Выпуск #8/2018
А.Дорожкин, О.Наний, В.Трещиков, И.Шихалиев
Волокно с малыми изгибными потерями – новая жизнь для систем связи диапазона C+L
Волокно с малыми изгибными потерями – новая жизнь для систем связи диапазона C+L
Просмотры: 2406
Показана перспективность расширения спектрального диапазона, используемого для передачи информации в волоконно-оптических линиях связи для увеличения их пропускной способности. Наряду с широко используемым в современных системах связи С-диапазоном с технической точки зрения полностью готов к практическому использованию L-диапазон, однако его использование приводит к изгибным потерям. В России производится активное оборудование и усилители для C- и L-диапазонов, а российские кабельные заводы освоили производство оптического кабеля с малыми изгибными потерями. Поэтому практическое применение систем связи диапазона C+L должно стать реальностью уже в самом ближайшем будущем.
УДК 681.7.06, DOI: 10.22184/2070-8963.2018.77.8.48.53
УДК 681.7.06, DOI: 10.22184/2070-8963.2018.77.8.48.53
Теги: bandwidth c-band dwdm fol l-band l-диапазон smf-28 ultra волс пропускная способность с-диапазон
Введение
Прогнозы в области оптической связи указывают на продолжение роста полосы пропускания ежегодно на 20–60% [1]. При сохранении существующих темпов роста трафика все возможности увеличения пропускной способности за счет существующего технологического задела будут исчерпаны примерно к 2020 году. Очевидна необходимость разработки новых технологий и подходов, которые позволят обеспечить дальнейший рост пропускной способности опорных волоконно-оптических сетей связи [2]. В отличие от методов пространственного мультиплексирования, для реализации которых требуется замена всей кабельной инфраструктуры, многополосная передача позволяет кратно увеличить пропускную способность линий связи, используя уже действующие ВОЛС, тем самым продлевая срок их эксплуатации. Увеличение пропускной способности систем связи при многополосной передаче достигается за счет расширения спектрального диапазона, используемого для передачи информации.
Современные DWDM-сети дальней связи используют почти исключительно С-диапазон оптического волокна в окрестности длины волны 1,55 мкм. Ширина С-диапазона составляет примерно 35 нм, или 4,4 ТГц. В то же время спектральная область, которая потенциально могла бы быть использована для передачи информации в волокне (с оптическими потерями, не превышающими 0,4 дБ/км), простирается от 1300 до 1700 нм [1, 2] (рис.1).
Для практического освоения спектральной области 1260–1530 нм (диапазоны O, E, S) необходима разработка как активного, так и пассивного DWDM-оборудования, в то же время L-диапазон (1565–1625 нм) практически готов к использованию в коммерческих системах связи. Несмотря на появление коммерческого DWDM оборудования L-диапазона, его практическому использованию операторами связи мешали относительно большие макро- и микро-изгибные потери в волоконно-оптических линиях связи на основе стандартного волокна.
Создание волокна с малыми макро- и микроизгибными потерями в диапазоне С+L, а также выпуск на его основе кабеля для линий дальней связи несомненно будут способствовать ускоренному освоению операторами связи новой спектральной области (1565–1625 нм). Использование нового поколения оборудования на платформе "Волга" российской компании "Т8" способно довести пропускную способность систем связи С+L до 40 Тбит/с.
Технические возможности внедрения многополосных систем связи
Использование всей полосы пропускания волокна потенциально позволяет увеличить емкость волоконно-оптических систем передачи в 5–10 раз, что существенно повышает капитализацию ВОЛС и увеличивает экономически эффективный срок их эксплуатации. Для освоения новых спектральных диапазонов потребуется разработка активного оборудования, и, хотя некоторые технические разработки уже продемонстрированы [1], в целом предстоит проведение серьезных поисковых научных исследований.
Единственным диапазоном, кроме С, для которого уже разработаны усилители и активное оборудование, является L-диапазон. Возможность увеличения пропускной способности ВОЛС при использовании усилителей C- и L-диапазона была продемонстрирована в [2–4].
В приведенных работах предложены решения, использующие параллельную схему работы эрбиевых усилителей в C- и L-диапазонах с использованием полосовых мультиплексоров/демультиплексоров [5]. Дело в том, что, хотя усилители для C- и L-диапазонов изготавливаются на основе эрбиевого волокна, оптимальная длина волокна и уровни накачки для двух типов усилителей существенно различны, что не позволяет создать один эрбиевый усилитель на два диапазона. В усилителях L-диапазона используется длинное эрбиевое волокно, а населенность верхнего рабочего уровня активной среды поддерживается не очень высокой, что не обеспечивает усиления оптических сигналов в C-диапазоне. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам C и L, и для каждого используется свой усилитель (рис.2). Спектральные характеристики усиления в обоих диапазонах представлены на рис.3 [5].
Лишь совсем недавно появились многообещающие работы, в которых продемонстрированы сверхширокополосные активные висмутовые волокна с полосой усиления, способные перекрывать более 200 нм включая C- и L-диапазоны [6]. Однако сверхширокополосные висмутовые усилители пока еще находятся на стадии научно-исследовательских работ, в то время как эрбиевые усилители на С- и L-диапазоны представлены на рынке.
Усилители на диапазон С+L могут быть созданы также с использованием вынужденного комбинационного рассеяния, которое в англоязычной литературе принято называть вынужденным рамановским рассеянием. Ширина полосы усиления современных рамановских усилителей с многоволновой накачкой достигает 12 ТГц. В таких усилителях используется накачка на нескольких длинах волн (рис.4). При такой накачке, помимо распределенного усиления сигнала, происходит также ВКР-взаимодействие между волнами накачки: коротковолновые компоненты накачки усиливают более длинноволновые компоненты.
Современные усилители С+L обеспечивают усиление в полосе 1530–1625 нм. При использовании стандартной DWDM-сетки c шагом 50 ГГц и транспондеров с канальной скоростью 100 Гбит/с пропускная способность линий связи достигает 20 Тбит/с, что более чем вдвое превышает пропускную способность линий связи, работающих в С-диапазоне (используемый формат модуляции DP QPSK обеспечивает символьную эффективность 4 бит/символ и спектральную эффективность 2 бит/Гц). Следует особо подчеркнуть, что оборудование для линий связи DWDM с пропускной способностью 20 Тбит/с в диапазоне С+L выпускается в России [7].
Новое поколение оборудования на платформе "Волга" российской компании "Т8", с форматом модуляции DP 16QAM, обеспечивает увеличение канальной скорости до 200 Гбит/с (400 Гбит/с в режиме двух длин волн), символьной эффективности до 8 бит/символ и спектральной эффективности до 4 бит/Гц [7]. С использованием этого оборудования пропускная способность С+L систем связи достигает 40 Тбит/с.
Новые типы волокна и оптического кабеля – новая жизнь систем связи С+L
Таким образом, активное оборудование для систем связи L-диапазона технически готово к коммерческому использованию. В стандартном прямолинейном участке одномодового волокна затухание в L-диапазоне даже меньше, чем в С-диапазоне (см. рис.1). Однако до последнего времени операторы связи настороженно относились к использованию L-диапазона, опасаясь возможных непредсказуемо больших макро- и микроизгибных потерь в волоконно-оптических линиях связи на основе стандартного волокна.
Производители оптического волокна в последние годы стали уделять особое внимание созданию новых типов волокна с уменьшенными микро- и макроизгибными потерями в диапазоне C+L для применений не только в сетях доступа, но также в городских сетях и сетях дальней связи [8].
С появлением в 2013 году волокна Corning SMF-28 Ultra – стандартного одномодового волокна категории G.652.D со стойкостью к изгибным потерям (рис.5), превосходящей требования стандарта G.657.A1, такие волокна стали массово применяться в России и СНГ в сетях дальней связи, городских и сетях доступа. Особенно важно, что одномодовое волокно с малыми изгибными потерями в L-диапазоне стало экономически привлекательным, и российские производители кабеля освоили производство кабеля с малыми изгибными потерями. Более того, многие кабельные заводы в России используют одномодовые волокна, стойкие к изгибам в диапазоне C+L, в своих типовых конструкциях кабеля.
Поэтому практическое применение систем связи диапазона C+L должно стать реальностью уже в самом ближайшем будущем.
Заключение
Использование незадействованных в настоящее время спектральных диапазонов может значительно увеличить пропускную способность ВОЛС. Наряду с широко используемым в современных системах связи С-диапазоном практически готов к использованию в коммерческих системах связи еще один спектральный диапазон – L (1565–1625 нм).
Активное оборудование, пригодное для коммерческого использования операторами связи, разработано ведущими производителями данной отрасли – компаниями "Т8" (Россия), Nokia (Финляндия), Mitsubishi (Япония). Освоение, выпуск и снижение стоимости волокна с малыми макро- и микроизгибными потерями для диапазона С+L делают реальными перспективы практического и масштабного внедрения систем связи этого диапазона операторами.
Авторы благодарят компанию Corning за предоставленный материал по оптическим волокнам с малыми изгибными потерями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Napoli A. et al. Next Generation Elastic Optical Networks: the Vision of the European Research Project IDEALIST. // IEEE Comm. Mag. 2015. Vol. 53. № 2. PP. 152–162.
2. Леонов А.В., Наний О.Е., Слепцов М.А., Трещиков В.Н. Тенденции развития оптических систем дальней связи // Прикладная фотоника. 2016. Т. 3. № 2. С. 123–145.
3. Новиков А.Г. и др. Перспективные DWDM системы связи со скоростью 20 Тбит/с на соединение // Фотон-экспресс. 2012. № 3(99). С. 34–38.
4. Трещиков В.Н. и др. Разработка DWDM-системы емкостью 25 Тбит/c // Фотон-экспресс. 2013. № 3. С. 31–35.
5. Курков А.С., Наний О.Е. Эрбиевые волоконно-оптические усилители // Lightwave Russian Edition. 2003. № 1. С. 14–19.
6. Firstov S.V. et al. Broadband Optical Amplifier for a Wavelength Region of 1515–1775 nm // OFC Conference 2017, Paper W2A.22.
7. https://www.t8.ru
8. https://www.corning.com/ru/ru/products/communication-networks/products/fiber/smf-28-ultra.html
9. Попов С. Горизонты волоконной оптики – взгляд Corning // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 1. С. 26–28.
Прогнозы в области оптической связи указывают на продолжение роста полосы пропускания ежегодно на 20–60% [1]. При сохранении существующих темпов роста трафика все возможности увеличения пропускной способности за счет существующего технологического задела будут исчерпаны примерно к 2020 году. Очевидна необходимость разработки новых технологий и подходов, которые позволят обеспечить дальнейший рост пропускной способности опорных волоконно-оптических сетей связи [2]. В отличие от методов пространственного мультиплексирования, для реализации которых требуется замена всей кабельной инфраструктуры, многополосная передача позволяет кратно увеличить пропускную способность линий связи, используя уже действующие ВОЛС, тем самым продлевая срок их эксплуатации. Увеличение пропускной способности систем связи при многополосной передаче достигается за счет расширения спектрального диапазона, используемого для передачи информации.
Современные DWDM-сети дальней связи используют почти исключительно С-диапазон оптического волокна в окрестности длины волны 1,55 мкм. Ширина С-диапазона составляет примерно 35 нм, или 4,4 ТГц. В то же время спектральная область, которая потенциально могла бы быть использована для передачи информации в волокне (с оптическими потерями, не превышающими 0,4 дБ/км), простирается от 1300 до 1700 нм [1, 2] (рис.1).
Для практического освоения спектральной области 1260–1530 нм (диапазоны O, E, S) необходима разработка как активного, так и пассивного DWDM-оборудования, в то же время L-диапазон (1565–1625 нм) практически готов к использованию в коммерческих системах связи. Несмотря на появление коммерческого DWDM оборудования L-диапазона, его практическому использованию операторами связи мешали относительно большие макро- и микро-изгибные потери в волоконно-оптических линиях связи на основе стандартного волокна.
Создание волокна с малыми макро- и микроизгибными потерями в диапазоне С+L, а также выпуск на его основе кабеля для линий дальней связи несомненно будут способствовать ускоренному освоению операторами связи новой спектральной области (1565–1625 нм). Использование нового поколения оборудования на платформе "Волга" российской компании "Т8" способно довести пропускную способность систем связи С+L до 40 Тбит/с.
Технические возможности внедрения многополосных систем связи
Использование всей полосы пропускания волокна потенциально позволяет увеличить емкость волоконно-оптических систем передачи в 5–10 раз, что существенно повышает капитализацию ВОЛС и увеличивает экономически эффективный срок их эксплуатации. Для освоения новых спектральных диапазонов потребуется разработка активного оборудования, и, хотя некоторые технические разработки уже продемонстрированы [1], в целом предстоит проведение серьезных поисковых научных исследований.
Единственным диапазоном, кроме С, для которого уже разработаны усилители и активное оборудование, является L-диапазон. Возможность увеличения пропускной способности ВОЛС при использовании усилителей C- и L-диапазона была продемонстрирована в [2–4].
В приведенных работах предложены решения, использующие параллельную схему работы эрбиевых усилителей в C- и L-диапазонах с использованием полосовых мультиплексоров/демультиплексоров [5]. Дело в том, что, хотя усилители для C- и L-диапазонов изготавливаются на основе эрбиевого волокна, оптимальная длина волокна и уровни накачки для двух типов усилителей существенно различны, что не позволяет создать один эрбиевый усилитель на два диапазона. В усилителях L-диапазона используется длинное эрбиевое волокно, а населенность верхнего рабочего уровня активной среды поддерживается не очень высокой, что не обеспечивает усиления оптических сигналов в C-диапазоне. Поэтому перед усилением оптические сигналы разделяются по диапазонам C и L, и для каждого используется свой усилитель (рис.2). Спектральные характеристики усиления в обоих диапазонах представлены на рис.3 [5].
Лишь совсем недавно появились многообещающие работы, в которых продемонстрированы сверхширокополосные активные висмутовые волокна с полосой усиления, способные перекрывать более 200 нм включая C- и L-диапазоны [6]. Однако сверхширокополосные висмутовые усилители пока еще находятся на стадии научно-исследовательских работ, в то время как эрбиевые усилители на С- и L-диапазоны представлены на рынке.
Усилители на диапазон С+L могут быть созданы также с использованием вынужденного комбинационного рассеяния, которое в англоязычной литературе принято называть вынужденным рамановским рассеянием. Ширина полосы усиления современных рамановских усилителей с многоволновой накачкой достигает 12 ТГц. В таких усилителях используется накачка на нескольких длинах волн (рис.4). При такой накачке, помимо распределенного усиления сигнала, происходит также ВКР-взаимодействие между волнами накачки: коротковолновые компоненты накачки усиливают более длинноволновые компоненты.
Современные усилители С+L обеспечивают усиление в полосе 1530–1625 нм. При использовании стандартной DWDM-сетки c шагом 50 ГГц и транспондеров с канальной скоростью 100 Гбит/с пропускная способность линий связи достигает 20 Тбит/с, что более чем вдвое превышает пропускную способность линий связи, работающих в С-диапазоне (используемый формат модуляции DP QPSK обеспечивает символьную эффективность 4 бит/символ и спектральную эффективность 2 бит/Гц). Следует особо подчеркнуть, что оборудование для линий связи DWDM с пропускной способностью 20 Тбит/с в диапазоне С+L выпускается в России [7].
Новое поколение оборудования на платформе "Волга" российской компании "Т8", с форматом модуляции DP 16QAM, обеспечивает увеличение канальной скорости до 200 Гбит/с (400 Гбит/с в режиме двух длин волн), символьной эффективности до 8 бит/символ и спектральной эффективности до 4 бит/Гц [7]. С использованием этого оборудования пропускная способность С+L систем связи достигает 40 Тбит/с.
Новые типы волокна и оптического кабеля – новая жизнь систем связи С+L
Таким образом, активное оборудование для систем связи L-диапазона технически готово к коммерческому использованию. В стандартном прямолинейном участке одномодового волокна затухание в L-диапазоне даже меньше, чем в С-диапазоне (см. рис.1). Однако до последнего времени операторы связи настороженно относились к использованию L-диапазона, опасаясь возможных непредсказуемо больших макро- и микроизгибных потерь в волоконно-оптических линиях связи на основе стандартного волокна.
Производители оптического волокна в последние годы стали уделять особое внимание созданию новых типов волокна с уменьшенными микро- и макроизгибными потерями в диапазоне C+L для применений не только в сетях доступа, но также в городских сетях и сетях дальней связи [8].
С появлением в 2013 году волокна Corning SMF-28 Ultra – стандартного одномодового волокна категории G.652.D со стойкостью к изгибным потерям (рис.5), превосходящей требования стандарта G.657.A1, такие волокна стали массово применяться в России и СНГ в сетях дальней связи, городских и сетях доступа. Особенно важно, что одномодовое волокно с малыми изгибными потерями в L-диапазоне стало экономически привлекательным, и российские производители кабеля освоили производство кабеля с малыми изгибными потерями. Более того, многие кабельные заводы в России используют одномодовые волокна, стойкие к изгибам в диапазоне C+L, в своих типовых конструкциях кабеля.
Поэтому практическое применение систем связи диапазона C+L должно стать реальностью уже в самом ближайшем будущем.
Заключение
Использование незадействованных в настоящее время спектральных диапазонов может значительно увеличить пропускную способность ВОЛС. Наряду с широко используемым в современных системах связи С-диапазоном практически готов к использованию в коммерческих системах связи еще один спектральный диапазон – L (1565–1625 нм).
Активное оборудование, пригодное для коммерческого использования операторами связи, разработано ведущими производителями данной отрасли – компаниями "Т8" (Россия), Nokia (Финляндия), Mitsubishi (Япония). Освоение, выпуск и снижение стоимости волокна с малыми макро- и микроизгибными потерями для диапазона С+L делают реальными перспективы практического и масштабного внедрения систем связи этого диапазона операторами.
Авторы благодарят компанию Corning за предоставленный материал по оптическим волокнам с малыми изгибными потерями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Napoli A. et al. Next Generation Elastic Optical Networks: the Vision of the European Research Project IDEALIST. // IEEE Comm. Mag. 2015. Vol. 53. № 2. PP. 152–162.
2. Леонов А.В., Наний О.Е., Слепцов М.А., Трещиков В.Н. Тенденции развития оптических систем дальней связи // Прикладная фотоника. 2016. Т. 3. № 2. С. 123–145.
3. Новиков А.Г. и др. Перспективные DWDM системы связи со скоростью 20 Тбит/с на соединение // Фотон-экспресс. 2012. № 3(99). С. 34–38.
4. Трещиков В.Н. и др. Разработка DWDM-системы емкостью 25 Тбит/c // Фотон-экспресс. 2013. № 3. С. 31–35.
5. Курков А.С., Наний О.Е. Эрбиевые волоконно-оптические усилители // Lightwave Russian Edition. 2003. № 1. С. 14–19.
6. Firstov S.V. et al. Broadband Optical Amplifier for a Wavelength Region of 1515–1775 nm // OFC Conference 2017, Paper W2A.22.
7. https://www.t8.ru
8. https://www.corning.com/ru/ru/products/communication-networks/products/fiber/smf-28-ultra.html
9. Попов С. Горизонты волоконной оптики – взгляд Corning // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 1. С. 26–28.
Отзывы читателей