Для передачи больших потоков информации (1 Гбит/с и выше) по волокну на расстояния до сотен километров и выше требуется решение множества задач. Главными препятствиями на пути построения протяженных сегментов без регенераторов являются: дисперсия распространяемого по волокну оптического сигнала, влияние нелинейных эффектов в мультиплексной оптической линии, вносимые шумы и помехи.
Создание качественно новых типов одномодовых волокон и более совершенных оптических усилителей в последние 5-8 лет, а также улучшение технических характеристик компонентной базы в целом позволило увеличить расстояние и пропускную способность ВОЛС и стало началом масштабного внедрения новых концепций и технологий построения волоконно-оптических сетей на локальном, региональном и глобальном уровнях.
Полностью оптические сети AON (All-optical Networks) представляют класс сетей, в функционировании которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции играют не электронные (оптоэлектронные), а чисто оптические технологии.
Полностью оптические сети претендуют на роль главенствующей сетевой технологии, способной обеспечивать гигантскую полосу пропускания как для сегодняшних, так и завтрашних сетевых информационных приложений. На протяжении последних нескольких лет в этой области ведутся интенсивные исследования, создается более совершенное оборудование (лазеры с перестраиваемой длиной волны, оптические волновые мультиплексоры WDM, широкополосные оптические усилители EDFA, оптические коммутаторы), строятся прототипы архитектур, вырабатываются стандарты. Среди фирм, которые наиболее активно ведут такие исследования, следует выделить: Lucent Technologies, Alcatel, Ericsson, Fujitsu, Hewlett Packard, NEC, NTT, Nortel, Siemens [1-4].
8.1. Основные определения и элементы
Большинство оптических коммуникационных устройств и элементов, применяемых в AON, используют цифровую передачу сигнала с модуляцией интенсивности, при которой бинарной 1 соответствует передача света большой интенсивности, а бинарному 0 — передача света низкой интенсивности. Последнее связано с тем, что оптические усилители EDFA вносят дополнительный шум в усиление оптического сигнала. Ниже приведены основные устройства и элементы, применяемые в AON.
Лазеры и светодиоды. В качестве источников и
злучения могут использоваться светодиоды и лазеры. Светодиоды рассчитаны на больший диаметр сердцевины волокна (многомодовые волокна), а лазеры лучше подходят для передачи сигнала по одномодовому волокну. Типичные значения спектральной полосы излучения составляют для светодиодов от 20 до 100 нм, для многомодовых лазерных диодов от 1 до 5 нм и для одномодовых лазерных диодов менее 0,1 нм. Потребляемая мощность для светодиодов — около 10 мВт, и порядка 1 мВт для лазерных диодов. Выпускаются как недорогие коммерческие pin-фотодиоды на основе InGaAsP, работающие на длине волны 1300 нм и обеспечивающие скорость передачи до 100 Мбит/с, так и специализированные лазеры с распределенной обратной связью (DFB), предназначенные для работы в окне 1550 нм и обеспечивающие скорость передачи до 10 Гбит/с.
Волокно. Наибольшее распространение получили три типа одномодового волокна: одномодовое волокно со ступенчатым профилем (стандартное волокно, standard fiber, SF), волокно со смещенной дисперсией (dispersion shifted fiber, DSF), волокно с ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion shifted fiber, NZDSF), а также два типа градиентного многомодового волокна стандартов 50/125 и 62,5/125. В протяженных магистралях применяются исключительно одномодовые волокна из-за лучших дисперсионных характеристик. Для многоканальной мультиплексной передачи лучше всего подходит волокно типа NZDSF, а наименее удачным оказалось одномодовое волокно DSF.
Использование многомодового волокна ограничено локальными сетями с характерными длинами сегментов до 2 км. В то же время в локальных сетях все чаще начинает использоваться, наряду с многомодовым, и одномодовое волокно, обеспечивающее более высокую полосу пропускания. Это связано с падением стоимости лазерных оптических передатчиков и возрастающим числом сетевых приложений, требующих большой полосы пропускания, которую может обеспечить только одномодовое волокно.
Приемопередатчики. Выпускаются разнообразные приемо-передающие оптоэлектронные модули, предназначенные для сетей FDDI, Fast Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с, частота модуляции 125 МГц), АТМ (STM-1 155Мбит/с, частота модуляции 194 МГц), более быстрые для сетей STM-4 622 Мбит/с (частота модуляции 778 МГц) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, частота модуляции 1250 МГц), и еще более быстрые, предназначенные для передачи каналов STM-16 (2,5 Гбит/с), и, наконец, STM-64 (10 Гбит/с).
Пассивные оптические мультиплексоры/демультиплексоры (см. п. 8.2). В настоящее время выпускается огромное число устройств, от простых мультиплексоров и направленных ответвителей WDM, до сложных устройств, обеспечивающих плотное волновое мультиплексирование/демультиплексирование (DWDM) с числом каналов до 40 и более.
Оптический мультиплексор собирает несколько простых сигналов разных длин волн из нескольких волокон в мультиплексный сигнал, распространяющийся по одному волокну. Демультиплексор выполняет обратную функцию и обеспечивает выделение каналов в отдельные волокна из сложного мультиплексного сигнала, представленного множеством каналов и идущего по одному волокну.
Оптические усилители (см. п. 8.4) требуются в сетях при больших расстояниях между регенераторами. В полностью оптических сетях широкое распространение получили эрбиевые усилители EDFA, использующие лазер накачки с длиной волны 980 нм или 1480 нм. Работая в диапазоне от 1535 до 1560 нм, они могут обеспечивать усиление входного сигнала на 30-38 дБ в зависимости от его длины волны. Усилители EDFA не только заменили дорогостоящие оптоэлектронные системы регенерации оптического сигнала, но обеспечили возможность усиления многоканального WDM сигнала, сокращая число электронных регенераторов на протяженной оптической мультиплексной линии.
Оптические коммутаторы (см. п. 8.5) выполняют в полностью оптических сетях ту же функцию, что и обычные электронные коммутаторы в традиционных сетях, а именно обеспечивают коммутацию каналов или коммутацию пакетов. Наряду с простейшим коммутатором 2х2 в настоящее время начали поставляться коммутаторы с числом портов 4х4, 8х8 и 16х16.
Фильтры предназначены для выделения одного нужного канала из множества мультиплексных каналов, распространяемых в волокне. Поскольку фотоприемники имеют обычно широкую спектральную область чувствительности, то фильтр необходим для того, чтобы подавить (ослабить) соседние каналы. Наряду с фильтрами, предназначенными для работы на определенной длине волны, выпускаются также фильтры с перестраиваемой длиной волны. Функции фильтра может выполнять оптический демультиплексор.
Волновые конвертеры (см. п. 8.6) предназначены для преобразования одной длины волны в другую. Так, если информационный сигнал в подсети 1 был представлен каналом на длине волны, которая уже задействована в другой подсети — подсети 2, то волновой конвертер может преобразовать этот сигнал при переходе из подсети 1 в подсеть 2 на другую свободную в подсети 2 длину волны, обеспечив прозрачную связь между устройствами в разных подсетях.
Общепринятые обозначения элементов полностью оптической сети приведены в табл. 8.1.
8.2. Плотное волновое мультиплексирование
Мультиплексоры DWDM
Мультиплексорам DWDM (в отличии от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:
• использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530-1560 нм);
• малые расстояние Ал, между мультиплексными каналами (3,2 / 1,6 / 0,8 или 0,4 нм). Кроме этого, поскольку мультиплексоры DWDM рассчитаны на работу с большим числом каналов (до 32-х и более), то наряду с устройствами DWDM, в которых мультиплексируются (демультиплексируются) одновременно все каналы, допускаются также новые устройства, не имеющие аналогов в системах WDM и работающие в режиме добавления или вывода одного и более каналов в/из основного мультиплексного потока, представленного большим числом других каналов. Так как выходные порты/полюса демультиплексора закреплены за oп ределенными длинами волн, говорят, что такое устройство осуществляет пассивную маршрутизацию по длинам волн. Из-за малых расстояний между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров DWDM требует значительно большей прецизионности по сравнению с WDM мультиплексорами (использующими обычно окна прозрачности 1310 нм, 1550 нм или дополнительно область длин волн в окрестности 1650 нм). Также важно обеспечить высокие характеристики по ближним (коэффициент направленности) и дальним (изоляция) переходным помехам на полюсах DWDM устройства. Все это приводит к более высокой стоимости DWDM устройств по сравнению WDM.
Типовая схема DWDM мультиплексора с зеркальным отражающим элементом показана на рис. 8.1 а. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод- пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал (p„p„... ) остается представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и, в итоге, световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция — образуются пространственно разнесенные интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности, расположение выходных полюсов, и длины волноводов структуры AWG рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.
Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов пластин (рис. 8.1 б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.
DWDM мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (рис. 8.1 а), работающего в режиме демультиплексирования составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах ( — 20 дБ, и полуширине спектра сигнал 1 нм, (по материалам Oki Electric Industry [5]). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после DWDM мультиплексора.
Пространственное разделение каналов и стандартизация DWDM
Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования бесспорно является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна, уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций ITU-Т утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц (ЛЛ, = 0,8 нм), (табл. 8.2). В то же время дебаты продолжают идти вокруг принятия частотного плана с еще меньшим расстоянием между каналами 50 ГГц ( ЛЛ, = 0,4 нм). Без понимания того, какие ограничения и преимущества имеет каждый частотный план, операторы связи и организации, планирующие наращивание пропускной способности сети, могут столкнуться со значительными трудностями и излишними инвестициями.
Сетка 100 ГГц. В табл. 8.2 показаны сетки частотного плана 100 ГГц с различной степенью разреженности каналов. Все сетки, кроме одной 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче ее наращивать. Реализация той или иной сетки частотного плана во многом зависит от трех основных факторов: типа используемых оптических усилителей (кремниевого или фтор-цирконатного); скорости передачи на канал — 2,4 Гбит/с (STM-16) или 10 Гбит/с (STM-64); влияния нелинейных эффектов, причем все эти факторы сильно взаимосвязаны между собой.
Стандартные усилители EDFA на кремниевом волокне имеют один недостаток —
большую вариацию коэффициента усиления в области ниже 1540 нм (рис. 4.19, гл.
4), что приводит к более низким значениям соотношения сигнал/шум и нелинейности
усиления в этой области. Одинаково нежелательны как сильно низкие, так и сильно
высокие значения коэффициента усиления. С ростом полосы пропускания минимальное
допустимое по стандарту соотношение сигнал/шум возрастает —так, для канала
STM-64 оно на 4-7дБ выше, чем для STM-16. Таким образом, нелинейность
коэффициента усиления кремниевого усилителя EDFA сильней ограничивает размер
зоны для мультиплексных каналов STM-64 (1540-1560 нм), чем для каналов STM-16 и
меньшей емкости (где можно использовать практически всю зону усиления
кремниевого EDFA, несмотря на нелинейность). 
Сетка 50 ГГц.
Более плотный, пока не стандартизированный, частотный план сетки с
интервалом 50 ГГц позволяет эффективней использовать зону 1540-1560 нм, в
которой работают стандартные кремниевые EDFA. Наряду с этим преимуществом есть
и минусы у этой сетки. Во-первых, с уменьшением межканальных интервалов
возрастает влияние эффекта четырехволнового смешивания, что начинает
ограничивать максимальную длину межрегенерационной линии (линии на основе только
оптических усилителей). Во-вторых, малое межканальное расстояние = 0,4 нм может
приводить к ограничениям в возможности мультиплексирования каналов STM-64 (рис.
8.2). Как видно из рисунка, мультиплексирование каналов STM-64 с интервалом 50
ГГц не допустимо, поскольку тогда возникает перекрытие спектров соседних
каналов [7]. Только если имеет место меньшая скорость передачи в расчете на
канал (STM-4 и ниже), перекрытие спектров не возникает. В-третьих, при
интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам и другим
компонентам становятся более жесткими, что снижает число потенциальных
производителей оборудования, а также ведет к увеличению его стоимости.
В настоящее время ведутся работы по созданию надежных фтор-цирконатных усилителей EDFA, обеспечивающих большую линейность (во всей области 1530-1560 нм) коэффициента усиления. С увеличением рабочей области усилителей EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM-64 с интервалом 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на волокно.
Для
справки в табл. 8.3 приведены технические характеристики одной из мощных
мультиплексных систем, использующих частотный план 100/50 ГГц, производства
фирмы Ciena Corp. 
8.3. Применение оптических усилителей EDFA
Развитие технологии оптического усиления на основе EDFA сильно изменило методологию конструирования волоконно-оптических систем связи. Традиционные волоконно-оптические системы используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала (рис. 8.3 а). Когда длина между удаленными узлами начинает превосходить по условиям затухания сигнала максимальную допустимую длину пролета между соседними узлами, в промежуточных точках устанавливаются дополнительные регенераторы. Они принимают слабый сигнал, усиливают его в процессе оптоэлектронного преобразования, восстанавливают скважность, фронты и временные характеристики следования импульсов, и после преобразования в оптическую форму передают дальше правильный усиленный сигнал, в том же виде, в каком он был на выходе предыдущего регенератора. Хотя такие системы регенерации работают хорошо, они являются весьма дорогими и, будучи установленными, не могут наращивать пропускную способность линии.
На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления (рис. 8.3 б). В отличие от регенераторов, такое "прозрачное" усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Усилители EDFA также способны усиливать многоканальный WDM сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.
Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.
В отличие от регенераторов, оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.
Технические параметры усилителей EDFA
Ниже определяются ключевые параметры, характеризующие EDFA: мощность насыщения, коэффициент усиления, мощность усиленного спонтанного излучения и шум-фактор.
Мощность насыщения Р,„„„, (saturation output power) — определяет максимальную выходную мощность усилителя. Большее значение мощности позволяет увеличивать расстояние безретрансляционного участка. Этот параметр варьируется в зависимости от модели оптического усилителя. У мощных EDFA он может превосходить 36 дБм (4 Вт).
Коэффициент усиления О (gain) определяется из соотношения — мощности (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, а логарифми- ческий эквивалент определяется по формуле g =101gG(pБ). Величина коэффициента усиле- ния зависит от входной мощности и стремится к своему максимальному пределу по мере уменьшения мощности входного сигнала. Например, для лазеров EAU-200/350, выпускаемых IRE POLUSE-GROUP, предельное значение коэффициента усиления составляет 42 дБ (табл. 8.4).
Мощность усиленного спонтанного излучения ASE (amplified spontaneous emission). В отсутствии входного сигнала EDFA является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну в активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучением (рис. 8.4). Его мощность формируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное изЛучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом, происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE (рис. 8.4). При подаче на вход мультиплексного сигнала происходит дальнейший отток мощности от ASE в пользу усиливаемых мультиплексных каналов. Обычно усилители работают в режиме насыщения по отношению к сигналу на выходе. Это создает естественное выравнивание уровней сигналов в каналах, что крайне желательно, особенно для протяженных линий с большим числом последовательных усилителей. Если лазер, предшествующий усилителю, генерирует излучение в спектральном окне Лч (bv = — Лл, где с — скорость света), и фильтр в приемном оптоэлектронном модуле пропускает сигнал соответственно в этом же окне, то вклад в мощность шума на выходе благодаря усиленному спонтанному излучению будет равен
Таким образом, оптические линии с каскадом EDFA проявляют себя лучше, когда мультиплексный сигнал представлен более узкими в спектральном отношении отдельными каналами. Использование непосредственно перед приемным оптоэлектронным модулем узкополосных фильтров, настроенных на рабочую длину волны, также помогает уменьшить уровень шума от усиленного спонтанного излучения.
Большие собственные временные постоянные EDFA — постоянная времени перехода в метастабильное состояние -1 мкс, время жизни метастабильного состояния -10 мкс [9] — устраняют кросс-модуляцию ASE в усилителе и делают более стабильной работу каскада оптических усилителей. Мощность усиленного спонтанного излучения связана с коэффициентом усиления формулой [10]
ASE =hv "(G — 1),т) (8-2)
где h — постоянная планка, равная 6,6252 х 10 з4 Вт с, v — частота (Гц), соответствующая длине волны л из диапазона 1530-1560 нм ( v = с/Х, с — скорость света, равная 2,9979 х 10~ м/с), n, — коэффициент спонтанной эмиссии, п — квантовая эффективность. В идеальном случае nД = q =1 при G »1, отнесенная ко входу мощность усиленного спонтанного излучения идеального квантового усилителяАБЕ, G просто равна hv, что при л= 1550 нм составляет 1,28 х 10 Вт/Гц в расчете на спектральную полосу 1 Гц. Размеру окна анализатора в 0,8 нм соответствует спектральное окно в 100 ГГц, что определяет приведенную к входу величину эффективной мощности усиленного спонтанного излучения 1,28 х 10 ~ Вт или — 48,9 дБм).
Шум-фактор NF (noise figure) определяется как отношение сигнал/шум на входе (SNR,Д ) к отношению сигнал/шум на выходе (SNR,Д, ):
Важно отметить, что мощность шума на входе является квантово-ограниченной минимальной величиной и определяется нулевыми флуктуациями вакуума PД =hv Лч. Мощность шума на выходе состоит из суммы мощности усиленного спонтанного излучения ASE „и мощности шума нулевых флуктуаций вакуума, которые проходят через усилитель без изменения: РЕсли учесть, что Р /Р= б, то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и мощность усиленного спонтанного излучения:
(8-4)
Часто при описании EDFA значение шум-фактора указывается в дБ: nf =101gNF. Минимальный шум-фактор равен 1 (О дБ) и достигается при nД/q =1 или при б =1. Это означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму идеального оптического усилителя. На практике сразу на 3 дБ (101g2) необходимо увеличить nf, так как существует два направления поляризации (две моды), в связи с чем nД = 2, а типичные значения составляют
Чем ближе к 1 значение шум-фактора, тем меньше дополнительный шум вносит усилитель. В то же время при использовании каскада из нескольких усилителей полный шум- фактор возрастает. Найдем полный шум-фактор NF двух усилителей, характер
изующихся соответственно усилением Gi и б и шум-факторами Щ и МР . Шум на выходе после двух каскадов записывается в виде
(8-5)
где учтен квантовый шум вакуума, который возникает только на выходе цепочки усилителей, а сигнал на выходе откуда полный шум-фактор равен
Лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками, как и в случае радиочастотных усилителей, состоит в использовании низкошумящего усилителя с 66льшим усилением в первом каскаде и шумящего усилителя высокой мощности во втором каскаде. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя.
Измерение шум-фактора основывается на использовании формулы (8-4), где 6 и ASE определяются экспериментально. На рис. 8.5 показана схема экспериментальной установки [11].
Практическое значение имеет мощность усиленного спонтанного излучения, когда на вход EFDA подается полезный сигнал. Поэтому, измерять ASE следует именно при наличии такого сигнала. Анализатором измеряется мощность в окне hv (например, 100 МГц, 50 МГц или меньше) и приводится к 1 Гц. Поскольку выходной сигнал — линейно поляризован (поляризация его совпадает с поляризацией сигнала на входе от лазера), то поляризатор может полностью устранить эту компоненту полезного сигнала, пропуская шум АЯЕ~ только с нормальной поляризацией, которая измеряется экспериментально (первое измерение). Шум в отличие от полезного сигнала — не поляризован, т. е. ASEn ASE . Полный шум ASE = АЯЕц+АЯЕ~ = 2ASE учитывает вклады от двух нормальных поляризаций. Полезный сигнал вычисляется по формуле. Измерение Р, — полного выходного сигнала — происходит, когда ось поляризатора совпадает с направлением линейной поляризации полезного сигнала (второе измерение). Затем при помощи анализатора непосредственно измеряется мощность сигнала на входе P, то есть сигнал в отсутствии усилителя (третье измерение). Теперь по формуле (8-4) можно определить коэффициент усиления G.
Для примера в табл. 8.4 приведены технические характеристики двух промышленных моделей оптических усилителей EDFA, выпускаемых институтом Радиоэлектроники РАН (г. Фрязино) совместно с зарубежными компаниями IPG Laser, IP Fibre Devices и IPC — группа
IRE-POLUS [12].
Классификация усилителей EDFA по способам применения
В зависимости от применения, различают предварительные усилители, линейные усилители и усилители мощности, (рис. 8.6).
Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и обычно дорогих когерентных оптических приемников.
Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах WDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.
Усилители
мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных
передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня,
который не может быть достигнут на основе лазерного диода. Бустеры могут также
устанавливаться перед оптическим разветвителем, например, при передаче
нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных системах кабельного
телевидения. 
Обозначим удельное затухание в волокне а (дБ/км), тогда полное затухание на длине Ь (км) сегмента между EDFA составляет .Ниже приведены основные соотношения, описы вающие процессы затухания в линии и усиление на EDFA для полезного сигнала и шума:
где введены обозначения Р, Р,М М соответственно для мощности входного и выходного сигнала, а также входного и выходного шума по отношению к усилителю i . Оптические усилители характеризуются определенной мощностью насыщения выходного сигнала Р. Эффективная работа усилителя достигается при таком входном сигнале, когда выходной сигнал сравним с мощностью насыщения (обычно немного превосходит мощность насыщения) — при меньшем уровне входного сигнала возрастает удельный вес постоянной составляющей вносимого шума, а при большем уровне входного сигнала (следовательно, и входного шума) происходит усиление только шума. Таким образом, в идеально сбалансированной линии из каскада усилителей Р,„„, = Р= Р Отсюда аЬ = g . Тогда, приравнивая соотношения (8-10) и (8-11), получаем N, = М +N . Пренебрегая уровнем шумаМ, в выходном сигнале от стартового регенератора, т.е. положив М= О, для отношения сигнал/шум на выходе k-го усилителя находим: влг =101ц(Ри,н/Х,„,Д)=10lg(P /Imp)llE. И окончательно, если мощность сигнала и шума указана в дБм, запишем это соотношение в
виде:
где (дБм), значение hv нужно подставлять в Гц.
Как видно из (8-12), SNR падает с ростом числа каскадов EDFA. Допустимая величина SNR сильно зависит от сетевого/телекоммуникационного стандарта. По этой причине выбор оптических усилителей с теми или иными параметрами, равно как и расчет максимального числа усилителей в межрегенерационной линии и максимальной протяженности сегментов, должны проводиться строго в соответствии с планируемым сетевым приложением. Например, если в мультиплексных каналах одновременно будут использоваться сетевые стандарты: АТМ/STM-1, ATM/$ТМ-4, Gigabit Ethernet, STM-16, то достаточно удовлетворить самому жесткому требованию на SNR, из них, в данном случае, это — STM-16.
В настоящее время налаживается индустриальное производство мультиплексных систем синхронной цифровой иерархии SDH со скоростями передачи на канал 2,5 Гбит/с и 1 0 Гбит/с. В этой связи интересно сравнить два решения одинаковой пропускной способности 80 ГГц на основе систем, мультиплексирующих соответственно 32 канала $ТМ-16 и 8 каналов STM-64.
При одном недостатке — невозможности дальнейшего наращивания — система 32 х STM-16 имеет ряд преимуществ перед системой 8 х STM-64:
• большая протяженность линии;
• более гибкие возможности по наращиванию и наличие разнообразных грибных интерфейсов (1,5/2/6/8/34/45/140 Мбит/с);
• большее разнообразие среди существующих SDH архитектур;
• проще миграция к оптическому уровню.
Протяженность линии
Соотношение
сигнал/шум. В табл. 8.6 приведены основные параметры оптических спецификаций
для стандартов STM-16 и STM-64. Как видно, система STM-64 предъявляет более
высокие требования к соотношению сигнал/шум, превышая на 5-10 дБ этот параметр
для STM-16, что ведет к меньшему допустимому числу усилителей EDFA между
регенераторами $ТМ-64. 
Хроматическая дисперсия. STM-16 допускает значительно большую дисперсию сигнала в линии, чем $ТМ-64, что дает выигрыш как в протяженности сегментов между последовательными оптическими усилителями, так и в общей протяженности линии между регенераторами. Ограничения на длину, возникающие из-за хроматической дисперсии, показаны в табл. 8.7 (для волокон SF и NZDSF взяты значения удельной дисперсии 20 и 5,5 пс/(нм км), соответственно). Благодаря линейности хроматической дисперсии, можно добиться значительного увеличения длин, указанных в таблице, используя вставки фрагментов BQK на основе волокна с компенсирующей дисперсией.
Поляризационная модоаая дисперсия. Проведем оценки влияния PMD на передачу каналов STM-16 и STM-64. В рамках промышденных требований, PMD не должна превышать 1/10битового интервала. Отсюда значения накопленной поляризационной модовой дисперсии не должны превышать 40 пс и 10 пс для линий STM-16 и STM-64 соответственно. Величина PMD по прохождению светом длины L определяется по формуле Т — удельная поляризационная модовая дисперсия. При Т= 0,5 пс/~/км (для волокон NZDSF— TrueWave™ и SMF-LS™, см. табл. 2.7, гл. 2) получаем для линий $ТМ-16 и STM-64 предельные протяженности между регенераторами 6400 км и 400 км соответственно. Первое ограничение так велико, что дело до него не доходит. Заметим, что в отличии от хроматической дисперсии, поляризационная модовая дисперсия не компенсируется. Поэтому уменьшить этот параметр можно только используя новые волокна, например NZDSF — LEAF™, для которого Т( 0,08 пс/~/км . На рис. 8.8 приведены гипотетические архитектуры линий для систем 32 х STM-16 и 8 х $ТМ-64, имеющих одну и ту же полную длину 496 км. Как видно, в случае 32 х STM-16 связь между двумя регенераторами можно построить только на основе линейных оптических усилителей. В случае 8 х STM-64 требуется установить еще два промежуточных регенератора, вдобавок к этому сокращаются длины
сегментов
между усилите
лями
EDFA.
Грибные интерфейсы
Хотя
волокно обеспечивает огромную полосу пропускания, каналы доступа обычно
рассчитаны на меньшую скорость. Терминалы $ТМ-64 разработаны для создания
стержневых магистралей и допускают подключение менее скоростных потоков
синхронной цифровой иерархии только двух типов: STM-4 и STM-16. В случае необходимости
организации доступа по менее скоростным каналам, например на основе STM-1 или
на основе грибных интерфейсов плезиохронной иерархии Е1, Е2, ЕЗ и т. д., наряду
с терминалом STM-64 потребуется дополнительный отдельный сетевой элемент,
который будет связываться с терминалом STM-64 по каналу STM-4 или STM-16. В то
же время сетевые элементы на каналы STM-16 и более низкие допускают реализацию
прямого доступа. 
Существующие архитектуры SDH
Сетевые элементы архитектуры $ТМ-64 пока еще не настолько развиты, чтобы органично дополнить меньший масштаб иерархии STM-16. В Release 1.0 $ТМ-64, в частности не включена такая возможность, как формирование архитектуры с кольцевой топологией. Именно большое разнообразие кольцевых архитектур (от одно-волоконного кольца до 4-волоконного двойного кольца) является одной из наиболее сильных сторон STM-16. Заметим, что использование волнового мультиплексирования позволяет строить смешанные архитектуры на основе кольцевой и линейной топологий в одном и том же волокне.
Release 1.0 STM-64 допускает развертывание исключительно линейных систем.
Миграция к оптическому уровню
Поскольку трудно предсказывать потребности в сетях и в полосе пропускания, то преимущества будут иметь те архитектуры, которые допускают более плавное наращивание своих ресурсов в более широких пределах. Развертывание системы 8 х STM-64 имеет большой шаг в 10 Гбит/с, в то время, как система 32 х STM-16 может наращиваться более плавно с шагом 2,5 Гбит/с. Кроме этого, сегментирование трафика в большее число волновых каналов — WDM-мультиплексирование и последующая их полностью оптическая кросскоммутация, а также ввод-вывод — представляется более простым решением, чем предварительное электронное агрегирование потоков STM-16 в меньшее число потоков STM-64 на терминале SDH.
Оптическая коммутация принципиально отличается от механической коммутации потоков, которая была рассмотрена в п.3.6. При механической коммутации время срабатывания составляет десятки мс (в среднем от 20 до 50 мс). При оптической коммутации время срабатывания определяется переходными процессами в электрической цепи управления оптического коммутатора и обычно на несколько порядков меньше.
Оптический коммутатор — это один из наиболее важных элементов полностью оптической сети, без которого невозможно строить масштабируемые архитектуры. Большинство основых конструкций оптических коммутаторов должно иметь, по крайней мере, два выхода. Основными параметрами коммутатора являются: перекрестные помехи, вносимые помехи, скорость переключения, управляющее напряжение. В настоящее время используются разнообразные типы оптических коммутаторов — направленные ответвители, мостовой балансовый интерферомер и коммутатор на скрещивающихся волноводах. В основе работы оптического коммутатора используется линейный электрооптический эффект Поккельса (Pockels), который заключается в изменении показателя преломления материала пропорционально напряженности приложенного электрического поля. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии.
Устройства мультиплексирования/демультиплексирования WDM, волновые фильтры и оптические коммутаторы имеют одну общую деталь — в основе их работы лежат в той или иной степени интерференционные эффекты. Основные принципы работы легче рассмотреть на простейшем четырехполюснике — разветвителе-коммутаторе.
Разветвитель-коммутатор 2х2 (элемент 2х2) фф~й Я
Общая схема сплавного разветвителя Х-типа показана на рис. 8.9 а. Излучение, введенное в один волновод, проникает в другой за счет перекрытия реактивных полей двух волноводов. Погонный коэффициент связи k зависит от параметров волновода, длины волны л и ширины зазора g между волноводами. Разветвитель характеризуется разностью постоянных распространения двух волноводов Л~З =2л(Х, — N,)/Х, (где N — эффективные показатели преломления) и длиной L. Прикладывая электрическое напряжение к электродам, расположенным по бокам или сверху и снизу волноводов, образующих так называемую ячейку Поккельса, можно регулировать фазовую расстройку за счет линейного электрооптического эффекта.
Далее следует решить систему двух комплексных дифференциальных уравнений, описывающих взаимосвязанные моды [10]:
R и S — комплексные амплитуды волн в двух волноводах, штрих — означает производную по х. В частном случае, когда только в один волновод вводится единичная мощность, т. е. R(0) =1, S(0) = О, можно, решая уравнения (8-13) и (8-14), определить мощность, переданную в другой волновод, т. е. величину S(L), которая также носит название эффективность передачи:
В случае полностью симметричной конструкции на основе двух одинаковых волноводов (рис. 8.9 а) в отсутствии напряжения (5= 0) мы имеем т1 =sin kL. Полная передача мощности происходит при kL = (2n+1)7t/2, где n — целое число, и минимальная длина при этом будет определяться выражением Ь = гт/2k В силу полной линейности и однородности системы уравнений (8-13) и (8-14), любая линейная комбинация двух решений также будет решением. Добавляя свойство симметрии, получаем, что при условиях (5 = 0 и L = z/2k), полная (кроссовая) передача мощности будет иметь место для обоих сигналов, входящих в каждый волновод — сигналы должны быть одной и той же длины волны, а именно той, для которой рассчитывался коэффициент передачи k, и, соответственно, длина участка взаимодействия Ь. За- метим, что при 5 е 0 полная передача мощности невозможна ни при каких значениях И..
Параллельное прохождение (q = 0) можно обеспечить за счет подачи электрического потенциала, вводя фазовую расстройку Ар. Легко определить величину необходимой расстройки Л ГЗл/Ь. В отсутствии напряжения эффективность связи между волноводами коммутатора составляет 100% (оптические сигналы полностью кроссируются — входят в один волновод, выходят из другого), а при подаче необходимого напряжения эффективность связи уменьшается до О. Поскольку уравнения (8-13) и (8-14) линейны по обоим аргументам и однородны, то суперпозиция любых двух, являющихся по отдельности решений, также будет решением. Таким образом, разветвитель-коммутатор 2 х 2 осуществляет коммутацию без блокировки.
Еще одна реализация разветвителя-коммутатора 2X2, состоящая из двух последовательных Х-разветвителей, представлена на рис. 8.10. Оптические сигналы после прохождения по разным плечам интерферируют во втором разветвителе. Путем изменения напряжения на электродах, охватывающих одно из плеч, можно регулировать разность фаз между приходящими во второй разветвитель сигналами и тем самым влиять на характер интерференции.
Наряду с электрооптическим эффектом, для осуществления коммутации также широко используется акустооптический эффект, который рассмотрен в работах [14, 15].
Имеется ряд технических реализаций пространственных коммутаторов 2х 2 на основе полупроводниковых оптических усилителей. Описание таких устройств, а также более сложных производных устройств для создания временных задержек приводится в работах [16, 17].
Оптические коммутаторы пхп
На основе простых оптических разветвителей-коммутаторов 2х 2-элементов — строятся более сложные оптические коммутаторы n x n. Поскольку составные элементы 2x 2 принимают на входные полюсы сигналы одной и той же длины волны, то и весь коммутатор пхп изготавливается для работы с поступающими оптическими сигналами одной и той же заданной длиной волны. Другими важными характеристиками коммутатора, кроме рабочей длины, являются максимальные вносимые потери и поперечные помехи на выходных полюсах. Прежде чем приступать к рассмотрению общих вопросов построения оптических коммутаторовых п и их особенностей, проанализируем работу некоторых простых моделей (рис. 8.11).
Матричный строго неблокирующий коммутатор 4х4 (рис. 8.11 а) с 16 элементами представляет частный случай более общего матричного коммутатора. Заметим, что число элементов между разными парами входных и выходных полюсов может меняться в пределах от минимального (элемент 1.1) до максимального 7 (элементы 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 3.4, 2.4, 1.4). Если учесть, что по прохождению каждого элемента теряется доля мощности полезного сигнала, а также вносится шум, то в заведомо неравном положении оказываются различные пути, с малым и большим числом промежуточных элементов. Соединение между любым входным и выходным полюсом всегда можно установить независимо от того, как скоммутированы оставшиеся пары полюсов, и не влияя на их соединение (свойство строгой неблокируемости коммутатора). Путь соединения однозначно определяется входным и выходным полюсами.
Коммутатор 4х4 (рис. 8.11 б) с 6 элементами представляет перестраиваемый небло- кирующий коммутатор. Хотя число элементов в этом коммутаторе значительно меньше, чем в матричном 4х 4, он позволяет всегда без блокировки установить 4 соединения для заранее заданных пар входных-выходных полюсов (14), (2-j), (З-k), (44), где выходные полюсы (i, j, k, I) представляют любую перестановку (1, 2, 3, 4). Рассмотрим теперь процесс последовательно- го установления пар соединений. Пусть сначала было установлено соединение вх.1-вых.1 (1- 1.1-1.2 -1.3-1), затем соединение между вх.2 и вых.2 — это соединение устанавливается единственным путем (2-1.1-2.2-1.3-2), и, наконец, соединения (4-2.1-2.2-2.3-4) и (3-2.1-1.2- 2.3-3). Пусть далее происходит разрыв соединений вх.1-вых.1 и вх.4-вых.4, т. е. порты вх.1, 4 и вых. 1, 4 становятся свободными (остальные соединения продолжают действовать). И теперь, видно, что установление соединения полюсов вх.1 и вых.4. невозможно из-за блокировки. Блокировку можно снять только путем дополнительной реконструкции уже действующих соединений.
Коммутатор 32Х32 (рис. 8.11 б) с 90 элементами представляет блокирующий коммутатор типа Delta. В этом коммутаторе можно установить соединение между любым входным и выходным полюсами. Однако в случае попытки установления множественных соединений возможны блокировки, которые в принципе невозможно устранить. Например, нельзя одновременно передать сигналы, приходящие на полюсы 1, 2 и выходящие через полюсы 31, 32. Блокировка распространяемых сигналов возникает уже на участке связи между элементами 1.1 и 2.2.
Сведения из теории коммутации и общий анализ некоторых коммутаторов
Элементом 2 x 2 (обозначение Х,, ), будем называть четырехполюсник с двумя входами
а, b и двумя выходами с, d, который может находиться в одном из двух состояний: либо с соединениями а-с, b-d, либо с соединениями а-d, b-с. Коммутатором пхпбудем обозначать граф, узлами которого являются элементы 2х 2, имеющий п входов и п выходов, причем для любого входного и выходного полюсов можно построить соединение, проходящее через соответствующие элементы коммутатора. Обозначим через п и п„соответственно полное число элементов коммутатора и максимальное число элементов на пути между входным и выходным полюсами.
Коммутатор называется строго неблокирующим (strictly non-blockir,g), если для любой свободной пары входных-выходных полюсов (i, k) и при любых предварительно установленных соединениях других пар полюсов всегда можно построить соединение i-k, не перестраивая (не разрывая) уже существующие соединения.
Примером строго неблокирующего коммутатора является матричный коммутатор пхп, у которого
п =n и nД =2n — 1 (рис. 8.12, табл. 8.9). Свойство строгой неблокируемости считается одним из наиболее важных при оптической коммутации. Дело в том, что процедура избежания блокировки путем предварительного помещение в буфер ячейки или кадра, как это делается в традиционных системах электронной коммутации, весьма затруднительна в полностью оптических сетях. Матричными коммутатором пх п легко управлять, например если считать, что в отсутствии напряжения все элементы скроссированы (рис. 8.12), то для установления соединения i-k достаточно подать напряжение на элемент i.k. До тех пор, пока существует это соединение, все элементы в строке i и столбце k за исключением i k будут оставаться без напряжения, независимо от того, как устанавливаются другие соединения. По этим причинам матричный коммутатор пх п представляется одним из наиболее эффективных при создании оптических коммутаторов с небольшим числом портов. Недостатком является сильный рост значений параметров п и п„с возрастанием числа входных полюсов п.
Коммутатор пхп называется блокирующим (blocking), если существует перестановка (iД iД ..., iД ) чисел (1, 2, ..., n), для которой невозможно найти п взаимно неблокированных путей, связывающих входные и выходные полюсы (1,1,), (2,1,), (п,1„). Наиболее известны три альтернативных типа блокирующего коммутатора: Delta DД,, Вапуап (рис. 8.13) [18, 19]. Для коммутатора Delta рекурсивное определение выглядит так:
Анализ коммутаторов Delta, Banyan и Omega показывает, что они имеют одинаковые предельно низкие значения параметров п и п среди блокирующих коммутаторов п х п (табл. 8.9), что обеспечивает им сравнительно низкую себестоимость. Эффективность блокирующих коммутаторов сильно падает с ростом числа входных каналов.
Коммутатор пхп называется перестраиваемым неблокирующим (rearrangeable nonblocking), если для любой заданной перестановки (iД iД ..., iД ) чисел (1, 2, ..., n), всегда можно найти п взаимно неблокированных путей, связывающих входные и выходные полюсы (1,i,), (2,i,), (n,iД ). В общем случае, такие пути получаются сильно взаимосвязанными. При использовании перестраиваемых неблокирующих коммутаторов можно встретиться с ситуацией, когда для того, чтобы удовлетворить очередной приходящий запрос на установку соединения между определенными входными и выходными полюсами, может потребоваться перестройка внутренней структуры других соединений.
Перестраиваемый неблокирующий коммутатор может быть построен путем модернизации рассмотренных блокирующих коммутаторов. Например, коммутатор Вапуап с предшествующим Batcher сортировщиком позволяет устранить блокировки [20]. Такой улучшенный коммутатор (Batcher + Banyan, SД х YД, ) весьма эффективен и широко используется в технологии АТМ, где коммутация осуществляется по идентификационным полям в заголовке ячейки АТМ. Он имеет значительно меньшее число элементов (-nlog,(n ), см. табл. 8.9) по сравнению с матричным коммутатором. Batcher сортировщик не исключает возможность косвенного изменения (перестраивания) существующего маршрута под действием сигналов, поступающих на другие порты. Коммутаторы SД х YД, могут найти широкое применение в полностью оптических сетях с коммутацией пакетов, обрабатывая приходящие пакеты аналогично тому,
как АТМ коммутатор обрабатывает ячейки.
Еще один пример перестраиваемого неблокирующего коммутатора — так называемый Benet коммутатор— показан на рис. 8.14 а. Как видно, он имеет большое сходство с Delta коммутатором, а его рекурсивное определение записывается в виде:
На основе коммутатора В строится строго неблокирующий Cantor коммутатор, (рис. 8.14 б, табл. 8.9), рекурсивное определение которого записывается в виде: К„, = Х, x В„, x Х,. Минимизация параметров п и п„достигается при т = 1og, п.
При больших значениях n — Cantor коммутатор будет иметь преимущество по параметрам п и п, перед матричным коммутатором.
В рамках концепции полностью оптических сетей волновой конвертер осуществляет чисто оптическое преобразование длины волны приходящего сигнала в другую длину волны. Принцип действия такого преобразования, также известного как Х-конверсия, основан на эффектах нелинейного взаимодействия исходного оптического сигнала со специальным сигналом от лазера накачки, в результате чего образуется излучение новой длины волны. Преобразование полностью прозрачно по отношению к частоте модуляции и в отличии от оптоэлектронных преобразований не вносит задержки и способно работать вплоть до очень высоких частот модуляции (10 Убит/с и выше). В перспективе ожидается появление волновых конвертеров, осуществляющих одновременно преобразование длин волн сразу нескольких входящих сигналов, причем в пределах широкого волнового диапазона и малыми вносимыми шумами. Один из методов волновой конверсии основан на использовании ферроэлектрического кристалла, внутри которого создаются условия для нелинейного оптического взаимодействия (рис. 8.15 а). Периодическая структура с чередующейся сменой направлений поляризаций увеличивает эффективность волнового преобразования. При одновременном распростране- нии входного сигнала и сигнала от лазера накачки происходит генерация света на частоте, равной разности частоты волны накачки входного сигнала, т.е. выполняется закон сохранения энергии: 1/Х = 1/Хр — 1/Х .
На
рис. 8.15 б) показан пример экспериментальных профилей мощности входного (Х,
=1536 нм) и выходного (Х, =1545 нм) сигналов при длине волны накачки л = 770
нм, полученных с использование такой периодической структуры. Основные
технические пара- метры системы: мощность лазера накачки 10 мВт; диапазон длин
волн перестраивания лазе- ра накачки — 100 нм; полная длина кристаллической
структуры 10 мм. 
Другое решение реализовано в работе [22]. В качестве нелинейной среды используется волокно с нулевой смещенной дисперсией DSF длиной 2 км. Нелинейный эффект, приводящий к генерирующей новой длине волны, основывается на четырехволновом смешивании, причем закон сохранения энергии записывается в виде: 2/Х =1/Х +1/Х (используются прежние обозначения). Разумеется, наибольшая эффективность достигается в окрестности точки нулевой дисперсии, где значительно возрастает сечение четырехволнового смешива- ния. В связи с этим длину волны лазера накачки следует выбирать как можно ближе к длине волны нулевой дисперсии волокна DSF.
8.7. Классификация полностью оптических сетей
Наращивание емкости. По мере роста объема передаваемой информации по сети рано или поздно возникает задача увеличения емкости сети. Менее трудоемкое наращивание волоконно-оптических сетей происходит либо при помощи замены коммутаторов в центральных узлах на более мощные электронные устройства, рассчитанные на скорость передачи по во- локну до 1 Гбит/с, 2,5 Гбит/с или до 10 Гбит/с и имеющие различные вариации механизма пакетной коммутации ATM/SDH, Gigabit Ethernet и т.д., либо при помощи привлечения ранее не используемых резервных "темных" волокон в проложенных ВОК. Что делать, если больше не осталось темных" волокон? Один из путей — прокладывать новые кабели, но такое реше- ние может оказаться очень дорогим, неудобным и не всегда быстрым. Другой путь — привлечение оптических технологий и построение магистралей на основе технологий полностью оптических сетей AON, что делает возможным значительно повысить экономичность, гибкость и надежность сетей, и, самое главное — значительно увеличить пропускную способность, не переоборудуя существующие кабельные системы.
Категории AON. Все AON можно разбить на три основные категории [23, 29]: сети, использующие многоволновые (мультиплексные) линии связи, сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов (табл. 8.10).
Прозрачные AON. Первые две категории AON имеют одну важную характеристику — про- зрачность сети по отношению к используемому приложению. Главным фактором прозрачной AQN выступает гибкость по отношению к используемым конечными узлами приложениям (АТМ, FDDI, и т.д.). Оптическая прозрачность (передача оптического сигнала в формате приложения — код, частота модуляции) достигается по любому из оптических WDM каналов от узла-источника до узла-назначения без использования оптоэлектронных устройств преобразования сигнала. Сигнальный формат в пределах каждого WDM канала может быть виртуаль- но произвольным, обеспечивая экономичность и гигантский потенциал наращивания. Кроме чисто пассивных компонентов (мультиплексоров, демультиплексоров, ответвителей), прозрачные AON могут содержать активные элементы, такие как, конфигурируемые волновые маршрутизаторы, волновые конвертеры, оптические коммутаторы. Даже если управление этими устройствами электронное, весь путь распространения самого сигнала остается оптическим. Электронный контроль требует меньшей полосы (допустимо под управление выделение специального отдельного канала) и используется, главным образом, для реконфигурирования узлов сети, WDM каналов, изменения структуры потоков, удовлетворяя различным требованиям пользователей.
Оптическое терминальное оборудование в прозрачной AON в наиболее общем случае представляют: перестраиваемые лазерные передатчики (tunable-laser transmitters) и/или neрестраиваемые поворотные фильтры (tunable filters или heterodynes). Два оконечных узла сети могут установить канал связи через такую сеть посредством настройки на определенные две волны (для приема и передачи), которые им предоставляет сетевой контроллер оптического терминала, обработав соответствующий предварительный запрос. После установления соединения магистральный канал становится прозрачным по отношению к используемому приложению.
Допускается более интересная возможность, когда любая группа пользователей может получить соответствующий набор длин волн от прозрачной AON и организовать свою собственную виртуальную сеть. Каждый пользователь в этой сети способен открыть одновременно несколько сессий. Таким образом, прозрачная AON потенциально обладает очень богатыми возможностями объединения пользователей на локальном или глобальном масштабах расстояний.
Простая многоволновая линия связи SMWL
Этот тип сети представляет простейший способ организации архитектуры AON (для простоты указано только одно направление передачи данных, рис. 8.16). Такой канал связи позволяет организовать множество соединений "точка-точка" между однотипными узлами, которые общаются на вполне определенных, предназначенных исключительно для них, длинах волн. Преимуществами данной сети являются: большая полоса пропускания, отводимая на каждую пару взаимодействующих между собой пользователей; высокая надежность связи вследствие гарантированной полосы пропускания (под каждый канал отводится отдельная длина волны); прозрачность каждого канала сети по отношению к выбору сетевого приложения (АТМ, Gigabit Ethernet, SDH/PDH и т.д.) между оконечными узлами. Недостатком является наличие жестко зафиксированных соединений по каналам.
В настоящее время в сетях кабельного телевидения получили большое распространение симплексные многоволновые линии связи, в которых передача ведется только в одном направлении.
Многоволновая линия связи не является полноценной сетью, поскольку не позволяет осуществлять соединения удаленных узлов по принципу "каждый с каждым". Она выполняет исключительно функции транспортной магистрали высокой емкости и подобно магистралям SDH обеспечивает статическое соединение "точка-точка", только с частотным мультиплексированием. Многоволновые линии связи могут находиться в составе более сложных архитектур полностью оптических сетей.
Параметры многоволновых мультиплексных линий связи
Три основные черты магистральной многоволновой линии связи — высокая частота модуляции сигналов в каналах (высокая битовая скорость), высокая плотность мультиплексных каналов и большие расстояния сегментов — заставляют более строго подходить к требованиям по передаче информации. Наиболее важные факторы, ограничивающие технические возможности оптической линии, приведены ниже [24].
Соотношение сигналlшии. Для того, чтобы поддерживать необходимое соотношение сигнал/шум, число последовательных узлов EDFA, включенных в световой путь, должно быть ограничено. Как было показано в п. 8.3, оптические усилители EDFA вносят шум, и при большом числе последовательных соединений могут приводить к значительной деградации сигнала. Моделирование без учета влияния дисперсии сигнала в волокне показывает, что максимум 18 каскадов EDFA может быть установлено между регенераторами при скорости передачи 622 Мбит/с с приемлемым для стандарта STM-4 соотношением сигнал/шум, всего 11 узлов при скорости передачи 2,5 Убит/с с удовлетворительным соотношением сигнал/шум. Реальное число каскадов EDFA из-за дисперсионной деградации сигнала уменьшается примерно в два раза.
П л с п on скания силителей EDFA. Поскольку передаточная характеристика EDFA в рабочей области не плоская даже для фтор-цирконатных EDFA, то разброс в 2 дБ остается при коэффициенте усиления 30 дБ. После 50 каскадов усилений начальная зона в 30 нм сокращается до 10 нм. С этой точки зрения желательно для передачи использовать плотно расположенные волновые каналы (DWDM) и в области наибольшего плато. При передаче мультиплексного сигнала, размещенного в широкой зоне EDFA, в случае большого числа каскадов, могут требоваться специальные эквалайзеры, вносящие затухание на тех длинах волн, соответствующие каналы которых испытывают наибольшее усиление.
Поперечные помехи. Поперечные помехи могут быть как межзонными, так и внутризонными. Межзонные помехи возникают между двумя различными длинами волн и обычно не носят кумулятивный характер, поскольку существует множество фильтров в сети. Для их подавления достаточно поставить соответствующий узкозонный фильтр перед оптическим приемником. Внутризонные помехи значительно сложнее контролировать. Они могут накапливаться, и простым способом их подавить невозможно. Анализ показывает, что чувствительность фильтра должна быть более, чем на 20 дБ ниже для соседней длины волны, чтобы минимизировать эффект внутризонных помех. Внутризонные помехи могут включать когерентные биения. При расчете и создании архитектур полностью оптических сетей следует оценивать вклад от внутризонных помех. Простые фильтры типа Фабри-Перо не имеют достаточно резкой передаточной характеристики, чтобы уменьшить внутризонные поперечные помехи.
Линейная дисперсия волокна. Основным фактором является систематическое накопление хроматической дисперсии в одномодовом волокне, которая для волокна типа NZDSF может достигать 5-6 пс/нм в расчете на 1 км. Полная допустимая величина дисперсии в оптическом сегменте между регенераторами зависит от стандарта.
Нелинейная дисперсия EDFA. Использование оптических усилителей позволяет компенсировать потери мощности в волокне, но это создает дополнительные нелинейности — хвосты в спектральном представлении сигнала (волнового пакета), несущие меньшую мощность испытывают большее усиление по сравнению с центральной частью пакета, приводя к появлению нелинейной дисперсии. Увеличение пролетов между каскадами EDFA, и, соответственно, уменьшение числа самих каскадов, снижает нелинейную дисперсию, но усиление более слабого сигнала приводит к уменьшению соотношения сигнал/шум.
Поляризационная моаовая дисперсия (PMD). Эта дисперсия возникает в волокне из-за неидеальной циркулярности реального волокна. Практически PMD начинает вносить ограничение на длину безрегенерационного участка только при очень большой скорости передачи на канал (10 Убит/с). При этом максимальное значение PMD в линии не должно быть больше 1/10 от битового интервала [25, 26). PMD нелинейно зависит от расстояния по- этому растет медленнее с ростом расстояния.
тим ли ванн е Романовское ассеяние. Этот нелинейный эффект, также известный как спонтанное комбинационное рассеяние, связан с рассеянием света на колебаниях поляризованных молекул волокна. Под действием света большой интенсивности происходит поляризация совершающих тепловые колебания молекул, при этом сам падающий свет испытывает рассеяние, трансформируя часть своей энергии как в традиционный рэлеевский компонент (на частоте падающего света ч ), так и в два боковых нелинейных компонента: стоксовый (на часто и антистоксовый (на частоте #+б), где б — частота колебаний молекул в волокне. Именно два нелинейных компонента приводят к поперечным помехам между каналами в мультиплексном сигнале и, в конечном итоге, к его деградации. Из-за этого, в частности при мощности передатчика 0 дБм и межканальном интервале 4 нм, только 8 каналов можно мультиплек- сировать при протяженности линии 1000 км, и только 4 канала при протяженности 8000 км [27].
Четы ехв лновое смешивание FWM. Природа нелинейного эффекта FWM связана с наличием слабой зависимости показателя преломления волокна от интенсивности распространяемого по нему света, в результате чего из двух волн с частотами ч ч, появляется две новые волны с частотами ч„и v,, причем v,. + v, = vД + v,, как того требует закон сохранения
энергии. При попадании новых волн в спектральные области существующих каналов будут иметь место поперечные помехи между каналами. Влияние поперечных помех из-за FWM увеличивается с приближением хроматической дисперсии к нулю и максимально в окрестно сти точки нулевой дисперсии. Наиболее сильно подвержено влиянию FWM волокно с нулевой смещенной дисперсией DSF — длина волны нулевой дисперсии у этого волокна попадает в рабочую область усиления EDFA.
Итак, технические параметры оптических систем — протяженность сегментов, число мультиплексных каналов в одном волокне, интервалы между каналами, битовая скорость и др. — в большой степени взаимосвязаны между собой и зависят от перечисленных факторов. Для увеличения транспортных свойств следует руководствоваться следующими критериями:
• уменьшать интервалы между каналами (при этом необходимо принимать во внимание, что в волокне DSF сильные поперечные помехи в каналах могут возникать из-за FWM по мере приближении к точке нулевой дисперсии);
• минимизировать число длин волн при протяженных пролетах и большом числе каскадов
EDFA;
• стремиться не делать очень большой мощность вводимого в волокно излучения — в противном случае, все нелинейные эффекты начинают проявляться особенно сильно (новое волокно фирмы Corning LEAF с большим диаметром модового поля MFD позволяет уменьшить влияние нелинейных эффектов при сохранении прежней мощности, вводимой в волокно, поскольку интенсивность излучения на единицу площади сечения сердцевины уменьшается;
• использовать оптические усилители с большой мощностью насыщения;
• по возможности, уменьшать число оптических компонентов, вносящих потери.
8.8. AON с коммутацией каналов
Две первые подкатегории AON с коммутаций каналов (широковещательные сети и сети с пассивной волновой маршрутизацией) представляют собой пассивные сети PON (passive optical network). PON — это AON, использующая только пассивные оптические компоненты: волокна, направленные ответвители, разветвители, волновые мультиплексоры, и фильтры. Особенностью PON является низкая цена, низкие затраты на поддержку или полное ее отсутствие, а основные сферы приложения — это "волокно-в-дом" (fiber-to-the-home) или волокно-покругу" (fiber-in-the-loop). Таким образом, экономичность и низкие затраты на поддержание сети (философия the "bury it and forget it") — главные цели такой сети, даже при понижении ее производительности. При построении PON не исключается частичная, в основном для преодоления больших расстояний, возможность использования оптических усилителей EFDA, хотя последние и не являются чисто пассивными компонентам
Широковещательная AON
Каждому удаленному узлу широковещательной AON обычно приписывается определенная длина волны, на которой узел ведет передачу. Сигналы со всех удаленных узлов собираются в оптическом звездообразном разветвителе, где они смешиваются и распределяются по выходным полюсам в волокна, идущие обратно к удаленным узлам, каждый узел получает мультиплексный сигнал, представленный всеми длинами волн, рис. 8.17.
Примечательно, что в качестве центральных элементов сети используются один или несколько звездообразных разветвителей, не имеющих избирательной функции по длинам волн, как WDM. Каждый удаленный узел сам определяет, канал какой длины волны из принимаемого мультиплексного потока выбрать. В качестве приемного элемента может служить либо перестраиваемый в соответствии с протоколом управления фильтр с одним фотоприемником, либо демультиплексор WDM с множеством фотоприемников, подключенных к выходным полюсам.
Два проекта-прототипа широковещательных вычислительной AON реализованы фирмой IBM: Rainbow-1 (1991 год) и Rainbow-2 (1995 год) [28].
Архитектура Rainbow-1 — охватывает 32 удаленных станции типа IBM PS/2. Электронные и оптические сетевые элементы встроены в две стандартные Micro Channel карты.
Основные характеристики:
• каждая станция оснащена передатчиком фиксированной длины волны и приемником с перестраиваемой длиной волны;
• передаваемые длины волн лежат в диапазоне от 1505 нм до 1545 нм;
• оптоэлектронному приемнику предшествует фильтр Фабри-Перо с перестраиваемым диапазоном 50 нм. Скорость перестройки длины волны 10 мкс/нм, что соответствует среднему времени настройки на нужный канал 250 мкс;
• скорость передачи данных 200 Мбит/с по стандартному одномодовому волокну
SF 8/125.
Принцип работы:
• Если станция А хочет передать информацию станции В, она поступает следующим образом:
1. Начинает передавать запрос на разрешение передачи для станции В. Это — повторяющаяся последовательность коротких сообщений и сигнала синхронизации на длине волны Х„.
2. Перестраивает свой приемник на длину волны л, станции В.
• Если станция В занята в это время (например, принимает данные от третьей станции), то станция А будет продолжать посылать запросы на разрешение передачи для станции
В.
• Если станция В свободна, она последовательно по циклу сканирует весь диапазон длин волн, проверяя наличие запросов от других станций, предназначенных ей.
• Когда станция В обнаруживает адресованный ей запрос (в данном случае запрос от станции А), она фиксирует свой перестраиваемый фильтр на длине волны Л этого запроса, и сразу же посылает подтверждение станции А. Это происходит быстро, так как станция В всегда передает на фиксированной длине волны Хв, а станция А уже настроила свой приемник на эту длину волны.
• После этого обе станции могут свободно обменив
аться данными, до тех пор, пока они не решат разорвать соединение.
Архитектура Rainbow-2 — представляет прототип широковещательной полностью опти- ческой сети следующего поколения по отношению к Rainbow-1. Хотя принципы построения сети остались прежние, практические возможности архитектуры Rainbow-2 сильно возросли:
• Rainbow-1 — это сеть, ориентированная на взаимодействие рабочих станций в пределах ЛВС. Rainbow-2 предназначена для взаимодействия суперкомпьютеров и организации быстрого доступа к ним;
• если Rainbow-1 базировалась на установленных в PS/2 специальных адаптерах Micro Channel, то Rainbow-2 использует внешние модули, которые наделены рядом функций для разгрузки процессоров хост-компьютеров;
• в Rainbow-2 возросла скорость передачи данных до 1 Убит/с в расчете на станцию при длинах оптических сегментов до 15 км и прежнем числе рабочих станций до 32.
Допустима альтернативная архитектура широковещательной AON, в которой узлу разрешено принимать сигнал только на одной фиксированной, предназначенной только для этого узла, длине волны, а передавать на разных длинах волн, используя перестраиваемый ла зер [29]. Общий протокол работы такой сети будет схож с протоколом случайного доступа САМА.
Поскольку центральной узел широковещательной AON и все оптические сегменты являются чисто пассивными элементами, такая сеть имеет очень высокую надежность.
В то же время, широковещательную AON невозможно использовать в качестве магистралей для глобальных сетей по двум проблемам. Во-первых, энергия передатчика от каждого узла распределяется между всеми остальными узлами, в результате чего большая доля энергии тратится при разветвлении вхолостую. Эту проблему можно решить привлечением оптических усилителей, хотя при этом снижается надежность. Во-вторых, каждый узел широковещательной AON требует индивидуальной длины волны, так что полное число узлов в сети ограничивается максимальным числом каналов, которые можно мультиплексировать в одно волокно. Теоретический предел числа различных длин волн, которые можно мультиплексировать в отдельное волокно с использованием техники плотного волнового мультиплексирования DWDM составляет порядка 200. Далее, если даже допустить, что для передачи используется 20 волокон, то можно объединить порядка 4000 узлов, что катастрофически мало для построения единой информационной магистрали на Земле. Принципиальная невозможность построения масштабируемых архитектур широковещательных сетей ограничивает их сферу применения локальным масштабом.
AON с пассивной волновой маршрутизацией
Частично обе проблемы могут быть решены на основе AON с пассивной волновой маршрутизацией, рис. 8.18. В такой сети сигнал определенной длины волны может перенаправляться (статически маршрутизироваться) в узел назначения через последовательность промежуточных узлов вместо того, чтобы широковещательно распределяться между всеми оконечными узлами сети. Это позволяет экономить энергию оптического сигнала из-за отсутствия разветвителей и допускает одновременное использование сигналов, представленных одной и той же длиной волны в разных неперекрывающихся частях сети.
Промежуточными узлами сети с пассивной волновой маршрутизацией являются статические маршрутизаторы, выполненные преимущественно на основе WDM мультиплексоров.
AON с активной волновой маршрутизацией
Дальнейшее наращивание сети связано с переходом от статической к динамической маршрутизации. Маршрутизация на узлах становится активной и допускает дистанционное конфигурирование. Динамическая маршрутизация, прежде всего, предполагает использование оптических коммутаторов.
На рис. 8.19
показан пример многоуровневой архитектуры сети AON с коммутацией каналов, в
которой на уровне групп реализована широковещательная AON, не выходящая за
пределы группы (для этой цели выделяются определенные длины волн, в разных
группах локально можно использовать один и тот же набор длин волн), на более
высоком уровне (уров- нях) реализуется сеть с динамической волновой
маршрутизацией. 
Волновая конверсия. Безусловно, динамическая маршрутизация в AON с коммутацией каналов предоставляет большую гибкость. Однако для достижения максимума масштабируемости, наряду с активной волновой маршрутизацией, должна быть реализована волновая конверсия, которая позволяет установить соединение между волновыми каналами, представленными разными длинами волн. Волновая конверсия также позволяет наиболее эффективно использовать предоставленное ограниченное число волновых каналов. Здесь можно провести аналогию с технологией ATIVI, где допускается одновременное использование разными АТМ- коммутаторами одних и тех же значений идентификаторов виртуальных каналов VCI (Virtual Circuit Identifier).
Преимущество волновой конверсии можно продемонстрировать на упрощенном примере сети, в которой мультиплексные сигналы в каждом волокне представлены максимум двумя каналами, рис. 8.20. Будем считать, что все оконечные узлы (станции) могут передавать или принимать сигналы на любой из двух длин волн, а маршрутизаторы, не меняя длины волны, могут по требованию перенаправлять канал в любом доступном направлении с одним условием, что при этом не возникает блокировки в выходном сегменте.
Первый этап (рис. 8.20 б). Станция А начинает вести передачу для станции Е (на длине волны Х,). Далее передачу начинает станция D для станции Н. Длина волны этой передачи может быть только Х, так как в сегменте S, канал с длиной волны Х, уже представлен.
Второй этап (рис. 8.20 б). Стартуют передачи от В к С и от F к G. Длины волн этих пе- редач определяются однозначно.
Третий этап (рис. 8.20 в). Прекращаются передачи от А к Е и от D к Н, после чего стан- ция А желает передавать для станции Н. Без волновой маршрутизации, т. е. используя только одно длину волны (Х, или л,), это сделать невозможно, не возмущая другие передачи — возникает блокировка либо на участке S,, либо на S,. Если же допускается общее реконфигурирование, то можно предварительно перестроить длину волны передачи между F и G c Х, на 1,, после чего начать передачу от А к Н на длине волны Х, (сравните с перестраиваемыми неблокирующими коммутаторами, п. 8.5). Однако перестраиваться с одной длины вол- ны на другую во время передачи весьма неудобно — при непрерывном потоке данных это может вести к потере информации.
Волновой
конвертер предоставляет значительно более гибкое решение, рис. 8.20 г . 
Пример сети с центральным узлом на основе волновых конвертеров показан на рис. 8.22. Каждый узел передает сигнал на фиксированной длине волны, а также принимает сигнал на фиксированной, индивидуальной (установленной для данного узла) длине волны. Выбор длины волны передачи удаленной станции — не принципиален. Так, в частности, все станции могут передавать на одной и той же длине волны. Центральный узел коммутации принимает оптические сигналы от всех удаленных узлов и конвертирует их в сигналы других длин волн в соответствии с инструкциями от управляющего компьютера. Звездообразный комбайнер-разветвитель смешивает сигналы разных длин волн и распределяет по всем вы- ходным полюсам.
Логическому соединению между двумя удаленными узлами предшествует настройка соответствующих волновых конвертеров. Если узел С желает передать сообщение для узла А, то выполняется следующая последовательность действий:
• узел С размещает специальный запрос для разрешения передачи для узла А, который обрабатывается управляющим компьютером;
• если узел назначения (А) свободен, управляющий компьютер обменивается сообщениями с этим узлом, получая подтверждение о том, что узел А готов установить соединение;
• если все в порядке, управляющий компьютер сообщает узлу С, что будет установлено соединение с узлом А;
• управляющий компьютер устанавливает соединение между узлами А и С.
Главный недостаток этого подхода — относительно длительный процесс установления соединения. В этом смысле, время установления соединения в ранее рассмотренных прототипах сетей Rainbow-1/2, связанное с перестройкой фильтра, значительно меньше. В то же время, приведенный пример сети с центральным элементом, имеет несколько сильных сторон:
• очень простой централизованный контроль. Нет проблемы, связанной с разрешением коллизий;
• возможно использование одной и той же реперной частоты для всех передатчиков, что означает потенциальную допустимость более плотной упаковки волновых каналов; хотя в некоторых случаях приемникам может и понадобиться стабилизация;
•
главное преимущество рассмотренной централизованной сети в том, что она
(при очень больших скоростях передачи — 1 Гбит/с и более) должна быть
значительно ниже по цене, чем сеть с чисто электронным коммутатором в
центральном узле. 
8.9. AON с коммутацией пакетов
Рассмотренные в предыдущем параграфе полностью оптические сети с коммутацией каналов позволяют строить оптические магистрали, прозрачные к использованию любых приложений со стороны оконечных сетевых узлов. Но наряду с этим достоинством, отмечается и один их недостаток — сети с коммутацией каналов не могут работать с "взрывным трафиком™ от локальных сетей передачи данных. В этой связи внедрение полностью оптических сетей с коммутацией пакетов было бы идеальным, поскольку они позволяют значительно эффективней использовать отведенную полосу пропускания волоконно-оптических каналов связи. Особенности AON с коммутацией пакетов
• Коммутация пакетов в AON представляет совершенно новое направление развития сетей. Это означает, что должны быть разработаны совершенно новые схемы маршрутизации, новые архитектуры, ориентированные на технологию AON.
• Все схемы маршрутизации оптических потоков должны быть единообразны для всей AON с коммутацией пакетов. Это требование для сетей с коммутацией каналов было более мягким и ограничивалось, в основном, только наличием единого частотного плана.
• В технологиях полностью оптических сетей одной из сложных задач считается создание оптических буферов. Поэтому предпочтение будет отдаваться оптическим пакетным коммутаторам, использующим технологию коммутации без буферизации (cut through).
• Новые архитектуры должны учитывать специфические особенности каждого оптического домена, чтобы выгодно использовать их для упрощения конструкции.
Далее рассмотрены два метода пакетной коммутации в AON: последовательная битовая и параллельная битовая коммутация пакетов.
Сеть с последовательной битовой коммутацией
Оптическая последовательная битовая коммутация BSPS (bit-sequential packet switching) — это метод прямого управления электроникой коммутационных элементов, в отличии от методов, используемых в сетях с коммутацией каналов. При использовании BSPS заголовок пакета в канале взятой длины волны кодируется последовательностью из р бинарных битов (битовая 1 определяется наличием оптического сигнал, а битовый 0 — его отсутствием). Эти биты устанавливают коммутатор в надлежащее состояние, позволяя следующему за заголов- ком телу пакета свободно идти через коммутатор к соответствующему выходному полюсу. Поскольку коммутатор прозрачен к телу пакета, то такая сеть сохраняет название полностью оптической сети. Для заголовка из р битов существует 2 различных адресов узлов сети. Волновое мультиплексирование позволяет значительно увеличить передающую емкость, но приводит к дополнительному усложнению. Прежде, чем выполнить пакетную коммутацию каналов, необходимо предварительно демультиплексировать сложный сигнал, а на выходе коммутаторов — повторно мультиплексировать соответствующие выходные симплексные каналы.
Самомаршрутизирующаяся сеть с волновой адресацией SWANET (Self-routed Wave- length-Addressable NETwork) является улучшением бинарной BSPS архитектуры [30]. SWANET использует преимущества BSPS и WDM, в результате чего значительно увеличивается допус- тимое число различных адресов, устанавливаемых битами заголовков пакетов (рис. 8.23). SWANET имеет аналогичную BSPS структуру пакета. Заголовок, за которым следует поле данных, кодируется последовательностью из р битов, охватывая сразу несколько волновых каналов. Заголовок и поле данных используют один и тот же набор длин волн. Если число длин волн k, то каждый бит заголовка представляется единицей (есть сигнал) на одной из длин волн, в то время как на остальных k — 1 каналах сигнала в это время нет. Таким образом, полное число различных конфигураций заголовка (максимальное число оконечных узлов сети) составляет И. Для требуемой коммутации всего мультиплексного канала коммутатор устанавливает биты заголовка в соответствующее состояние. Завершение передачи пакета происходит посредством передачи сигнала "Сброс" на специальной длине волны, выделенной исключительно для этой цели. Поскольку сеть прозрачна по отношению к формату поля дан- ных, то это поле может охватывать как одну интегрированную многоволновую передачу, так и множество не связанных между собой передач по индивидуальным каналам. В первом случае необходима синхронизация между полями данных различных каналов, во втором — такая син хронизация необязательна. Ограничением SWANET являются дисперсия и поперечные поме- хи.
Сеть с параллельной битовой коммутацией
Две различные техники кодирования предложены для реализации сетей с параллельной битовой коммутацией BPPS (bit-parallel packet switching): техника мультиплексирования поднесущих SCM (sub-carrier multiplexing) и техника многоволновой BPPS. Обе техники используют отдельные каналы в одном и том же волокне для передачи данных и собственно заголовка, на основании которого происходит переключение состояний коммутаторов. Заголовок пакета передается теперь не последовательно, когда он предшествовал передаче поля данных пакета, а параллельно с данными, что позволяет увеличить пропускную способность.
В технике SCM данные и заголовок кодируются как две различные поднесущие оптиче- ского носителя и далее передаются одновременно (рис. 8.24 а). SCM позволяет эффективно использовать имеющийся спектр за счет ограничений битовой скорости, которая должна быть меньше, чем частота поднесущей. Таким образом, техника SCM полезна когда весь спектр сигнала данных ограничен, т. е. битовая скорость данных не очень высока.
SCM имеет ряд ограничений применительно к полностью оптическим сетям. Главное из них связано с невозможностью избежать сложных электронных преобразований поднесущих заголовка и данных в коммутаторе, так как перед началом коммутации данные и заголовок должны быть демультиплексированы. Второе ограничение связано с характером распространения сложного сигнала по волокну. Поскольку заголовок и данные мультиплексированы в канал одной и той же несущей частоты, то передатчик, имеющий ограниченные ресурсы, должен обеспечить достаточную мощность для каждого сигнала, что уменьшает мощность сигналов по отдельности.
Модификацией SCM является метод, при котором данные передаются на основном носителе, а заголовок мультиплексируется на поднесущую. В этой технике частота поднесущей не ограничивает битовую скорость передачи данных. Поскольку заголовок не требует высокой битовой скорости передачи, то для него предельное соотношение сигнал/шум может быть значи- тельно ниже, что допускает без ущерба большее затухание сигнала в волоконно-оптической линии. Данный метод демонстрировался для скорости передачи данных 2,5 Гбит/с и для заголовка 40 Мбит/с, который мультиплексировался на поднесущую шириной 3 ГГц [31].
Многоволновая параллельная битовая коммутация — это техника кодирования, пр
и которой для данных и для заголовка приписываются различные наборы длин волн [32]. В отличие от традиционного волнового мультиплексирования, где каждый пакет связан с определенной длиной волны, в этой технике пакет (как и заголовок) связывается с несколькими длинами волн (рис. 8.24 6).
Ряд особенностей делают эту технику более предпочтительной по сравнению с SCM для использования в полностью оптических сетях. Во-первых, простая оптическая фильтрация волновых каналов выполняется легче, чем радиочастотное выделение поднесущих. Во- вторых, можно выполнить кодирование заголовка, так что заголовок будет распознаваться коммутатором, а коммутация будет происходить на пакетных скоростях вместо скоростей данных. И, наконец, поскольку отдельные источники излучения используются для каждой длины волны, то не возникает проблемы, связанной с потерей мощности.
Полностью оптические сети могут строиться на любом масштабе: от локального, например объединяя парк суперкомпьютеров, до глобального, где в перспективе они, безусловно, займут место главных магистралей. Общая структура глобальной информационной сети может быть весьма разнообразной, столь же разнообразной, как и число различных приложений, которые в ней используются [2]. Положение оптического уровня или уровня полностью оптической сети в контексте архитектуры глобальной сети показано на рис. 8.25. В самом оптическом уровне, который, в общем случае, имеет иерархическую структуру, выделяют три подуровня Уровень-О, Уровень-1 и Уровень-2 (рис. 8.26).
Оптический терминал ОТ — это узел сети, на котором завершаются владения AQN. Н этом узле поступающие сигналы стандартных приложений преобразуются в форму, предна значенную для обработки промежуточными узлами полностью оптической сети. На этом yam еще допускаются оптоэлектронные преобразования.
Пример 1 работы ОТ: приходящий электрический сигнал 100Base-ТХ дуплексного кана ла Fast Ethernet преобразуется в оптический сигнал на определенной длине волны из окн1,55 мкм.
Пример 2: на оптический терминал поступает несколько оптических сигналов AT[I (622 Мбит/с) по многомодовому волокну на длине волны 1,33 мкм, которые преобразуются 1 гребенку разных длин волн в соответствии с частотным планом.
Оптический терминал должен оснащаться узкополосными лазерами. В него могут быт интегрированы другие элементы полностью оптической сети, например, перестраиваемый оптические фильтры, системы волнового мультиплексирования и др.
Уровень-О. Этот уровень определяет пассивную широковещательную AON локальног( масштаба с небольшим (до нескольких десятков) числом оконечных узлов сети. Характерными элементами, организующими сеть этого уровня являются оптические комбайне ры/разветвители, фильтры. Элементы сети Уровня-0 напрямую взаимодействуют с оптическими терминалами, и с элементами сети Уровня-1, если таковые имеются. Примером служить сеа Rainbow-1. Вариант подключения элементов сети в пределах
Уровня-0 показан на рис. 8.27. 
Уровень-1. Этот уровень определяет AON с пассивной волновой маршрутизацией. Характерными элементами этого уровня являются устройства волнового мультиплексирования и демультиплексирования. Вариант подключения элементов сети в пределах Уровня-1 показан на рис. 8.28.
Уровень-2. Этот уровень определяет AON, допускающую активную волновую маршрути- зацию. Характерными элементами этого уровня являются устройства волнового мультиплексирования и демультиплексирования, волновые конвертеры и оптические коммутаторы. Коммутация может происходить либо на основе чтения заголовков пакетов (AON с коммутацией пакетов), либо на основе внешнего управления (AON с активной коммутацией каналов). Только на основе узлов Уровня-2 можно строить масштабируемые полностью оптические сети глобального масштаба. Обобщенный вариант подключения элементов сети в пределах Уровня-2 показан на рис. 8.29. Разберем работу узла Уровня-2.
Оптический сигнал в каждом входном канале (одно волокно) представлен в виде множества различных длин волн Х„Х„... — один и тот же набор длин волн используется для всех входных и выходных каналов. Волновой демультиплексор (WDM DEMUX) выделяет сигналы на разной длине волны, приходящие от одного канала, и направляет их в отдельные волокна. Оптические сигналы от разных демультиплексоров одной и той же длины волны попадают на входные порты-полюсы оптической коммутационной матрицы (или коммутатора), соответствующей этой длине волны — ранее было показано, что коммутацию легче проводить среди сигналов одной и той же длины волны. Коммутаторы выполняют функцию диспетчеров, перенаправляя потоки на разные выходные порты по задаваемой схеме и сохраняя несущую длину волны. Если информационный сигнал приходит на узел на одной длине волны, а должен покинуть этот узел на другой длине волны, следует использовать волновые конвертеры.
Дополнительный элемент, который может входить в состав каждого из рассмотренных трех уровней — это оптический усилитель EDFA.
8.11. Прототипы и коммерческие реализации AON
В настоящее время исследовательские работы, а также работы по реализации проектов оптических сетей ведутся многими производителями сетевого и телекоммуникационного оборудования, из которых следует выделить: IBM, консорциум AON (All-Optical Networking), объединяющий ATILT, DEC, MIT Campus, MIT Lincoln Lab (США); группу компаний ACTS Photonic Technologies Area, объединяющую Alcatel Alsthom Recherche, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, France Telecom-(CNET), Royal Institute of Technology, University College of London, University of Athens, University of Ghent, University of Ulm, Ericsson, Siemens (Европа), групп; компаний Oki R8 D Group и др.
врем Перечислим крупные международные проекты сетей AON, реализующиеся в настоящее я [18, 29]:
Проект VERTICAL (VERtical cavity laser Technology for InterConnection and AccessLinks), целью которого является разработка длинноволновых 1,3 / 1,55 мкм лазеров с вертикальной полостью поверхностного излучения, работающих при комнатной температуре на основе оптимизации электрических и термических свойств структуры.
Проект WOTAN (Wavelength-agile Optical Transport and Access Network), цель которого состоит в том, чтобы обеспечить соединения по принципу "точка-точка" на основе применения скоростных коммуникационных систем связи для нужд общественных телекоммуникационных сетей. За счет большого количества близко расположенных волновых каналов предполагается значительно увеличить пропускную способность сети и повысить гибкость управления ею.
Проект BROADBAND (Broadband Loop), цель которого — проведение испытаний концепций недорогих широкополосных сетей абонентского доступа с доведением волокна в локальный узел по мере роста потребностей в полосе пропускания. Проект PLATO (Photonic Links in Atm and Optical systems).
Проект KEOPS (KEys to Optical Packet Switching), главной целью которого является анализ и достижение высоких скоростей переключения при пакетной коммутации в пределах полностью оптической сети связи.
Проект UPGRADE (High Bitrate 1300nm Upgrade of the European Standard Single-Mode Fi- bre Network).
Проект PHOTOS (PHOtosensitive Technology for Optical Systems).
Проект САР!ТА1 (Customer Access Photonics and Integrated Technology for Active Low cost Devices).
Проект PLANET (Photonic Local Access NETwork).
Проект MIDAS (Multigigabit Interconnection and Advanced techniques).
Проект HORIZON (Horizontal action transport networks).
Проект FAST (Fluoroaluminate Amplifiers for Second Telecom window).
Проект ESTHER (Exploitation of Soliton Transmission Highways for European Ring). Проект BLISS (Broadband Lightwave Sources and Systems).
Проект OPEN (Optical Pan-European Network) разрабатывает концепцию Пан- Европейской сети, в которой крупнейшие европейские города соединяются волоконно- оптическими линиями связи со сверхвысокой пропускной способностью. Сеть использует методы спектрального разделения и позволяет осуществить гибкую взаимосвязь европейских национальных сетей. К главным целям относятся разработка спецификации и определение размера сети и ее элементов, разработка и испытание опытного образца многоволнового оптического переключателя.
Проект HIGHWAY (Photonic Technologies for Ultra High Speed Information).
Проект COBNET (Corporate Optical Backbone Network), основной целью которого является разработка архитектурной и технологической концепций корпоративных (вневедомственных) сетей на основе использования преимуществ оптических АТМ технологий. Проект METON (Metropolitan Optical Network), основная цель которого состоит в разработке оптической транспортной городской сети SDH на основе использования различных топологий с применением спектрального разделения, оптических мультиплексоров и коммутаторов АТМ.
Проект FOTON (Paneuropean Photonic Transport Overlay), главной целью которого провозглашена разработка оптической сети связи для будущей Пан-Европейской транспортной сети. Важным аспектом разработки такой сети является попытка ее оптимизации по критерию "эффективность-стоимость™ при условии высокой скорости передачи информации для существующих форматов сигналов, включая SDH и АТМ.
Проект MEPHISTO (Management of Photonlc Systems and Networks), объявил основной целью реализацию принципов управления сетью (TMN) применительно к будущим полностью оптическим сетям, в которых метод спектрального разделения (WDM) используется как для увеличения скорости передачи, так и для решения задач маршрутизации.
Проект MOON (Management of Optical Networks) преследует цель разработки концепции построения системы управления оптическим слоем будущей Пан-Европейской транспортной сети.