterii semnalului cu extragerea pe toate canalele particulare de iesire raportate la canalul de iesire de baza . Pentru canalul i cu lungimea de unda centrala λ_i izolarea poate fi determinata dupa formula :

unde - puterea semnalului de intrare la lungimea de unda λ_i , - puterea semnalului la lungimea de unda λ_i , existent in canalul j ( j nu corespunde cu i ) .

Izolarea de 30 dB inseamna , ca nivelul semnalului in fiecare din canalele vecine la lungimea de unda a canalului de baza este mai jos de nivelul semnalului canalului de baza la aceasta lungime de unda minimum cu 30 dB .

Perturbatii incrucisate la fel se masoara  in dB si se determina depasirea nivelului puterii semnalului de intrare la lungimea de unda λ_i pe toata puterea sumara a acestui semnal ce trece in canale prticulare :

In figura 6 sint reprezentate spectrele pierderilor pentru trei canale A,B si C . Acolo este aratat diapazonul de lucru a lungimilor de unda a canalului B , emitatorul canalului B poate lucra la orice lungime de unda in acest diapazon . La masursrea izolarii canalului B se determina partea de putere a canalului B , care nimereste in canalul A . Impreunind spectrele pierderilor pentru aceste canale se poate de determinat valoarea izolatiei in dB . De obicedi acest calcul se efectuiaza pentru cel mai rau caz , ce corespunde in acest caz cu marginea benzi .

Fig. 6 Spectrul pierderilor in dispozitivul cu 3 canale

In fig 7 sint reprezentate spectrele pierderilor retelei pe baza de fibre cu 8 canale . Curbele benzii de transmisiune si benzii de suprimare se deosebesc de curbele spectrale , dispozitivelor cu pelicule subtiri reprezentate mai inainte .

Fig. 7 Caracteristicele izolatiei si perturbatiilor incrucisate in reteaua pe baza de fibra cu 8 canale

Pe linga masurarea si determinarea nivelului celor mai mari pierderi incrucisate intre canale in sistemele WDM , este necesar de determinat si nivelurile lor admise . Izolarea canalelor vecine la nivelul 25dB si mai mult se considera destula . In acelas timp retelele devin mai complicate , iar receptorul trebuie sa deosebeasca toate semnalele slabe  . De aceea nivelul de izolare a canalelor este necesar de marit .

2.1.5 Neregularitatea virfului de putere in spectrul canalului

La o studiere mai amanuntita sensibilitatea spectrala a dispozitivelor DWDM niciodata nu este ideal regulata . Valoarea de virf a pierderilor introduse caracterizeaza nivelul de pierderi la lungimea de unda fixata   , dar nu deterrmina imprastierea nivelului de pierderi in toata banda de transmisiune sau antr-un canal aparte . Imprastierea nivelurilor pierderilor - este diferenta intre nivelurile minimale si maximale a pierderilor in banda de transmisiune masurata sau nominala - se numeste neregularitatea distribuirii pierderilor . Pentru descrierea acestui parametru des se utilizeaza caracteristica inversa .

Fig. 8 Partea marita a specrului canalului multiplexorului . Se observa neregularitatea in apropierea de maximul caracteristicii spectrale

Neregularitatea distributiei pierderilor canalului arata informatia despre posibilitatea imprastierii nivelului puterii transmise la masurarea lungimii de unda a emitatorului in limitele benzii de transmisiune nominale Fig. 8

2.1.6 Omogenitatea canalelor

Omogenitatea canalelor este masura de imprastiere a nivelului puterii trasnsmise sau pierderilor introduse din canal in canal in multiplexor/demultiplexor . 2.2 Efecte de polarizare

Starea de polarizare a radierii optice in orice punct a retelei pe baza de fibre optice niciodata nu este cunoscuta exact . Ea depinde de calea geometrica a fibrei , caracterul de refractie dubla in rezultatul asimetriei indicelui de refractie si a multor efecte optice in componentele liniilor de comunicatii . Refractia dubla a mediului de transmisiune poate fi o proprietate a materialului fibrei , de intinderea lui , comprimarea si tensiunii termice . Deoarece caracteristicele multor componente , folosite de obicei in retele fibrooptice , depind de starea polarizarii luminii , atunci si caracteristicele canalului , pierderile introduse , lungimea de unda centrala si banda de transmisiune la fel depind de polarizare . De aceea pentru a garanta siguranta caracteristicelor retelei , trebuie de luat in consideratie cazul cel mai neavantajos de polarizare dependent de componentele pasive .Pierderi , banda de transmisiune si lungimea de unda centrala - toti acesti parametri sint sensibili la starea de polarizare a radiatiei optice . Fiecare din parametrii descrisi mai sus trebuie sa fie masurasi pentru diferite stari de polarizare .

2.2.1 Pierderi dependente de polarizare PDL

Pierderi dependente de polarizare PDL ( Polarisation Dependent Loss ) se determina ca variatia nivelului de pierderi pe toate starile posibile de polarizare . Ele se determina din raportul puterii semnalelor transmise pentru cea mai buna si cea mai rea stare de polarizare . ( fig. 9 ) se ia in dB . Cel mai rau caz de pierderi in componente pentru lungimea de unda data se obtine daca daca jumatate de pierderi PDL sint adaugate le pierderi introduse , masurate pentru cazul radierii nepolarizate .

Fig. 9 Dependenta pierderilor introduse de polarizare pentru multiplexor si demultiplexor

In caz general pierderile PDL au valoarea cea mai mica in banda de transmisiune , mult mai inalta in regiunea de trecere pe marginile benzii de transmisiune , si cea mai inalta inafara benzii de transmisiune a filtrului .

Alte caracteristici a multiplexorului dependente de polarizare , asa ca lungimea de unda centrala si latimea benzi de trecere ( fig. 10 ) se determina prin aceiasi metoda ca si la pierderi PDL .

Fig. 10  Dependenta lungimii de unda centrala de polarizare pentru multiplexor si demultiplexor

Avantajele solutiei WDM
Folosind aceasta tehnologie se obtine in mod uzual o crestere a capacitatii cablurilor de fibra optica deja instalate de 16 pana la 32 de ori. Limitele superioare actuale sunt de 128 sau chiar 180 de lungimi diferite de unda utilizate pe o singura fibra optica. Limitarile acestei tehnologii sunt inca necunoscute. Dezvoltarea fibrelor optice a permis o revolutie in telecomunicatiile moderne. Sisteme de transmisiuni pe distante lungi transmit impulsuri digitale de lumina la 10 Gb/s si, de curand, la 40 Gb/s pe o singura lungime de unda. Cu sistemele de multiplexare densa a lungimilor de unda (DWDM) se pot usor atinge cateva sute de gigabiti pe secunda, in timp ce cele mai bune teste au inregistrat transmiterea a 1,6 Tb/s pe distante de peste 10.000 Km. Cativa fabricanti au demonstrat ca se pot atinge 5 Tb/s pentru utilizari in MAN. Єi nu este de neconceput ca sistemele moderne de mare viteza sa atinga banda efectiva a unei fibre optice single mode, cca 25 Tb/s.
Tehnologiile CWDM (Coarse WDM = WDM brut) si DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing = multiplexare cu diviziune densa a lungimii de unda), folosind ca suport fizic fibra optica monomod, reprezinta solutia pentru cresterea dramatica a capacitatilor retelelor de transport si nu doar atat: WDM furnizeaza o infrastructura necesara serviciilor cu cerinte sporite de securitate, ofera transparenta in privinta protocolului si a ratei de bit.Fata de CWDM, in tehnologia DWDM ecartul intre lungimile de unda folosite este mai mic si in plus exista posibilitatea amplificarii tuturor purtatorilor optici fara a mai fi necesara conversia in domeniul electric.In tehnica CWDM se opereaza cu un numar redus de lungimi de unda (de regula 2 la 8 lungimi de unda distincte). In DWDM se opereaza cu un numar extins de lungimi de unda (pana la 160 de lungimi de unda distincte) spatiate la 100, 50 sau 25 GHz (spatierea echivalenta in lungimi de unda: sub 0.8 nm).Fiind o arhitectura de nivel fizic, implementarea DWDM va fi transparenta nivelelor de retea superioare, exploatarea in continuare a sistemelor deja instalate, bazate pe ierarhia SDH, fiind neafectata. Aceasta noua tehnologie furnizeaza o metoda de reorientare a retelelor dinspre traficul de voce inspre traficul de date, acesta din urma inregistrand evolutii spectaculoase in ultimii ani prin intermediul FrameRelay, Gigabit Ethernet si Fiber Channel.DWDM aduce imbunatatiri si in privinta echipamentelor utilizate la realizarea tronsoanelor mai lungi de comunicatii.Scalabilitatea este un factor important in succesul inregistrat de noua tehnologie: cresterea capacitatii unei retele DWDM se rezuma la inlocuirea interfetelor existente la capetele cablurilor de fibra optica, nefiind necesara nici o alta interventie asupra amplificatoarelor instalate de-a lungul legaturii de comunicatie.Avantajele acestei noi tehnologii sunt multiple: reducerea complexitatii retelelor prin utilizarea unui numar mai mic de echipamente, transparenta pentru nivelele superioare de retea (poate fi transportat trafic de orice tip), posibilitatea realizarii unui upgrade flexibil, bine adaptat la nevoile imediate de trafic, potentialul dezvoltarii unor noi servicii precum furnizarea la cerere a unor lungimi de unda (wavelength leasing) ca varianta la inchirierea legaturilor fizice cu rata de bit limitata (leased lines)