ДВОЙНАЯ ПАССИВНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СЕТЬ
DOUBLE PASSIVE FIBRE-OPTIC NETWORK

Изобретение относится к области телекоммуникации, к пассивным волоконно-оптическим сетям с шинной топологией, и может быть использовано в широковещательных телекоммуникационных сетях доступа, а также в локальных сетях обмена данными.
В области телекоммуникации под пассивными сетями понимают сети, в которых передача оптического сигнала между центральным управляющим узлом (контроллером) и множеством абонентских узлов осуществляется пассивными компонентами.
Известна пассивная волоконно-оптическая сеть, содержащая первую и вторую однонаправленные шины из оптического волокна и множество направленных ответвителей, включенных в первую и вторую шины, центральный управляющий узел (контроллер) сети и множество абонентских узлов. Передатчики абонентских узлов оптически связаны с первой шиной через направленные ответвители первой шины, а приемники - со второй шиной через направленные ответвители второй шины. Передатчик контроллера оптически связан с концом второй шины, а приемник - с концом первой шины. Все ответвители в шинах имеют равные коэффициенты ответвления [1].
N
N
Недостатком известной сети является ограничение по числу N обслуживаемых абонентских узлов в сети, которое определяется наименьшим из коэффициентов передачи в сети. В первой шине таковым будет коэффициент передачи K - от передатчика абонентского узла, связанного с последним N ответвителем в шине до приемника контроллера. Во второй шине - коэффициент передачи, равный упомянутому К, от передатчика контроллера до приемника последнего абонентского узла:
где α - коэффициент ответвления.
Выражение (1) имеет максимум при α=1/(N-2):
Если Ризл - мощность излучения, вводимая в волокно, а Рпор- пороговая чувствительность приемника, то, очевидно, наименьший коэффициент передачи в сети должен удовлетворять неравенству:
Из (2) и (3) получаем следующую оценку числа N в идеализированной (без потерь) сети:
Отношение [Ризл/Рпор] в логарифмическом выражении носит название энергетического потенциала сети (или бюджета сети) и определяет предельно-возможное число обслуживаемых абонентских узлов в пассивной сети, когда мощность от передатчика равномерно распределяется по приемникам абонентских узлов. Как видим из (4), известная сеть почти втрое уступает этому параметру. Кроме того, сеть предъявляет повышенные требования к динамическому диапазону используемых в сети приемников из-за различия в коэффициентах передачи в шинах для разных абонентских узлов.
Известна двойная волоконно-оптическая сеть, содержащая первую и вторую сети с первым и вторым центральными управляющими узлами (контроллерами) соответственно и множествами абонентских узлов, первую и вторую двунаправленные шины из оптического волокна и множество направленных X-ответвителей, включенных в первую и вторую шины. Первый и второй центральные управляющие узлы размещены на противоположных концах шин. Передатчики центральных управляющих узлов оптически связаны со второй шиной, а приемники - с первой шиной через упомянутые противоположные концы шин. Передатчики абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны с первой шиной через направленные X-ответвители первой шины с возможностью передачи в направлении первого и второго центральных управляющих узлов соответственно. Приемники абонентских узлов первой и второй сетей оптически связаны со второй шиной через направленные X-ответвители второй шины с возможностью приема передачи от первого и второго центральных управляющих узлов соответственно. Длина волны передачи в первой сети отлична от длины волны передачи во второй сети. [2]
Разные рабочий длины волн в первой и второй сетях позволяют снизить перекрестные помехи при одновременной передаче в первой и второй сетях.
Данное техническое решение принято за прототип.
Прототип имеет те же недостатки, что и аналог с однонаправленными шинами: ограничение на количество абонентских узлов в каждой из сетей, оцениваемое зависимостью (4) и повышенными требованиями к динамическому диапазону приемников в сети. В аналоге [1] с однонаправленными шинами эти недостатки могут быть устранены исполнением направленных ответвителей в шинах с убыванием коэффициентов ответвления в порядке их следования в шинах по направлению к контроллеру. Для идеализированной (без потерь) сети ответвители в этом случае выполняются с коэффициентами ответвления из гармонической последовательности: . Этот прием использован в известной пассивной волоконно-оптической сети обмена данными с однонаправленной петлевой шиной [3]. Нетрудно видеть, что в двойной сети с двунаправленными шинами такое техническое решение не проходит, так как полностью нарушает работу одной из сетей. Известна волоконно-оптическая линия связи, содержащая трехпортовые оптические циркуляторы на концах линии, в которой реализована дуплексная (двунаправленная) передача по единственному оптическому волокну [8]. По аналогии с известной линией связи можно предложить двойную сеть с использованием трехпортовых оптических циркуляторов для организации дуплексной передачи в первой и второй сетях по одной единственной двунаправленной шине с ответвителями. Однако оптимизация такой двойной сети с признаком выполнения ответвителей с коэффициентами ответвления из гармонической последовательности:  - невозможна и в этом случае по выше указанной причине.
Предлагаемым изобретением решаются задачи увеличения количества абонентских узлов в сетях при одновременном снижении требований к динамическому диапазону используемых приемников и расширения арсенала технических средств в области телекоммуникации.
Для достижения этого технического результата двойная пассивная волоконно-оптическая сеть содержит первую и вторую сети с первым и вторым центральными управляющими узлами (контроллерами) соответственно и множествами абонентских узлов с оптическими передатчиком и приемником каждый, двунаправленную шину из оптического волокна и множество направленных X-ответвителей, включенных в шину парой своих портов. Абонентские узлы оптически связаны с шиной через направленные X-ответвители. Первый и второй центральные управляющие узлы размещены на противоположных концах шины. Длины волн передач абонентскими узлами первой сети отличны от длин волн передач абонентскими узлами второй сети. В отличие от прототипа, в двойную сеть введены трехпортовые оптические циркуляторы по числу узлов в первой и второй сетях. Каждый X-ответвитель шины соединен парой своих портов ответвления с парой трехпортовых оптических циркуляторов, один из которых соединен оптически развязанными портами с передатчиком и приемником соответствующего абонентского узла первой сети с возможностью передачи в направлении первого центрального управляющего узла. А другой циркулятор из пары соединен оптически развязанными портами с передатчиком и приемником соответствующего узла второй сети с возможностью передачи в направлении второго центрального управляющего узла. Передатчики и приемники первого и второго центральных управляющих узлов оптически связаны с шиной через трехпортовые оптические циркуляторы, размещенные на упомянутых противоположных концах шины. Направленные X-ответвители в порядке их размещения в шине от первого центрального управляющего узла ко второму выполнены с возрастанием коэффициентов ответвления на упомянутых длинах волн передачи в первой сети и с убыванием коэффициентов ответвления на длинах волн передачи во второй сети.
i
1
1
i
2
2
Согласно частному случаю исполнения, направленные X-ответвители выполнены с коэффициентами ответвления α(λ) на длине волны λ передачи в первой сети и α(λ) на длине волны λпередачи во второй сети согласно следующим рекуррентным формулам:
;
,
i
где i - порядковый номер ответвителя в шине, N - число ответвителей в шине, δ- суммарные потери (дБ) на участке шины между (i-1) и i ответвителями шины, включая избыточные потери i ответвителя.
Согласно частному случаю исполнения, приемник каждого узла содержит избирательный фильтр на принимаемую длину волны.
Изобретение проиллюстрировано чертежами.
На Фиг.1 изображена блок-схема двойной пассивной волоконно-оптической сети.
На Фиг.2 изображена функциональная схема спектрально-зависимого направленного ответвителя.
На Фиг.3 приведено схематическое изображение направленного ответвителя на двух связанных оптических волноводах.
На Фиг.4 приведены графики биения мощности вдоль однородных связанных волноводов для двух длин волн .
На Фиг.5 изображена функциональная схема трехпортового оптического циркулятора.
1
1
2
Двойная пассивная волоконно-оптическая сеть Фиг.1 содержит двунаправленную шину 1 из оптического волокна, первый и второй центральные управляющие узлы (контроллеры) 2 и 3, множество абонентских узлов 11, 12, 13, 14 первой сети и множество абонентских узлов 15, 16, 17, 18 второй сети, направленные Х-ответвители 4, 5, 6, 7, включенные парой своих портов в шину 1, и трехпортовые оптические циркуляторы 21, …, 28. Передатчики Т и приемники R первого и второго центральных управляющих узлов 2 и 3 оптически связаны с шиной 1 через трехпортовые оптические циркуляторы 19 и 20, размещенные на противоположных концах 9 и 10 шины 1, соответственно. Передатчик Т и приемник R каждого из абонентских узлов 11, …, 14 первой сети оптически связаны с шиной 1 через соответствующую цепь из трехпортового оптического циркулятора 21, …, 24 и X-ответвителя 4, …, 7 с возможностью передачи в направлении первого центрального управляющего узла 2. Передатчик Т и приемник R каждого из абонентских узлов 15, …, 18 второй сети оптически связаны с шиной 1 через соответствующую цепь из трехпортового оптического циркулятора 25, …, 28 и X-ответвителя 4, …, 7 с возможностью передачи в направлении второго центрального управляющего узла 3. Все передатчики Т абонентских узлов 11, …, 14 и первого контролера 2 первой сети ведут передачу на длине волны λ. Все передатчики Т абонентских узлов 15, …, 18 и второго контроллера 3 ведут передачу на длине волны . Приемники узлов для увеличения развязки сетей (снижения перекрестных помех) могут быть снабжены избирательными фильтрами (не показаны) на принимаемую длину волны. В рассматриваемом варианте исполнения это длина волны λ и длина волны λ.
i
i
1
2
На функциональной схеме направленного X-ответвителя Фиг.2 порты 31 и 32 предназначены для включения в шину 1, а порты ответвления 33 и 34 - для связи с циркуляторами. Направленные X-ответвители 4, 5, 6, 7 имеют спектрально-зависимый коэффициент ответвления α(λ), где i - порядковый номер расположения ответвителя в шине 1 в направлении от первого центрального управляющего узла 2 ко второму центральному управляющему узлу 3. На фиг.1 ответвитель 4 имеет порядковый номер 1, ответвитель 5 - номер 2 и т.д., последний в шине 1 ответвитель 7 имеет номер N. Коэффициенты ответвления α(λ) возрастают с увеличением порядкового номера i ответвителя на длине волны λ и убывают на длине волны λ в соответствии со следующими рекуррентными формулами:
;
,
i
i
i
i
i(λ)
i
(1)
(2)
(3)
где δ- суммарные потери на участке между (i-1) и i ответвителями; , где δ  [дБ/км] - погонное затухание оптического волокна на участке длиной  [км], δ  [дБ] - избыточные потери i ответвителя, δ  [дБ] - суммарные потери в соединениях оптических волокон на упомянутом участке. В таблице 1 приведены оптимальные коэффициенты ответвления α для ответвителей шины в отсутствие потерь в сети (δ=0), позволяющие получить максимальное число абонентских узлов.
Таблица 1
Поз. на Фиг.1
4
5
6
7
i
1
2
3…
…N-2
N-1
N
α<sub>i</sub>(λ<sub>1</sub>)
1/N
1/N-2
1/N-2…
…1/3
1/2
1
α<sub>i</sub>(λ<sub>2</sub>)
1
1/2
1/3…
…1/N-2
1/N-1
1/N
изл
пор
Число N равно теоретическому пределу для пассивных сетей, который определяется энергетическим потенциалом (бюджетом) сети: φ=10 lg[Р/Р]. При этом одновременно достигается снижение требований к динамическому диапазону используемых в сети приемников - результат постоянства уровня принимаемой мощности центральным и абонентскими узлами.
1
2
Приведем вывод формул (5). Рассмотрим изменение энергетического потенциала φ, вдоль шины 1 в первой сети. Потенциал на конце 9 шины равен , где  - потери вносимые оптическим циркулятором 19; потенциал за первым в шине ответвителем (поз.4) равен , где δ- суммарные потери на участке от циркулятора 19 до первого ответвителя (поз.4) в шине (включая избыточные потери ответвителя 4); потенциал за вторым ответвителем (поз.5) равен , где δ - потери на участке от первого ответвителя до второго (включая избыточные потери ответвителя 5), тогда для потенциала за i ответвителем можно написать:
R
пор
R
Энергетический потенциал φ на приемнике R каждого абонентского узла 11…14 равен нулю - условие получения мощности Р на приемнике. Тогда для потенциала φ приемника R, связанного с i ответвителем, можно написать:
(4)
где δ - потери, вносимые циркулятором, соединенным с i ответвителем.
Выражение (6) с учетом уравнения (7) приводим к виду:
i-1
Подставляя в последнее уравнение выражение для φ из (7), получаем первую из рекуррентных формул (5):
Для энергетических потенциалов  во второй сети можно написать:
,
где  - потенциал на конце 10 шины 1 во второй сети;  - суммарные потери на участке от второго центрального управляющего узла 3 до N ответвителя (поз.7) в шине.
,
где  - суммарные потери на участке от N ответвителя (поз.7) до (N-1) ответвителя (поз.6); и для потенциала  имеем:
Для потенциалов на приемниках R второй сети запишем:
Производя с уравнениями (8) и (9) преобразования, аналогичные вышеописанным преобразованиям с уравнениями (6) и (7), приходим к формуле:
.
Полагая, что избыточные потери ответвителя не зависят от его номера i направления передачи и длины волны, имеем , и окончательно получаем вторую из рекуррентных формул (5):
.
1
2
N
i
i
i
i
(1)
(2)
(3)
(4)
В таблице 2 приведены оптимальные коэффициенты ответвления в сети с одинаковыми суммарными потерями на участках шины 1 между соседними ответвителями: δ=δ=…=δ=1 дБ (длина участка l=1…2 км, δ =0,2…0,3 дБ; δ =0,3 дБ; δ =0,3 дБ), рассчитанные по формулам (5), и энергетическим потенциалом в первой и второй сетях φ=30,85 дБ (вычисляется по формулам (7), (6) с учетом вносимых потерь циркулятора δ=0,5 дБ).
Таблица 2
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
α<sub>i</sub>(λ<sub>1</sub>)
0,001
0,0013
0,0016
0,0021
0,0026
0,0033
0,0042
0,0053
0,0067
0,0085
0,011
0,014
α<sub>i</sub>(λ<sub>2</sub>)
1
0,443
0,260
0,171
0,120
0,087
0,065
0,049
0,037
0,029
0,022
0,017
i
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
α<sub>i</sub>(λ<sub>1</sub>)
0,017
0,022
0,029
0,037
0,049
0,065
0,087
0,120
0,171
0,260
0,443
1
α<sub>i</sub>(λ<sub>2</sub>)
0,014
0,011
0,0085
0,0067
0,053
0,042
0,0033
0,002
0,0021
0,0016
0,001
0,001
Среди известных направленных Х-ответвителей, отвечающих требованиям изобретения, следует выделить ответвители, устроенные по принципу связанных волноводов. Схема такого ответвителя изображена на Фиг.3. Оптические волноводы 41, 42, расположенные параллельно друг другу, взаимодействуют между собой спадающими внешними полями. Взаимодействие волноводов приводит к тому, что мощность моды одного волновода частично передается моде другого волновода. Мощность, переданная в моду волновода 42, имеет вид [5, стр.231-236]:
1
1
2
где F - мощность на входном порту волновода 31; Δβ=(β-β)/2,
1
2
β, β- фазовые постоянные распространения мод волноводов 31, 32 соответственно; с - коэффициент связи между модами волноводами (коэффициент связи с имеет обратную экспоненциальную зависимость от расстояния d между волноводами и обратно пропорциональную зависимость от длины волны λ).
2
1
2
1
1
2
1
2
На Фиг.4 представлены графики биения мощности F вдоль волновода для двух длин волн λ=1550 нм и λ=1310 нм и нормированной мощности F=1. Длины биений l, l на длинах волн λ, λ соотносятся следующим образом:
1
2
1
2
i
1
i
2
l:l≈λ:λ=1550/1310≈1,28. Графики наглядно показывают, что, варьируя величинами c, Δβ и длиной связи L (Фиг.3), всегда можно добиться коэффициентов ответвления α(λ) и α(λ), отвечающих таблицам 1 и 2. Отметим, что рассмотренные X-ответвители являются широкополосными устройствами, и соотношения, близкие к указанным в таблицах 1 и 2, будут выполняться в двух полосах прозрачности: 1550±40 нм и 1310±40 нм.
Трехпортовые оптические циркуляторы 21, …, 28 (Фиг.1) также являются широкополосными устройствами, выпуск которых освоен промышленностью в тех же полосах прозрачности. В изобретении с вышеописанными X-ответвителями (Фиг.3) в первой сети используются циркуляторы 19, 21, …, 24 с центральной длиной волны 1550 нм рабочего диапазона, а во второй сети - циркуляторы 20, 25, …, 28 с центральной длиной волны 1310 нм. Трехпортовый оптический циркулятор - устройство, работа которого основана на гиротропных свойствах ферритов: в частности, невзаимном повороте плоскости поляризации (эффект Фарадея) электромагнитной волны в волноводах из монокристаллов ферритов. В результате оптическое излучение может передаваться только в строго определенной последовательности между портами (циркулировать) устройства [8]. На функциональной схеме Фиг.5 передача возможна только из порта 51 в порт 52 и из порта 52 в порт 53. Поэтому в сети Фиг.1 оптически развязанные порты 51 и 53 циркулятора используют для связи соответственно с передатчиком Т и приемником R во всех узлах сети.
1
2
Спектрально зависимые ответвители нашли применение в устройствах спектрального (частотного) уплотнения/разделения (так называемого грубого WDM - мультиплексирования), для которых стремятся иметь коэффициенты α(λ)=1, α(λ)=0. Как следует из выражения (10) и графиков, это возможно только при условии соблюдения фазового синхронизма: Δβ=0. Последнее трудно выполнимо на практике, и поэтому WDM- мультиплексоры всегда имеют избыточные потери, снижающие уровень оптического сигнала на приемниках сетей, использующих WDM- мультиплексирование. И, как следствие, сокращается количество абонентских узлов - пропорционально вносимым потерям. В то же время указанный недостаток ответвителей незначительно влияет на общее количество абонентских узлов в изобретении, так как приводит к сокращению только двух крайних в шинах (фиг.1) абонентских узлов (см. табл.1). Лучшим исполнением X-ответвителя в изобретении является ответвитель на связанных волноводах, получаемый из оптических волокон методом сплавления (см., например, [7]).
Заявленная двойная сеть может использоваться: 1) как сеть обмена данными между абонентскими узлами, в этом случае контроллеры выполняют функции ретрансляторов передачи в сетях; 2) как широковещательная сеть доступа. Причем первая и вторая сети двойной сети работают независимо одна от другой. В обоих вариантах использования двойной сети контроллеры 2, 3 могут быть исключены с заменой их оптическими усилителями на волокне [4], а их функции по управлению первой и второй сетями может исполнять один из абонентских узлов в каждой из сетей. В этом случае двойная пассивная сеть будет обладать предельной широкополосностью, без ограничений, которые вносят ретрансляторы с преобразованием передаваемых сигналов из оптической в электрическую и обратно формы.
1
1
Работа первой и второй сетей в двойной сети Фиг.1, как широковещательных сетей доступа, основана на том же принципе, что и работа сетей известных как PON (Passive Optical Networks) [4, стр.469-478]. Опишем их работу на примере первой сети. Центральный узел OLT (Optical Line Terminal) 2 принимает данные со стороны магистральных сетей через интерфейсы подключения SNI (Service Node Interfaces) и формирует первый поток (аналогичный нисходящему потоку в PON) к абонентским узлам ONU (Optical Network Unit) 11, 12, 14 в шине 1. При этом используется любой из известных в PON технологиях способов формирования потока, например, синхронной передачей с разделением во времени TDM (Time Division Multiplexing) сигналов, предназначенных разным абонентским узлам 11, 12, …, 14. Передатчик Т центрального узла 2 работает на фиксированной длине волны, например, λ=1550 нм и поток излучения поступает через оптический циркулятор 19 в шину 1. Где равномерно распределяется Х-ответвителями 4, 5, …, 7 и циркуляторами 21, …, 24 по приемникам R абонентских узлов 11, 12, …, 14. Второй поток (аналогичный восходящему потоку в PON) от абонентских узлов 11, …, 14 к приемнику R центрального узла 2 формируется способом синхронного доступа с временным разделением TDMA (Time Division Multiplexing Access) сигналов от передатчиков Т абонентских узлов 11, 12, …, 14 в шине 1. Излучение от передатчиков Т вводится в шину 1 через циркуляторы 21, …, 24 и ответвители 4, 5, 6, 7. При этом передача ведется на той же длине волны λ=1550 нм и каждому абонентскому узлу 11, 12, …, 14 устанавливается индивидуальное расписание с учетом удаленности узла от приемника R центрального узла 2.
11
12
1N
11
12
1N
1
В заявленной сети также возможна передача частотно-временными пакетами сигналов [6, стр.250]. В первом потоке временные позиции сигналов, предназначенные разным абонентским узлам 11, 12, …, 14, передаются на разных длинах волн λ, λ, …, λ перестраиваемого лазера передатчика Т центрального узла 2. Приемники R абонентских узлов 11, …, 14 в этом случае снабжаются избирательными фильтрами, настроенными на длины волн λ, λ, …, λсоответственно. Во втором потоке передача от абонентских узлов 11, 12, …, 14 к приемнику R центрального узла 2 ведется на одной длине волны λ методом синхронного доступа с разделением во времени TDMA.
Заявленная сеть, несмотря на шинную топологию, может рассматриваться как вариант PON сети. То есть она полностью совместима с аппаратными и программными продуктами, выпускаемыми промышленностью для PON технологии.
С другой стороны, изобретение имеет преимущество перед известными PON сетями с древовидной архитектурой в экономии оптического волокна, простоте мониторинга при эксплуатации сети. Следовательно, промышленное применение изобретения будет экономически обоснованной альтернативой известным сетям доступа.
Использованные источники
1. Патент US 4089584, кл.385-24.
2. Заявка РСТ WO 83/03327, H04B 9/00, 1983 г.
3. Патент RU 2264692, H04B 10/12, 2005 г.
4. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. 2-е дополненное изд.: пер. с англ. Под ред. Н.Н.Слепова. - М.: Техносфера, 2004 г.
5. X.-Г.Унгер. Планарные и волоконные оптические волноводы/ Пер. с англ. В.В.Шевченко. - М.: Мир, 1980 г.
6. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие в 3 т. Том 3. - Мультисервисные сети; под ред.проф. В.П.Шувалова. - М: Горячая линия - Телеком, 2005 г.
7. Патент US 4834481, G02B 6/28, 1989 г.
8. Рудов Ю.К., Зингеренко Ю.А., Оробинский С.П., Миронов С.А. Применение оптических циркуляторов в волоконно-оптических системах передачи // Электросвязь, 1999, №6, с.36-37.