ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СОЛИТОННАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИНХРОННЫХ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ
FIBRE-OPTIC SOLITONIC SYSTEM FOR SYNCHRONOUS DIGITAL CHANNEL TRANSMISSION

Изобретение представляет собой устройство и относится к области систем передачи информации, может быть использовано в городских, региональных, корпоративных и в магистральных телекоммуникационных сетях.
Для повышения тактико-технических характеристик и увеличения объемов передаваемой информации в современном оборудовании применяют различные приемы мультиплексирования каналов.
Известны волоконно-оптические системы передачи информации со спектральным (волновым) методом уплотнения WDM (Wave Division Multiplexing - плотное спектральное мультиплексирование), аналог систем с частотным разделением каналов в оптическом диапазоне. Этот вид мультиплексирования применяется наиболее широко и подробно описан в [1, 2, 3] и многочисленных статьях, промышленных буклетах и стандартах, например Рекомендации ITU-T. Достоинства таких систем, в которых мультиплексируемые сигналы передаются на индивидуальных оптических несущих, генерируемых узкополосными лазерами, и объединяются в общий линейный сигнал спектральными мультиплексорами в каналообразующем оборудовании на входе линии, а на приемном конце подвергаются обратному преобразованию (спектральному демультиплексированию), обусловливаются возможностью эффективного использования всей полосы прозрачности стандартных световодных волокон, гибкого формирования и преобразования трафика, в котором удобно одновременно передавать сигналы с различными скоростями, протоколами и способами модуляции несущего излучения.
Однако при реализации систем со спектральным уплотнением, особенно многоканальных DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing - плотное спектральное мультиплексирование) магистралей, серьезные проблемы возникают вследствие следующих недостатков таких систем:
- быстрое сокращение достижимого расстояния между ретрансляторами линейного сигнала (пролетами) при увеличении числа спектральных каналов вследствие ограничений на предельную оптическую мощность;
- опасность инициирования в оптическом тракте, при работе с предельными уровнями мощности, самоподдерживающегося оптического разряда, который, возникнув на «слабых точках» (торцы, неоднородности волокна), распространяется навстречу оптическому излучению, со скоростью порядка 1 м/с [5] в виде волны разрушения материала сердцевины волокна, пассивных и активных элементов тракта;
- необходимость применения сложных и дорогостоящих аппаратурных решений для обеспечения высоких и стабильных значений SNR (signal-to-noise ratio - отношение сигнал/шум).
Известны волоконно-оптические системы с временным мультиплексированием TDM (Time Division Multiplexing - временное мультиплексирование) [6], для которых следующие принципы реализации передачи:
- исходные канальные сигналы должны быть жестко синхронизированы;
- длительность канальных посылок должна обеспечивать возможность передачи всех каналов в течение одного тактового интервала. Недостатками систем с TDM мультиплексированием следует считать ограниченную скорость передачи и необходимость «размультиплексирования» всей структуры сигнала TDM, если требуется выделить любую, даже малую (вплоть до низкоскоростного потока RS232) его составляющую.
Известны волоконно-оптические системы, позволяющие расширить возможности применения TDM в отношении скоростей и объемов передаваемой информации. Эти способы можно разделить на два направления - смешанное мультиплексирование (WDM + TDM) и использование ультракоротких солитонных импульсов.
i
i
к
В качестве примера способа реализации смешанного мультиплексирования можно привести патент [7], в котором предложен способ символьной передачи данных по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), заключающейся в том, что на передатчике формируют цифровой электрический сигнал (ЦЭС) со скоростью Π бит/с, который разбивают на кластеры, содержащие равные объемы цифровой информации размером K бит, и передают по одной жиле ВОЛС последовательность оптических импульсов длительностью Τ=К/П бит/с с длиной волны λ, соответствующему i-му кластеру, где i=1, 2…n, а n=2. На приемнике усиливают полученный сигнал, подают на оптический демультиплексор, сравнивают уровни приходящих сигналов на каждой длине волны λ, выбирают из них сигнал с максимальным i-м уровнем в течение времени T и i-й кластер преобразовывают в объем K бит, преобразовывают сигнал в электрический. То есть данный способ обеспечивает передачу одного цифрового канала.
Недостатками предложенного способа являются:
- невозможность обеспечения временного мультиплексирования нескольких синхронных цифровых каналов;
- невозможность передачи каналов на дальние расстояния из-за «параллельной» передачи сигналов;
- сложность в реализации из-за сложности алгоритма обработки сигналов.
Известна экспериментальная волоконно-оптическая линия с временным мультиплексированием (TDM), использующая солитонные импульсы [8]. В этой линии было использовано временное мультиплексирование 10-гигабитных каналов, передаваемых посредством солитонов на длине волны 1550 нм.
Недостатком предложенной системы связи является использование для передачи одной длины волны, что значительно ухудшает помехоустойчивость системы, из-за солитоно-солитонного взаимодействия при большом числе мультиплексируемых каналов, а следовательно, не позволяет работать системе на дальние расстояния.
Наиболее близким по техническому решению аналогом предлагаемой системы является оптическая система передачи информации, описанная в [9]. Сущность изобретения заключается в использовании набора волоконно-оптических перестраиваемых линий задержек для формирования из параллельных потоков информации одного агрегатного последовательного потока, причем данные и сигнал синхронизации передаются на разных длинах волн оптического излучения. Для фазовой подстройки синхронизации на приемном конце служит также перестраиваемая волоконно-оптическая линия задержки. Эта система содержит последовательно установленные передающий блок, волоконно-оптический тракт, приемный блок, причем передающий блок содержит входную N-разрядную шину данных для подключения N источников информации, N+1 передающих оптоэлектронных модулей, N волоконно-оптических линий задержки, спектрально-селективный оптический объединитель, устройство синхронизации, приемный блок содержит оптический разветвитель, первый приемный оптоэлектронный модуль, принимающий информационные данные, второй приемный оптоэлектронный модуль, принимающий сигналы синхронизации, устройство формирования синхроимпульсов, выходную N разрядную шину данных.
К недостаткам этой системы следует, по нашему мнению, отнести:
- ограниченные возможности наращивания емкости системы и дальности безрегенерационной передачи, обусловленные пределами укорочения импульсов оптоэлектронных модулей, подверженностью линейного TDM-сигнала нелинейным искажениям, поляризационной модовой дисперсии на трассе;
- передача всех информационных сигналов на одной длине волны;
- неоптимальный конструкторско-технологический подход к реализации предложенной системы, ориентированный не на перспективные модульно-интегральные компоновки блоков, а на объемные волоконные, включая механические узлы подстройки оптических линий задержки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание волоконно-оптической солитонной системы передачи синхронных цифровых каналов, отличающееся от аналогов ориентацией технических решений на наиболее перспективные технологические и компонентные направления, в частности:
- использование генераторов периодической последовательности ультраузких солитонных оптических импульсов;
- группировка функциональных блоков в виде совокупностей интегрально-оптических модульных схем;
- исключение необходимости применения сверхскоростной микро- и оптоэлектроники; быстродействие определяется лишь тактовыми частотами мультиплексируемых каналов;
- возможность вывода/ввода в состав линейного сигнала произвольно выбираемых каналов (или группы каналов) в промежуточных пунктах линии передачи без необходимости временного демультиплексирования линейного сигнала и разработки дополнительных функциональных блоков;
- применение в составе линейного тракта современных средств обеспечения неискаженной передачи солитонов линейного сигнала на протяжении волоконно-оптического тракта передачи TDM-сигнала.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в формуле совокупностью признаков, является повышение помехоустойчивости системы, а также увеличение стабильности работы системы и объема передаваемой информации.
1
м
0
0
c
Указанный технический результат достигается тем, что волоконно-оптическая солитонная система передачи синхронных цифровых каналов, содержащая последовательно установленное оборудование передающего терминала, волоконно-оптический тракт, оборудование приемного терминала, причем оборудование передающего терминала включает входной блок для подключения и преобразования сигналов N синхронных абонентских цифровых каналов, блок оптических излучателей, блок оптических линий задержки, блок сигнала синхронизации системы, блок ввода линейного сигнала в волоконно-оптическую линию, волоконно-оптический тракт включает пролеты линейного световодного волокна и оптические усилители-ретрансляторы линейного сигнала, оборудование приемного терминала включает входной оптический предусилитель, приемный интегрально-оптический модуль, приемный блок синхронизации, блок стыковки приемного оборудования системы с N входами абонентских приемных устройств, отличается тем, что в состав входного блока передающего оборудования входят N фотоприемных устройств, формирующих канальные электрические сигналы управления интегрально-оптическими модуляторами-ключами солитонов, и выделитель тактовой частоты входных цифровых каналов, вход которого соединен с выходом одного из N фотоприемных устройств, а выход соединен с входом блока сигналов синхронизации системы, причем сигналы управления интегрально-оптическими модуляторами-ключами распределяются группами по M канальных потоков символов, где M - число несущих длин волн генерируемых оптических солитонов, в состав блока оптических излучателей входят N/M блоков формирователей групп сигналов, в состав каждого из которых входят генераторы солитонных импульсов, входы которых соединены с блоком сигналов синхронизации системы, причем генераторы солитонных импульсов генерируют группы по M разноцветных солитонов (λ…λ), одновременно излучаемых с тактовой частотой абонентских систем, при этом выход каждого генератора солитонных импульсов соединен со входом своего интегрально-оптического модулятора-ключа, выход каждого из которых соединен со входом соответствующей интегрально-оптической линии задержки, так что в совокупности создается относительный временной сдвиг солитонных импульсов Δτ=T/Ν, где T - тактовый период входных абонентских сигналов, далее выходы интегрально-оптических линий задержки соединены с M входами интегрально-оптического спектрального мультиплексора группы каналов, причем выход каждого из интегрально-оптического спектрального мультиплексора группы каналов соединен со входом соответственной интегрально-оптической линии задержки блока оптических линий задержки, которые создают относительный временной сдвиг между группами каналов, выходы интегрально-оптических линий задержки соединены с N/M входами группового интегрально-оптического сумматора с матрицей передачи Ν/Μ x 1, формирующего групповой N-канальный тактовый TDM-сигнал посредством объединения входных сигналов, причем выход группового интегрально-оптического сумматора с матрицей передачи Ν/Μ x 1 соединен со входом интегрально-оптической линии задержки сдвига Δτ/2, выход которой соединен с первым входом линейного интегрально-оптического сумматора с матрицей передачи 2×1, второй вход которого соединен с выходом генератора синхронизирующих солитонных импульсов, излучающего солитон синхронизации тактового TDM-сигнала с длиной волны λ, причем вход генератора синхронизирующих солитонных импульсов соединен с выходом блока сигнала синхронизации системы, при этом выход линейного интегрально-оптического сумматора с матрицей передачи 2×1 соединен со входом блока ввода линейного сигнала в волоконно-оптическую линию, содержащего последовательно соединенные оптический изолятор и вход оптического бустер-усилителя, выход которого соединен со входом волоконно-оптического тракта, а выход волоконно-оптического тракта соединен со входом входного оптического предусилителя в составе оборудования приемного терминала, выход предусилителя соединен со входом приемного интегрально-оптического модуля, а именно со входом спектрального демультиплексора с матрицей передачи 1xM+1, выходы которого соединены со входами M одинаковых субблоков каскадного временного распределения канальных символов на основе интегрально-оптических ключей, выходы субблоков соединены с канальными входами блока стыковки приемного оборудования системы с N входными портами абонентских приемных устройств, причем выход канала синхронизирующего солитона в спектральном демультиплексоре соединен со входом приемного блока синхронизации, при этом выходы приемного блока синхронизации соединены с управляющими входами интегрально-оптических модуляторов-ключей в составе субблоков каскадного временного распределения канальных символов и со входом синхронизации блока стыковки приемного оборудования системы с N входными портами абонентских приемных устройств.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.
На фиг. 2 представлена структурная схема оборудования передающего терминала.
На фиг. 3 представлена структурная схема блока формирователей групп сигналов.
На фиг. 4 представлена структурная схема оборудования приемного терминала.
На фиг. 5 представлена схема каскадного интегрально-оптического ключа.
На фиг. 6 представлена диаграмма сформированного линейного TDM-сигнала.
На фиг. 7 представлена структурная схема приемного терминала, конкретизированная для рассматриваемого примера.
1
м
0
0
T
c
Сущность изобретения заключается в том, что волоконно-оптическая солитонная система передачи синхронных цифровых каналов содержит последовательно установленное оборудование передающего терминала 1, волоконно-оптический тракт 2, оборудование приемного терминала 3 (фиг. 1). Оборудование передающего терминала 1 (фиг. 2) содержит входной блок 4 для подключения и преобразования сигналов N абонентских синхронных цифровых каналов, который состоит из N фотоприемных устройств 5 и выделителя тактовой частоты входных потоков 6, вход которого соединен с выходом одного из N фотоприемных устройств 5, а выход соединен со входом блока сигналов синхронизации системы 7, причем фотоприемные устройства 5 формируют канальные электрические сигналы управления модуляторами-ключами солитонов 8, входящих в состав N/M блоков формирователей групп сигналов 9 блока оптических излучателей 10, при этом сигналы управления распределяются группами по M канальных потоков символов, где M - число длин волн несущих генерируемых оптических солитонов, в состав каждого из N/M блоков формирователей групп сигналов 9 (фиг. 3) входят генераторы солитонных импульсов 11, входы которых соединены с блоком сигналов синхронизации системы 7, причем генераторы солитонных импульсов 11 генерируют группы по M разноцветных солитонов (λ…λ), одновременно излучаемых с тактовой частотой абонентских систем, при этом выход каждого генератора солитонных импульсов 11 соединен со входом своего интегрально-оптического модулятора-ключа 8, выход каждого из которых соединен со входом соответствующей интегрально-оптической линии задержки 12, так что в совокупности создается относительный временной сдвиг солитонных сигналов Δτ=T/Ν, где T=1/ F - тактовый период входных абонентских сигналов, а выходы интегрально-оптических линий задержки 12 объединяются посредством интегрально-оптического спектрального мультиплексора группы каналов 13 в выходной сигнал группы каналов. Выход каждого из интегрально-оптических мультиплексоров группы каналов 13 соединен с входом соответственной интегрально-оптической линии задержки 12 блока оптических линий задержки 14 (фиг. 2), которые создают относительный временной сдвиг между группами каналов, необходимый для равномерного распределения канальных символов на тактовом интервале, выходы интегрально-оптических линий задержки 12 соединены с N/M входами группового интегрально-оптического сумматора 15 с матрицей передачи Ν/Μ × 1, формирующего групповой N-канальный тактовый TDM-сигнал посредством объединения входных сигналов, причем выход интегрально-оптического сумматора 15 с матрицей передачи Ν/Μ × 1 соединен с входом интегрально-оптической линии задержки на Δτ/2 16, выход которой соединен с первым входом интегрально-оптического сумматора 17 с матрицей передачи 2 × 1, а второй вход сумматора 17 соединен с выходом генератора синхронизирующих солитонных импульсов 18, излучающего солитон синхронизации тактового TDM-сигнала с длиной волны λ, причем вход генератора синхронизирующих солитонных импульсов 18 соединен с выходом блока сигнала синхронизации системы 7. Выход интегрально-оптического сумматора 17 соединен с входом блока ввода линейного сигнала в волоконно-оптическую линию 19, содержащего последовательно соединенные оптический изолятор 20 и вход оптического бустер-усилителя 21, выход которого соединен с входом волоконно-оптического тракта 2. Волоконно-оптический тракт 2 включает пролеты линейного счетоводного волокна с устройствами коррекции параметров солитонов, распространяющихся по тракту, и оптические усилители-ретрансляторы линейного сигнала. Выход волоконно-оптического тракта 2 соединен со входом оптического предусилителя 22 (фиг. 4) в составе оборудования приемного терминала 3, выход оптического предусилителя 22 соединен со входом приемного интегрально-оптического модуля 23, а именно, со входом спектрального демультиплексора 24 с матрицей передачи 1 × М+1, выходы которого соединены со входами M одинаковых субблоков 25 каскадного временного распределения канальных символов на основе интегрально-оптических ключей-коммутаторов 26, выходы субблоков 25 соединены с канальными входами блока стыковки приемного оборудования системы 27 с N входными портами абонентских приемных устройств, причем выход канала синхронизирующего солитона в спектральном демультиплексоре 24 соединен со входом приемного блока синхронизации 28, при этом выходы приемного блока синхронизации 28 соединены с управляющими входами интегрально-оптических ключей-коммутаторов 26 в составе субблоков каскадного временного распределения канальных символов 25 и со входом синхронизации блока стыковки приемного оборудования системы 27.
Волоконно-оптическая солитонная система передачи синхронных цифровых каналов работает следующим образом.
T
0
0
1
Μ
T
2
Μ
0
c
1
Μ
c
Оборудование передающего терминала 1, структурная схема которого представлена на фиг. 2, формирует линейный TDM-сигнал на основе N входных абонентских синхронных цифровых каналов, одновременно подводимых к N портам входного блока 4, в состав этого блока входят N фотоприемных устройств 5, на выходах которых формируются N канальных электрических сигналов управления оптическими модуляторами-ключами солитонов 8 (фиг. 3), а также выделитель тактовой частоты 6, вход которого соединен с выходом одного из фотоприемных устройств 5, так что частота F=1/T (T - тактовый период), выделенная выделителем тактовой частоты 6, является общей для всех входных сигналов и обеспечивает точную синхронизацию работы всех элементов посредством импульсов, вырабатываемых блоком сигналов синхронизации системы 7. Каждый из N канальных электрических сигналов управления оптическими модуляторами-ключами солитонов поступает на управляющий вход своего модулятора-ключа солитонов 8, входящего в блок формирователей групп-каналов 9 (фиг. 3) блока оптических излучателей 10. На вход каждого из модулятора-ключа солитонов поступают солитоны с одного из M «разноцветных» генераторов солитонных импульсов 11, управляемых синхроимпульсами с блока сигнала синхронизации системы 7, и генерирующих синхронные непрерывные последовательности солитонов с различными центральными длинами волн, т.е. λ, …λ с частотой F. Причем здесь и в дальнейшем предполагается, что выполнены условия эквидистантности оптических путей, соединяющих отдельные элементы всех блоков системы, т.е. соединительные линии (на схемах) сами по себе не вносят никаких временных сдвигов. Каждый из модуляторов-ключей солитонов 8 (типа Маха-Цандера) работает в режиме либо пропускания импульса «Эл. канал» от генератора 11 (активная посылка "1"), либо запирания (пауза "0"). С выходных портов модуляторов 8 тактовая комбинация канальных символов поступает на входы интегрально-оптического спектрального мультиплексора 13, в котором и производится формирование группы каналов, причем сигналы с несущими длинами волн λ, … λ последовательно сдвигаются во времени, посредством интегрально-оптических линий задержки 12, на Δτ=T/Ν, в результате чего на выходе спектрального мультиплексора 13 получается цепочка солитонов с интервалами Δτ. Аналогично и одновременно работают все Ν/Μ блоков формирователей групп сигналов 9, причем сигналы с выходов этих блоков поступают на Ν/Μ входы интегрально-оптического сумматора 15 через интегрально-оптические линии задержки 12 (фиг. 2), формирующие временной сдвиг, необходимый для того, чтобы при сложении групп каналов в интегрально-оптическом сумматоре 15 с матрицей Ν/Μ × 1, на выходе сумматора была сформирована равномерная последовательность, цепочка канальных символов, отстоящих друг от друга на Δτ, составляющая групповой Ν-канальный тактовый TDM-сигнал. Далее групповой сигнал задерживается на Δτ/2 с помощью интегрально-оптической линии задержки сдвига16, это необходимо для того, чтобы добавить к групповому сигналу, с опережением на Δτ/2, солитон кадровой синхронизации с отдельной длиной волны λ, который генерируется синхронно с остальными солитонными импульсами генератором 18. Это добавление осуществляется сумматором 17, выходной порт которого, являющийся выходом блока оптических линий задержки 14, соединен со входом блока ввода линейного сигнала в волоконно-оптический тракт 19. Блок 19, содержащий последовательно соединенные оптический изолятор 20 и оптический бустер-усилителя 21, представляет собой каскад усиления солитонов, образующих линейный сигнал, обеспечивающий равенство уровней выходной мощности для всех рабочих длин волн λ, …λ и λ. Сформированный линейный N-канальный TDM-сигнал представлен на фиг. 6. С выхода оптического бустер-усилителя 21 линейный TDM-сигнал поступает в волоконно-оптический тракт 2, который представляет собой комплекс известных устройств, обеспечивающий условия нормальной передачи выходного сигнала на заданное расстояние. Этот комплекс реализуется в виде волоконно-оптического тракта, в состав которого входят: периодическая последовательность оптических усилителей, поддерживающих энергетический потенциал солитонных импульсов, и элементы управления солитонами, причем параметры передаваемых сигналов, параметры оптических усилителей и расстояния между ними, а также характеристики устройств управления солитонами выбирают так, чтобы в волоконно-оптическом тракте на всем расстоянии передачи выполнялись условия распространения солитонов линейного сигнала [10, 11].
1
M
c
1
2
M
c
c
С волоконно-оптического тракта входной линейный TDM-сигнал поступает на оборудование приемного терминала 3 (фиг. 4), а именно, на входной оптический предусилитель 22, в котором этот сигнал усиливается до уровня, достаточного для компенсации всех потерь как на завершающем участке волоконно-оптического тракта, так и в элементах последующего приемного интегрально-оптического модуля 23, причем с сохранением длительности импульсов. С выхода оптического предусилителя 22 сигнал поступает в приемный интегрально-оптический модуль 23, а именно, на вход спектрального демультиплексора 24 с матрицей 1 × M+1, где разделяется на последовательности солитонов с различными длинами волн (λ, …λ и λ), и затем распределяется по волноводным трактам между M одинаковых субблоков каскадного временного распределения канальных символов 25(λ), 25 (λ)…25 (λ) и трактом вывода солитона синхронизации λ. Сигнал синхронизации λ поступает на фотодетектор блока синхронизации приемного 28, в котором формируются сигналы управления интегрально-оптическими ключами-коммутаторами 26 субблоков каскадного временного распределения канальных символов 25 и блока стыковки 27 интерфейса приемного терминала 3. Солитон синхронизации определяет момент начала тактового кадра системы, он запускает схему формирования полутактовых и четвертьтактовых электрических импульсов управления интегрально-оптическими ключами-коммутаторами 26 субблоков 25, и сигнала обнуления буферной памяти кадра в блоке 27. Интегрально-оптические ключи-коммутаторы 26 реализуются по схеме двухкаскадного последовательного соединения интегрально-оптических переключателей Маха-Цандера (фиг. 5).
c
0
0
0
0
i
i
0
0
0
0
c
Рассмотрим работу каждого из субблоков 25. В момент прихода солитона синхронизации λ блок синхронизации приемный 28 генерирует электрические импульсы управления коммутаторами ΜΖΙ-1 (T/2) и ΜΖΙ-2 (T/4) (фиг. 5). В течение первого тактового полупериода импульс подается на ΜΖΙ-1 и отпирает этот ключ-коммутатор для прохождения сигналов с выхода спектрального демультиплексора 24 на верхний (по схеме Фиг. 5) ключ-коммутатор ΜΖΙ-2, на который подается управляющий импульс T/4 в первую половину полупериода T/2, при этом открыт верхний канал ключа-коммутатора ΜΖΙ-2, на выход которого поступают сигналы каналов, передаваемых в течение первой четверти тактового периода системы на волне λ i-го субблока 25 (λ), i=1, …M. В течение второй половины полупериода T/2 управляющий импульс на MZI-2 отсутствует, открыт нижний канал, на выход которого поступают сигналы, передаваемые на этой длине волны на интервале T/4…T/2. В течение второго тактового полупериода на MZI-1 нет управляющего импульса, так что этот ключ-коммутатор теперь открыт для прохождения сигналов с выхода спектрального демультиплексора на нижний ключ-коммутатор MZI-2. В течение третьей четверти тактового интервала на нижний ключ-коммутатор MZI-2 подается управляющий импульс T/4, при этом открыт верхний канал, и на выход поступают сигналы каналов, передаваемых в течение третьей четверти тактового периода системы. В течение четвертой четверти такта управляющий импульс отсутствует, и в нижнем MZI-2 открыт нижний канал, в который поступают сигналы каналов, передаваемых в течение четвертой четверти тактового интервала. Все канальные сигналы в продолжение такта фиксируются в N-канальной буферной памяти блока 27, откуда производится их считывание входными устройствами N абонентских приемников. В момент поступления очередного импульса тактовой синхронизации (от солитона с λ) буферная память обнуляется и производится регистрация в буфере очередного кадра TDM-сигнала. При необходимости, в состав буферной памяти блока 27 может быть введен преобразователь кода RZ/NRZ.
0
T
Покажем работу предлагаемого оборудования на конкретном примере. Имеется N=12 входных синхронных абонентских каналов (трибутариев) STM-64 (скорость 10 Гбит/с), передаваемых с применением помехоустойчивого кодирования FEC (Forward Error Correction), при этом линейная скорость передачи за счет введения избыточности в передаваемые данные повышается до 11,2 Гбит/с, так что длительность тактового интервала T=1/F=89,3 пс.
Требуется сформировать и передать 12-канальный TDM-сигнал, с использованием предлагаемой солитонной системы передачи синхронных цифровых каналов.
При указанных исходных данных для построения системы целесообразно в оборудовании передающего терминала число генераторов солитонных импульсов, генерирующих различные длины волн, принять таким, чтобы число центральных длин волн солитонов M и число генераторов солитонных импульсов в составе блоков формирователей групп каналов (12/М) были близки и при этом выполнялись условия:
- длины волн солитонов находились в среднем участке С-диапазона для удобства применения эрбиевых усилителей (EDFA) в волоконно-оптическом тракте системы в качестве оптических усилителей-ретрансляторов линейного сигнала;
- длины волн солитонов соответствовали сетке стандарта ITU-T G.694.1 для удобства использования стандартных интегрально-оптических мультиплексоров и демультиплексоров типа AWG (Array Waveguide Grating);
сол
0
- длительность солитонных импульсов была τ<<Δτ=T/12=7,44 пс для исключения влияния солитон-солитонного взаимодействия при распространении по волоконно-оптическому тракту линейного TDM-сигнала.
В соответствии с этими требованиями выберем Μ=3, тогда число формирователей групп каналов будет 12/3=4.
Центральные длины волн генераторов солитонных импульсов примем
В качестве генераторов солитонных импульсов 11 предлагается использовать излучатели на основе микрорезонаторов, опубликованные недавно в работах физиков Сколково и МГУ [12], получивших солитоны длительностью ~200 фс (0,2 пс) с использованием волоконного лазера накачки с λ=1553 нм.
Интегрально-оптические элементы, входящие в состав блоков формирователей групп каналов 9, оптических линий задержки 14 (модуляторы-ключи типа Маха-Цандера 8, 26, блока оптические линии задержки 12, 16), волноводные сумматоры 15, 17, интегрально-оптические мультиплексоры/демультиплексоры типа AWG, представляют собой хорошо известные и освоенные в интегральной оптоэлектронике компоненты функциональных схем, хотя для применения в предлагаемом оборудовании они должны изготавливаться специально.
1
2
3
c
Процесс формирования солитонов в генераторах солитонных импульсов 11 с длинами волн (λ, λ, λ), определяемыми лазерами накачки, синхронизируется от блока сигнала синхронизации системы 7. Кроме того, имеется еще генератор 18, генерирующий солитон кадровой синхронизации линейного сигнала на длине волны λ, также соответствующей ITU-T G.694.1. Величины задержки, необходимые для формирования TDM-кадра в нашем примере, составляют, соответственно:
Δτ/2=3,72 пс;
Δτ=7,44 пс;
2Δτ=14,88 пс;
3Δτ=22,32 пс;
6Δτ=44,64 пс;
9Δτ=66,96 пс.
При конструктивно-технологическом выполнении условий эквидистантности соединительных волноводов и заданных значений относительной задержки на выходе сумматора 17 будет сформирован линейный TDM-сигнал, диаграмма которого приведена на Фиг. 6. После усиления в блоке 17 до уровня мощности, обеспечивающего максимальную дальность передачи при сохранении структуры линейного сигнала, последний поступает на вход волоконно-оптического тракта 2. Волоконно-оптический тракт 2, используемый для протяженной передачи солитонного линейного сигнала системы с TDM, строится с учетом не только необходимости поддержки необходимого уровня мощности вдоль трассы передачи, но и других факторов, определяемых спецификой этого вида сигналов.
Что касается перспектив увеличения длины регенерационного участка, то они значительно лучше для солитонных систем, чем для обычных оптических. Об этом можно судить хотя бы по тому, что для синхронных солитонных систем, которые могут работать на сверхдальние расстояния без регенераторов, причем используют только усилители типа EDFA, в 1991-1992 годах была предложена технология одновременного управления солитоном во временной и частотной областях [13]. Эта технология использует два механизма управления:
1. Периодическую синхронную модуляцию (ПСМ) - для управления позицией солитона во временной области;
2. Узкополосный перестраиваемый полосовой фильтр (УППФ) - для управления в частотной области.
ПСМ позволяет не только устранить дрожание фазы солитона, вызванное эффектом Гордона-Хауса, но и значительно уменьшить уровень шума, вызванного спонтанным излучением (ASE).
УППФ, который представляет собой узкополосный следящий фильтр с полосой 0.3-0.4 нм, центральная длина волны которого перестраивается, управляет, в частотной области, контуром стабилизации энергии солитона. Используя эту технологию управления солитоном, удалось на кольце солитонной линии связи длиной 500 км с усилителями типа EDFA, расставленными через каждые 50 км, добиться прохождения 180 млн км полностью без ошибок.
Структурная схема приемного терминала, конкретизированная для рассматриваемого примера, проведена на Фиг. 7. Выходной сигнал с волоконно-оптического тракта подается на вход эрбиевого предусилителя 22, задача которого состоит в обеспечении уровня мощности импульсов TDM-сигнала, необходимого для нормального функционирования блоков 23, 27 и 28. Не обязательно при этом, чтобы активные посылки сохраняли солитонную структуру, достаточно формирования обычных импульсов гауссовской или супергауссовской формы, при сохранении субпикосекундной длительности и условий компенсации потерь в последующих трактах приемного терминала. Усиленный в 22 линейный TDM-сигнал подается на входной порт интегрально-оптического модуля 23, который распределяет тактовую комбинацию символов по всем N каналам. Сначала AWG-демультиплексор 24 с матрицей 1 × 4 разводит спектральные составляющие по индивидуальным трактам для каждой длины волны.
с
i
1
2
3
1
2
3
Импульс синхронизации λ поступает на фотодетектор блока 28 формирователя сигналов управления субблоками 25 (λ) и сигнала синхронизации для блока 27. Остальные, λ, λ и λ, эквидистантно разводятся по «своим» ячейкам. Из диаграммы формирования тактового TDM-кадра (Фиг. 6) легко видеть, что посылки, переданные на λ и направляемые с демультиплексора 24 в тракт верхнего по схеме двухкаскадного коммутатора, будут относиться к абонентским каналам 1, 4, 7 и 10. Они будут направлены к соответствующим выходным канальным портам блока 27 для подключения входных портов абонентских приемников. Распределение остальных посылок данного такта, т.е. на λ и λ, в буферной памяти блока 27 выполняется аналогично. Все принятые в течение каждого тактового интервала канальные символы фиксируются в блоке 27, откуда они считываются абонентскими приемниками, тактовая частота для которых задается блоком 28.
0
STM-64
сол
0
сол
Здесь рассмотрен случай передачи способом TDM двенадцати синхронных каналов STM-64. Представляет интерес провести оценку предельной емкости, которую может иметь система, работающая по предложенной схеме - в предположении, разумеется, что технические проблемы синхронизации и обеспечения устойчивой работы активных компонентов технологически решаемы. В нашем примере T≈89,3 пс (при B=11,2 Гбит/с). При 12 каналах передачи интервал между символами составляет Δτ≈7,44 пс, т.е. скважность при длительности солитонного импульса τ~0,2 пс составляет ~37. Это, конечно же, избыточная скважность. Если принять за условие нормальной работы (пренебрежимый уровень ССВ) скважность, равную 3, то на интервале T≈89,3 пс при τ~0,2 пс можно, в принципе, разместить до 148 канальных символов, т.е. 1,48 Тбит/с. Проблема, правда, при этом состоит в том, что, учитывая уровень мощности, необходимый для существования солитона, средняя плотность энергии при такой плотности каналов (даже с учетом статистики распределения активных посылок и пауз) может быть просто разрушительной для стандартного линейного волокна.
Использование, в отличие от прототипа, субпикосекундных по длительности солитонов, формирующих линейный сигнал, и применение для информационных солитонных сигналов и солитонного сигнала синхронизации чередующихся различных несущих длин волн приводит к уменьшению взаимодействия между оптическими сигналами, тем самым повышается помехоустойчивость системы и создается возможность работы с большими числами мультиплексируемых абонентских каналов N.
Группировка функциональных блоков в виде совокупностей интегрально-оптических модульных схем, в отличие от объемных волоконно-оптических в прототипе, увеличивает стабильность работы системы.
Таким образом, настоящее изобретение полностью реализует поставленную задачу и промышленно применимо.
Литература
1. В.Н. Листвин и В.Н. Трещиков. «DWDM системы». Научное издание М.: Изд. Дом «Наука», 2013, 300 с.
2. О.Е. Наний. Основы технологии спектрального мультиплексирования каналов передачи (WDM) // Lightwave Russian edition, №2, 2004, с 47-52.
3. DWDM efficient transport in long-haul optical networks // www. Transmode.com/en/technologies/wdm/dwdm.
4. ITU-T Rec. G. 692 (10/98) Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers
5. И.А. Буфетов, E.M. Дианов. Оптический разряд в волоконных световодах // Lightwave Russian edition, №4, 2004, с 50-51.
6. Каталог (версия от 08.2008 г.) продукции компании «Русская телефонная компания», Россия, Новосибирск // www.rus-telcom.ru/
7. Патент №2161374, кл. МПК H04B 10/12. A. Некучаев, У. Юсупалиев. «Способ символьной передачи данных по волоконно-оптической линии связи».
8. Н.Н. Слепов. Солитонные сети // «Сети» №03, 1999.
9. Патент №2384955, кл. МПК H04J 14/08, H04B 10/12. В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев «Оптическая система передачи информации».
10. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы // под ред. С.А. Дмитриева, Н.Н. Слепова, Connect, M., 2000, с 376.
11. Патент №2470462, кл. МПК H04B 10/12, G02F 1/35. В.А. Бурдин, К.А. Волков. «Способ управления солитонами волоконно-оптической линии связи».
12. М. Городецкий, Н. Кондратьев и др. Temporal solitons in optical microre-sonators // Nature Photonics, 2013, 7, 343.
13. Основы солитонных линий связи // www.fot-company.ru/articles/book/4-5.html