СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ДУПЛЕКСНЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ В ОДНОМ ВОЛОКНЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ РАБОТАЮЩИХ ВО ВСТРЕЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ И ИМЕЮЩИХ ОДИНАКОВУЮ НЕСУЩУЮ ДЛИНУ ВОЛНЫ С КОНТРОЛЕМ УРОВНЯ ОБРАТНЫХ ОТРАЖЕНИЙ
METHOD OF SETTING UP DUPLEX LINKS IN ONE FIBRE USING OPTICAL SIGNALS OPERATING IN OPPOSITE DIRECTIONS AND HAVING SAME CARRIER WAVELENGTH WITH RETROREFLECTION CONTROL

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи и может быть использовано в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) для организации нескольких независимых каналов связи.
Известно (http://) использование SFP+ модулей для организации высокоскоростных дуплексных каналов со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с. В частности, WDM SFP+ модули предназначены для организации дуплексного канала связи в одном волокне. SFP+ модули поддерживают функцию, которая в реальном времени позволяет проследить параметры работы устройства, такие как рабочая температура, отклонение тока лазера, излучаемая оптическая мощность, принимаемая оптическая мощность, также поддерживается система сигнализации о выходе параметров за пределы установленных допусков.
Недостатками известного способа можно признать малую эффективность использования волокон, невозможность параллельного использования других устройств на тех же волокнах.
Известно () применение оптических циркуляторов для передачи по одному волокну и на одной длине волны два потока данных в разных направлениях. Оптический циркулятор представляет собой полностью пассивное устройство, принцип работы которого основан на эффекте невзаимного поворота плоскости поляризации (так называемый эффект Фарадея). Для передачи данных используются две перпендикулярных друг другу поляризованных плоскости. По одной из них оптический сигнал поступает в одну сторону, а по другой - в обратную сторону.
Недостатками известного способа можно признать достаточно высокую стоимость, определяемую стоимостью циркуляторов, малую эффективность использования волокон (ограничена окнами прозрачности оптических циркуляторов).
Данное решение принято в качестве ближайшего аналога.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении эффективности использования оптических волокон путем использования оптических сигналов, работающих во встречных направлениях и имеющих одинаковую несущую длину волны.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ передачи информационного сигнала в одноволоконной оптической линии связи во встречных направлениях с использованием одной несущей длины волны, при реализации которого используют оптическую линию связи, оканчивающуюся двунаправленными делителями сигналов, предназначенными для ввода/вывода информационных сигналов в оптическую линию связи, причем предварительно или в ходе отработки способа определяют суммарную мощность отраженного сигнала, поступающую на вход оптического приемника для конкретной оптической линии связи, сравнивают указанную величину с максимально допустимой для выделения информационного сигнала мощностью шума и путем исключения и/или перераспределения на пути прохождения оптического сигнала между передатчиком и приемником элементов с высоким уровнем отражения, или их замены на элементы с более низким уровнем отражения, получают суммарную мощность отраженного сигнала, поступающую на вход оптического приемника, достаточно малую для выделения информационного сигнала из оптического сигнала, поступающего на вход приемника и, как следствие, осуществления передачи информационного сигнала во встречных направлениях с использованием одной несущей длины волны для конкретной оптической линии связи.
Существующие в настоящее время схемы организации дуплексного канала требуют либо два волокна, либо использования двух несущих длин волн для приема и передачи сигнала. Однако данные способы неэффективны, так как для организации дуплексного канала связи требуется значительное количество ограниченных ресурсов (оптическое волокно, спектральный диапазон). Например, при использовании CWDM уплотнения по данным схемам можно организовать только восемь дуплексных каналов.
Рассматриваемый способ не требует использования каких-либо приемов селективного разделения сигналов (например, по длине волны или поляризации) для разделения направлений и расширяет возможности их использования для дальнейшего уплотнения сигналов.
Также создание дуплексного канала по данному методу не приведет к появлению помехи, связанной с четырехволновым смещением, так как канал будет использовать только одну несущую частоту, а не две, как в классических методах.
Кроме того, данный способ принципиально изменяет схему включения компонентов спектрального уплотнения в оптическое волокно, что дает возможность организацию высокоскоростных распределенных сетей связи по одному волокну дополнительно к классической схеме «точка-точка».
Использование данного метода с методами спектрального уплотнения сигналов (WDM, СWDM, DWDM и т.д. - далее МСУ) приводит к увеличению эффективности использования оптических волокон в два раза, а также повышает надежность организуемых каналов связи, снижает затраты на их организацию за счет значительного снижения потребных пассивных элементов спектрального уплотнения.
Результат применения (в зависимости от использования методов спектрального уплотнения:
Без DDM и МСУ
DDM без МСУ
МСУ без DDM
DDM с МСУ
Повышение эффективности использования оптических волокон
1
2 раза
8 раз
16 раз
Повышение надежности оптических каналов связи
1
1,6 раз
1 раз
1,8 раз
Снижение затрат на организацию каналов (оптическое волокно и пассивные компоненты)
1
2 раза
6 раз
- 15 раз
Организация
нет
нет
ограниченно
Есть
Распределенных каналов по одному волокну
о
Примечание: в таблице проведено сравнение с традиционным методом спектрального уплотнения (МСУ) по одному волокну - 8-и канальным CWDM.
Способ был испытан на сети оператора в течение 3-х лет и показал свою эффективность.
Основанием для предлагаемого способа явилось предположение о том, что суммарная мощность обратного излучения, обусловленная физическими свойствами однородного волокна, имеющего стандартные характеристики, пренебрежимо мала.
Для уточнения уровня отраженного сигнала в однородном волокне был проведен ряд экспериментов, целью которых являлось измерение параметров отраженного сигнала в точке ввода излучения в однородном волокне достаточно большой длины.
Проведенные эксперименты на основных стандартных типах одномодовых волокон показали, что уровень отраженного сигнала составляет от - 55 до - 70 дБ.
Оценочный расчет показывает, что при стандартной апертуре одномодового волокна уровень отраженного сигнала в волокне длиной максимально используемой длины не может превышать величину в - 55 дБ.
По результатам расчетов и измерений можно сделать следующий вывод:
Основная мощность отраженного сигнала, появляющаяся на входе в оптическую линию связи при подаче оптического сигнала, возникает в точках линии связи с повышенным отражением, тогда как доля мощности обратного излучения, обусловленная физическими свойствами однородного волокна, имеющего стандартные характеристики, пренебрежимо мала.
Точками линии связи с повышенным отражением (далее - отражающие элементы) могут являться, например, механические разъемные соединения, а также внесенные пассивные оптические элементы (аттенюаторы, CWDM компоненты и т.д.).
Таким образом, для передачи оптического сигнала одной длины по одному одномодовому волокну в двух направлениях достаточно, чтобы шум от отраженного сигнала на входе приемника от отражающих элементов линии связи был достаточно мал для уверенного выделения информационного сигнала.
Используемая расчетная модель (Фиг.1) содержит:
- оптический передатчик 1;
- оптический приемник 2;
- любое двунаправленное (прозрачное) устройство объединения/разделения сигналов (например, разветвитель (сплиттер)) 3;
- волоконно-оптическую линию связи 4, включающую в себя прочие устройства уплотнения;
- отражающие элементы, включая устройство объединения/разделения сигналов, элементы волнового уплотнения, разъемные механические соединения и т.д.
Данная схема чувствительна к воздействию отраженных сигналов, так как отраженный сигнал, пройдя через устройство объединения/разделения сигналов 3, попадает не только на изолятор лазера (передатчика 1), но и на оптический приемник 2.
Уровень отраженного сигнала в линии в данной схеме является основной и самой весомой компонентой шумов, и он должен быть ниже минимально допустимого уровня шумов оптического приемника.
При проектировании каналов DDM и/или их организации на существующих линиях связи согласно разработанному способу предварительно рассчитывают суммарную мощность отраженного сигнала, поступающую на вход оптического приемника, вызываемую всеми отражающими элементами, находящимися на пути следования сигнала передатчика.
шотр
Суммарная мощность Р отраженного сигнала равна сумме мощностей отраженных сигналов, поступающих на вход приемника от каждого отражающего элемента по пути следования сигнала
В схеме, содержащей n отражающих элементов
<mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
, Вт,
шотр
где Р - суммарная мощность отраженного сигнала, поступающая на вход оптического приемника;
шотр i
Р - мощность отраженного сигнала, поступающая на вход приемника от i-го элемента.
шотр i
шотр i
Поступающую на вход приемника оптическую мощность i-го отражающего элемента Р рассчитывают из логарифмического уровня мощности i-го отражающего элемента р:
<mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>10</mn><mfrac><mrow><msub><mi>р</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mtext> </mtext><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac></mrow>
, дБВт,
который, в свою очередь, рассчитывают как:
шотр i
ист
i
отр i
обр i
p=р-A-А-А, дБВт,
ист
где р - уровень сигнала передатчика, дБВт,
i
A - оптическое затухание между передатчиком ближнего конца и i-м отражающим элементом, дБ,
отр i
А - оптическое затухание отражения (return loss) i-го отражающего элемента, дБ (из спецификации на отражающий элемент),
обр i
А - оптическое затухание между i-м отражающим элементом и приемником ближнего конца в обратном направлении, дБ.
Логарифмический уровень суммарного отраженного сигнала на входе приемника, равен:
шотр
шотр
Р=10 lgP, ДБВт.
При расчетах шумов на входе приемника принимаются следующие допущения:
1. Мощность отраженного от противоположного конца сигнала, учитывая большое затухание по пути его следования (равное двойному затуханию линии), принимают за пренебрежимо малую величину. Так, для линии связи с затуханием 15 дБ (с учетом затухания разветвительных устройств) и затуханием отражения на механических соединителях 16 дБ уровень мощности отраженного от противоположного конца сигнала, поступающего на вход оптического приемника, составляет -46 дБ, тогда как уровень чувствительности приемников, используемых для линий связи с таким затуханием, не менее -26 дБ.
2. Мощность шумов на входе приемника от отраженных сигналов второго порядка (отражения от отражений) принимают за пренебрежимо малую величину. Так, согласно проведенным расчетам мощность шумов на входе приемника от отраженных сигналов второго порядка на 60 дБ и более меньше чем суммарная мощность от отраженных сигналов первого порядка.
3. Мощность отражения сигнала в однородном волокне принимают за пренебрежимо малую величину (-55 дБ).
Суммарную мощность шума на входе приемника, обусловленную вышеуказанными и иными причинами, учитывают при сравнении с предельным уровнем шумов на входе приемника.
шотр
макс
Рассчитанный уровень мощности Р отраженного сигнала на входе приемника сравнивают с максимально допустимым уровнем мощности шума приемника Р и приемника, регламентируемым спецификацией на оборудование (обычно -35…-40 дБ), взятом с запасом 3 дБ (т.е. 50%) на прочие виды шумов (в том числе отражения с дальнего конца, отражение в однородном волокне и шумы от соседних каналов CWDM).
Должны соблюдаться условия, при которых:
макс ш приемника
ш отр
Р>Р+3 дБ.
мин осш
Также, если в спецификации оборудования регламентировано минимальное логарифмическое отношение сигнал/шум на входе приемника (Р, дБ), то
мин осш
приемника
шотр
Р>Р-Р-3 дБ,
приемника
где Р - уровень полезного сигнала от передатчика противоположного оконечного устройства на входе приемника.
Указанные условия должны быть выполнены для всех устройств, участвующих в передаче информационного сигнала. Все измерения и расчеты проводят для требуемой длины волны.
По результатам анализа и в зависимости от элементного состава оптической линии связи исключают и/или перераспределяют на пути прохождения оптического сигнала между передатчиком и приемником элементы с высоким уровнем отражения или заменяют их на элементы с более низким уровнем отражения, получая суммарную мощность отраженного сигнала, поступающую на вход оптического приемника, достаточно малую для выделения информационного сигнала из оптического сигнала, поступающего на вход приемника и, как следствие, осуществления передачи информационного сигнала во встречных направлениях с использованием одной несущей длины волны для конкретной оптической линии связи.
Данная схема обеспечивает стабильную работу каналов как в линии с использованием волнового уплотнения, так и без него, причем для данной схемы не важен тип используемого волнового уплотнения (WDM, CWDM, DWDM, HDWDM).
Данная схема может быть реализована как без применения волнового уплотнения, так и с дополнительным уплотнением (WDM, CWDM, DWDM).
В предпочтительном варианте реализации разработанный способ организации схемы n/2 дуплексных каналов с использованием одной несущей длины волны на один канал в сети с применением волнового уплотнения может быть реализован промышленно, как показано на Фиг.2, где поз.5 обозначен волновой уплотнитель.
Функциональное назначение блоков и элементов схемы организации дуплексных каналов связи в одном волокне с использованием одной несущей частоты для приема и передачи:
1) Оптический передатчик - выдает оптический модулированный информационный сигнал с несущей частотой, выделенной для определенного канала (активный элемент).
2) Оптический приемник - принимает и обрабатывает оптический модулированный информационный сигнал с несущей частотой, выделенной для определенного канала (активный элемент).
3) Двунаправленное (прозрачное) устройство объединения/разделения сигналов - разделяет/объединяет в пространстве оптические сигналы приема и передачи, обеспечивая деление потоков (пассивный элемент).
4) Волоконно-оптическая линия связи - среда передачи информационного оптического сигнала (пассивный элемент).
5) Волновой уплотнитель - дает возможность передавать по одному каналу несколько потоков данных на разных длинах волн (пассивный элемент).
Разработанная схема работает следующим образом. Оптический передатчик 1 выдает модулированный информационный сигнал с несущей длиной волны, выделенной для определенного канала. Далее сигнал поступает на один из выходов двунаправленного (прозрачного) устройства объединения/разделения сигналов 3, пройдя через него, сигнал попадает в волновой уплотнитель 5, по которому одновременно и встречно распространяется как приемный, так и передающий сигнал данного канала. Далее сигнал распространяется по линейному тракту волоконно-оптической линии связи 4, на выходе из которого он подается на общий вход двунаправленного (прозрачного) устройства объединения/разделения сигналов 3, пройдя через волновой уплотнитель 5.
В устройстве объединения/разделения сигналов 3 информационный сигнал делится на две части. Одна часть сигнала поступает на оптический передатчик 1 и гасится на изоляторе лазера, а вторая поступает на оптический приемник 2, который принимает и обрабатывает сигнал.
Все пассивные элементы волоконно-оптической сети связи должны быть прозрачны и соответственно обеспечивать одновременную передачу сигналов в обоих направлениях. В случае использования данной схемы в сети с применением волнового уплотнения 5 все двунаправленные (прозрачные) оптические устройства объединения/разделения 3 устанавливают за пределами распространения группового сигнала и соответственно вносят затухания только в сигнал одного канала, а не всей линии 4.
Для измерения потерь в канале собирают схему, приведенную на Фиг.3. Первоначально необходимо обнулить измеритель оптической мощности 2 от источника оптического излучения 1. На оконечном устройстве №1 к одному из выходов устройства объединения/разделения сигналов 3 подключают источник оптического излучения 1, а второй выход погружают в жидкость 5 с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления сердцевины волокна.
На оконечном устройстве №2 к одному из выходов устройства объединения/разделения сигналов 3 подключают измеритель оптической мощности 2, а второй конец также погружают в жидкость 5 с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления сердцевины волокна.
Снятое показание с измерителя оптической мощности 2 соответствует потерям в данном канале. При проведении эксперимента необходимо, чтобы источник оптического излучения 1 и измеритель оптической мощности 2 были настроены на длину волны, соответствующую несущей длине волны в данном канале.
При измерении минимально допустимого уровня сигнала оптического приемника от заданного оптического передатчика первоначально обнуляют измеритель оптической мощности 2 от оптического передатчика 1, используемого на линии. Собирают схему, приведенную на Фиг.4.
Оптический передатчик 1 и оптический приемник 2 в активном режиме подключают напрямую через тестовое оптическое волокно 4. Волокно начинают накручивать на сердечник 3 с диаметром, примерно равным 6-7 мм, и когда связь между передатчиком 1 и приемником 2 пропадает, тестовое волокно 4 медленно начинают скручивать с сердечника 3, пока связь не восстановится, после чего тестовое волокно 4 фиксируют в заданном положении.
Оптический приемник 2 заменяют измерителем оптической мощности, с которого снимают показания. Так как оптический передатчик 1 выдает модулированный сигнал, то при обнулении измерителя оптической мощности от него может возникнуть погрешность, равная амплитуде оптического сигнала.
Для более точного определения минимально допустимого уровня сигнала оптического приемника 2 от заданного оптического передатчика 1 повторяют измерения 5-10 раз и определяют среднее арифметическое от снятых измерений. Данный результат будет соответствовать искомому параметру.
Для измерения уровня отраженного сигнала надо обнулить измеритель оптической мощности 2 от оптического передатчика 1, используемого на линии. Собирают схему, приведенную на Фиг.5.
На оконечном устройстве №1 к одному из выходов устройства объединения/разделения сигналов 3 подключают оптический передатчик 1 во включенном состоянии, а второй выход погружают в жидкость 5 с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления сердцевины волокна.
На оконечном устройстве №2 к одному из выходов устройства объединения/разделения сигналов 3 подключают оптический передатчик 1 в выключенном состоянии, а ко второму выходу подключают измеритель оптической мощности 2.
Для более точного определения уровня встречного излучения без отраженного сигнала от источника излучения на ближнем оконечном устройстве повторяют измерения 5-10 раз и определяют среднее арифметическое от снятых измерений.
На оконечном устройстве №2 оптический передатчик 1 переводят во включенное состояние. Снимают измерения уровня встречного излучения с отраженным сигналом от источника излучения на ближайшем оконечном устройстве 5-10 раз и определяют среднее арифметическое от снятых измерений, после чего вычитают из уровня встречного сигнала с отраженным сигналом уровень встречного сигнала без отраженного сигнала, результат и будет искомой величиной.
Ниже приведено практическое испытание предлагаемой схемы. Проведенные испытания изготовленного образца предлагаемой схемы организации дуплексного канала связи в одном волокне с использованием одной несущей частоты для приема и передачи показали ее работоспособность и подтвердили достижение поставленной цели.
Был собран лабораторный стенд. В качестве волнового уплотнителя использовали CWDM модули 1, собранные на основе тонкопленочных фильтров, в качестве устройства объединения/разделения сигналов 2 использовали сплиттеры с коэффициентом деления 50/50, имитатором линии выступали две катушки 4 с вносимыми затуханиями 0,32 и 0,35 дБ и два аттенюатора 3 по 10 дБ каждый. Каждый аттенюатор 3 подключали через разъем FC АРС 5. Данный тип разъемов направляет отраженный сигнал таким образом, что он высвечивается из волокна. Оконечное оборудование подключалось через разъемы типа LC 6.
Испытания проводили с использованием 4 дуплексных каналов на несущих длинах волн 1310 нм, 1330 нм, 1350 нм, 1370 нм, соответственно. Схема испытаний приведена на Фиг.6.
Результаты испытаний приведены в протоколе измерений схемы организации дуплексного канала связи в одном волокне с использованием одной несущей частоты для приема и передачи:
Участок измерений
Несущая (нм)
Правое плечо (ДБ)
Левое плечо (ДБ)
Активное оборудование
Вся линия
1310
-33,1
-32,9
SFP модуль (оптический передатчик/оптический приемник) Топаз - 7105 (измеритель оптической мощности)
1330
-32,8
-32,9
1350
-32,4
-32,3
1370
-31,9
-32,1
Затухание отражения
1310
-55,3
-49,2
1330
-59,6
-53,1
1350
-59,9
-60,3
1370
-55,8
-50
Максимальное отражение
1310
-55,3
-49,2
Вся линия (предельное α)
1310
-36,6
-36,4
1330
-35,9
-36,1
Учитывая, что для выбранных SFP-модулей чувствительность приемника составляет 40 дБ, а гарантированная работоспособность обеспечивается при чувствительности 37 дБ (SFP 150 км Syoptec, 1 GB), результаты измерения показывают возможность организации дуплексных каналов на каждой из выбранных длин волн в одном волокне, что обеспечивает повышение эффективности использования существующих оптических волокон и спектрального диапазона.
В настоящее время на сети связи оператора активно эксплуатируется около 50 каналов связи построенных предлагаемым способом.