language flag language flag

شرکت فاطر مشاور، طراح و مجری پروژه های فیبر نوری

ارائه کننده تجهیزات فیبر نوری، شبکه FTTH و تکنولوژی GPON

قسمت دوم - DWDM و استانداردها

در شبکه های WDM بسته به تعداد گره ها و مشخصات کانال نوری (طول موج) هر شبکه نام متفاوتی به خود می گیرد، اگر تعداد طول موج ها خیلی زیاد باشد ‎(بالاتر از 40 و بر اساس درجه بندی ITU-T)‏ DWDM و اگر تعداد طول موج ها بین 8 تا 32 باشد، CWDM نامیده می شود. تعداد طول موج ها بستگی به فاصله گذاری کانال ها دارد، البته عوامل دیگری چون عملکرد و هزینه (توان لیزر و SMF یا MMF) نیز در آن دخیل است.
فناوری DWDM در حال تحول و تکامل است از این رو عوامل دخیل در آن هم در حال تغییر است. سازمان های استاندارد سازی نظیر ITU-T، توصیه های مخصوص این شبکه ها (G.709 برای شبکه های انتقال نوری) را به طور مرتب صادر می کنند و پیش نویس جدیدی از آن در دست تهیه است. در همین حال سازندگان، سیستم هایی را پیشنهاد می دهند که برای پاسخگویی به تقاضای بازار، راهبرد نیمه خصوصی دارند یعنی به گونه ای ساخته می شوند که با استانداردهای آینده هم سازگار باشند. در نتیجه مدیریت شبکه، قابلیت اطمینان، زمان سوئیچینگ و کیفیت سرویس در میان محصولات سازندگان مختلف متفاوت است. همچنین برخی از سازندگان برای OAM&P (در 1310nm یا در حدود 1550nm) از یک کانال نظارتی استفاده می کنند، اما طول موج، نرخ بیت و پروتکل مشترکی ندارند. تخصیص پویای طول موج و حفاظت طول موج از جمله مباحثی هستند که نیاز به یافتن راه حل دارند. در سیستم های امروزی از روش اختصاص ثابت طول موج در هر گره استفاده می شود، ولی روش های نظارت از راه دور و خودکار به مراتب مطلوب ترند.
و درنهایت، گرچه برای شبکه های نوری با یک طول موج تشخیص خرابی یا عیب، تعیین موقعیت مکانی و عملیات رفع عیب تعریف شده است، اما این موضوعات هنوز در شبکه های DWDM مشخص نشده اند.
آشکارسازی معایب و موقعیت یابی در شبکه ها و سیستم های DWDM، به ابزار نظارتی خاص و عملیات تشخیص پیچیده در سطوح مختلفی نیاز دارد که بر کیفیت سیگنال و سرویس تأثیر می گذارند. این مباحث در سطح واحد، ماژول و تجهیزات مطرح هستند. بر اساس این که هشدار رسیده از یک خرابی مهم چه نتایجی را دنبال می کند، اشکالات و خرابی های آَشکار شده، پیام ها یا سیگنال های هشدار تولید می کنند. سپس سناریوهای خرابی موردی، برای بررسی و عمل سریع رفع خرابی به گونه ای فعال می شوند که سرویس بدون وقفه به صورت مجازی فراهم گردد. چون در حال حاضر خیلی از استانداردها به صورت پیش نویس هستند، باید قبل از شروع به طرح و مهندسی واقعی یک شبکه، به اسناد استانداردهای مربوطه و آخرین اصلاحات آن ها رجوع گردد.

واحدهای اصلی سازنده یک سیستم DWDM

سیستم های نوری DWDM نوری (آن سیستم هایی که سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل نمی کنند) متشکل از واحدهای فیزیکی هستند که وظایف زیر در آن ها صورت می گیرد:
• فرستندگی نور (درگاه های خروجی)
• گیرندگی نوری (درگاه های ورودی)
• تقویت کنندگی و بازیابی نوری (پیش و / یا بعد)
• واتافتگری و همتافتگری نوری (Multiplexing و Demultiplexing)
• بهبود سیگنال (همسان سازی توان، فشرده سازی پالس، دیپلاریزاسیون، جبران پاشندگی)
• تبدیل طول موج
• اتصال متقاطع نوری
• نظارت نوری (توان و طیف)
• اتصالات داخلی نوری (اتصال دهنده ها، فیبرها)

البته به شکل دیگر هم می توان واحدهای DWDM را دسته بندی کرد. از دیدگاه سیستمی، واحد های اصلی ساختمان سیستم (بسته به نوع سیستم و لایه، ممکن است برخی کاربردها قابل اجرا نباشند) عبارتند از:
• درگاه های ورودی [بعد تقویت (در مقابل پیش تقویت)، همسان سازی، جبران کنندگی، تبدیل طول موج، پایان دهی کانال نظارتی، آَشکار سازی نوری(در پایان مسیر)]
• درگاه های خروجی [منبع سازی و مدولاسیون لیزر (در شروع مسیر)، تقویت، همسان سازی]
• واحدهای زمان بندی
• سوئیچینگ (تقویت، بافت سوئیچینگ، راه اندازی، همسان سازی)
• همتافتگری (فیلتر کردن، تقویت، همتافتگری، همسان سازی)
• واتافتگری (فیلتر کردن، پلاریزاسیون، تقویت، واتافتگری، همسان سازی)
• کنترل کننده
• ذخیره سازی برنامه و پایگاه داده
• راه اندازها
• نمایشگرها (وضعیت،LED ،LCD ، هشدار و آژیر، همسایگی، شرایط محدود)
• تغذیه توان
• فن های خنک کننده
• تابلو و فیوزها
• و دیگر موارد بسته به معماری سیستم

در این مقاله می خواهیم در مورد تقویت کننده نوری بحث کنیم.
وقتی سیگنال های نوری در محیط منتشر می شوند با تضعیف در محیط مواجه می شوند. در مخابرات، هر محیط انتقالی، چه باسیم، چه بی سیم یا نوری باشد(به استثنای فضای آزاد)، توسط مقدار تضعیف معین در واحد طول مشخص می شوند. به این ترتیب وقتی منبع، سطح توان نوری معینی را ارسال می کند و به دلیل تضعیف، انتظار می رود گیرنده در انتهای مسیر توان کمتری را دریافت کند، توان دریافتی باید در سطح قابل قبولی باشد تا سیگنال با ضریب اطمینان بالایی آشکارسازی شده و دارای نرخ بیت پایینی باشد (حدود ‏10-9‏ تا ‏10-11‏ ) . محیط های نوری (مثل فیبر) بر اساس میزان تضعیف در هر کیلومتر یا ضریب تضعیف α به واحد dB/Km شناسایی می شوند. در نتیجه با دانستن سطح توان منبع (Ps ) و سطح توان مورد انتظار در گیرنده (PR) به راحتی می توان مقدار تضعیف را محاسبه کرد و بر اساس آن طول قابل قبول فیبر را تخمین زد. اگر به منظور ساده کردن قضیه از سایر انواع افت توان (ناشی از پاشندگی، پلاریزاسیون و ...) چشم پوشی کنیم طول فیبر به این طریق محاسبه می شود:

L= (Ps-PR)/α   (Km)

به این ترتیب می بینیم که تضعیف محدودیتی برای طول فیبر بین منبع و گیرنده ایجاد می کند مگر این که توان نوری سیگنال، نوعاً بین هر 40 تا 80 کیلومتر تقویت شده و با جبران افت ها، مسافت بین منبع گیرنده افزایش یابد. تقویت سیگنال نوری فرآیندی چند مرحله ای است. در فرآیند رایج تقویت کنندگی ابتدا باید سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی تبدیل شود: سیگنال الکتریکی در سه مرحله زمان بندی مجدد، شکل دهی مجدد و تقویت شده و سپس دوباره به سیگنال نوری تبدیل می شود. به این عمل بازیابی (Regeneration) گفته می شود. به طور معمول بازتاب از سه جزء تشکیل می شود: گیرنده نوری، تقویت کننده و فرستنده نوری، که سه وضعیف اصلی آن: زمان بندی، کشف خطا و شکل دهی پالس می باشد.
اخیراً از تکنولوژی تقویت مستقیم در شبکه های مخابراتی استفاده می شود که موسوم به تقویت نوری (OA) است یعنی سیگنال ضعیف نوری به طور مستقیم تقویت می شود. سه نوع از شناخته ترین تقویت کننده های نوری عبارتند از: تقویت کننده های نوری نیمه هادی (SOA)، تقویت کننده های فیبر نوری (OFA) و تقویت کننده های رامان. هر یک از این ها مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند، به طوری در حال حاضر هیچ یک از آن ها به تنهایی برای کل کاربردها و برای کل باند 1250nm تا 1650nm مناسب نیستند.
تقویت کننده های فیبر نوری (EDFA ،YEDFA ،TDFA و ...) برای کار در شبکه های فیبر کاملاًمناسب بوده و در سطح وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند. تلاش های پیوسته ای در جهت بهبود میزان بهره، پهنای باند و کارکرد آن ها در حال انجام است. به هرحال گرچه YEDFA ها (تقویت کننده های فیبر غنی شده با اربیوم و یوتریوم) سبب گسترش طیف EDFA تا باند c و L شده است، اما هنوز محدوده طیف محدودی دارند (1530nm-1620nm). فهرستی از کانال های نوری (فرکانس و طول موج) در باند گسترش یافته L درجدول 1-4 آمده است. با این حال EDFA یا YEDFA برای بازگرداندن توان با حداقل نویز اضافه شده به سیگنال نوری در طول موج 1550nm بهینه سازی شده است.
از EDFA می توان به عنوان تقویت کننده بوستر نوری در DWDM و CWDM به عنوان پیش تقویت کننده های فشرده نوری با نویز کم (به طور معمول 5 dB) مصرف توان پایین 3.5 Watt در اتصالات متقاطع نوری و در شبکه های کلان شهری استفاده کرد. ابعاد فیزیکی پیش تقویت کننده های EDFA نسبتاً کوچک بوده در نتیجه به راحتی در برد الکتریکی نصب می شود. بسته کامل این تقویت کننده ها شامل لیزر، تزویج کننده، جداساز، فیلتر، فیبر و همتافتگر است. هر چه فناوری تقویت کننده های نوری تکامل می یابد، سطح یکپارچه سازی و کارکرد و کارآیی افزایش خواهد یافت و اندازه بسته بندی و قیمت سیستم کاهش خواهد یافت.
هنگامی که فیبر نوری دارای یون -OH بسیار پایین ساخته شود، حوزه کارآیی شبکه های DWDM در کل امواج 1250nm تا 1650nm گسترش می یابد. از این رو منطقی به نظر می رسد که جهت تکامل YEDFA از راه حل های دیگری استفاده شود. چنین تقویت کننده هایی، تقویت کننده رامان و تقویت کننده های پارامتری فیبر هستند.
تقویت کننده های رامان منحصراً در شبکه های فیبر نوری و در جایگاه تکرار کننده ها قرار می گیرد. همچنین ترکیب EDFA/YEDFA ها برای بالا بردن عملکرد انتقال به کار می روند. با این کار میزان هموار بودن بهره و نسبت سیگنال به نویز بهبود می یابد.
این پیشرفت ها، نیاز به همسان سازی پویای بهره را کاهش داده و چگالی کانال ها را بالا می برد، همچنین نرخ بیت انتقال را سرعت بخشیده (10-40Gbps) و پاسخ بهره را بهتر و فاصله بین جایگاه های بازیابی را بیشتر می کند. البته بهره OFA در تمام طیف تقویت کنندگی هموار نیست.
با استفاده از فیلتر های معکوس (فیلترهایی با تابع انتقال جبران کننده بهره EDFA) نوسانات اضافی بهره OFA کاهش می یابد.

نمودارهای زیر عملکرد فیلتر معکوس را نشان می دهد که نوسانات بهره EDFA را کاهش می دهد.

DWDM

DWDM

DWDM

تقویت کننده های رامان مثل EDFA ها وسیله ای فشرده در اندازه کوچک هستند. وقتی هم از تقویت کننده رامان و هم از پیش تقویت کننده EDFA به صورت هماهنگ با هم استفاده می شود، می توان از پمپ رامان که در شکل زیر نشان داده شده است به صورت مشترک در بسته EDFA استفاده کرد.

DWDM

تقویت رامان روی فیبر SM در انتقال نوری استفاده می شود و تقویت کننده رامان با نوع فیبر تفاوت می کند. (بین حدود 15dB تا 23dB). برای مثال گرچه ممکن است بهره رامان در یک نوع فیبر از سازنده x برابر 20dB باشد، برای نوع دیگر فیبر از سازنده y، ممکن است 15dB باشد. تقویت رامان می تواند پمپ هایی برای انتشار همسو، انتشار از مقابل، انتشار-تقویت در هر دو جهت نسبت به سیگنال داشته باشد.
در خلال انتشار نور پمپ، به همراه سایر اثرات غیر خطی، یک تحول تقویت کنندگی رخ می دهد. این اثرات را به دو گروه می توان طبقه بندی کرد، آن دسته که به بهره مربوط است و دسته ای که کیفیت سیگنال را به واسطه تولید نویز اضافی کاهش می دهند.
نخست، این که حداقل مکانیزم در طول این تکامل به وقوع می پیوندد: افت سیگنال، بهره تقویت کننده و افت پمپ. به این دلیل بهره تقویت کننده در تمام سطح شبکه فیبر یکنواخت نیست بلکه در ورودی به فیبر (در حالت انتشار هم راستا) یا در خروجی آن به سمت عقب (در حالت انتشار از مقابل) قوی تر است.
دوم از آنجایی که نور پمپ پر قدرت است (صدها mW توان پمپ در مقایسه با چند mW سیگنال)، سیگنال در معرض غیر خطی شدن ناشی از پمپ رامان و منبع نویز قرار می گیرد. نویز و میزان اضافی اثر غیر خطی باید به حداقل خود برسد تا نسبت سیگنال به نویز (OSNR) بهبود یابد. در هر حالت تقویت کننده فیبر نباید آستانه SBS کمتر از 3dB داشته باشد. در جدول زیر مقایسه کیفی بین تقویت کننده های رامان و EDFA صورت گرفته است.

ویژگی رامان OFA
باند تقویت بسته به offset پمپ بسته به مواد تزریقی (Er,Y)
پهنای باند بهره 20-50nm در هر پمپ  
پهنای باند هموار بهره 15-20nm 90nm
انحراف بهره λ های بلندتر را بیشتر از کوتاه ها تقویت می کند (قابل تنظیم ) λهای بلندتر را بیشتر از کوتاه ها تقویت می کند (ثابت)
نویز پراکندگی رامان، رایلی دوگانه ASE
طول موج پمپ تا 100nm کوتاهتر از طیف سیگنال تقویت شده 1480nm و 980nm برای Er
توان پمپ 300mw> 3W≅
توان اشباع توان پمپ بسته به مواد تزریقی و بهره، با ویژگی های اشباع متناجس
حساسیت جهت سیگنال های دوجهتی تک جهتی
سادگی ساده (بدون نیاز به فیبر خاص) پیچیده (نیاز به EDFA)


تقویت کننده های نوری حالت جامدی SOA در زمینه تقویت توان به اندازه EDFA و تقویت کننده های رامان محبوبیت ندارند، زیرا دارای بهره پایین، پدیده های غیر خطی کانال هستند. البته SOA ها با موادی که در تجهیزات حالت جامد نوری به کار می روند، خیلی بهتر جور می شوند.بنابراین هر چه سطح یکپارچگی نوری بالاتر رود، نقش SOA ها در پیش تقویت و پس تقویت کلیدی تر می شود. برای مثال SOA ها را می توان با پمپ های لیزری، فیلترها و موجبرهای نوری یکپارچه سازی کرد و تقویت کننده های کوچک فشرده و ارزان قیمتی به وجود آورد، که بتوان قدرت آن ها را با EDFA یا تقویت کننده های رامان بیشتر کرد.
علاوه بر آن می توان آن ها را با گیرنده یا دمدولاتور یکپارچه کرد. علاوه بر آن می توان آن ها را با گیرنده یا دمدولاتور یکپارچه کرد. علاوه بر آن می توان از SOA ها در کاربردهای CWDM، نظیر شبکه های شهری کوچک و شبکه های دسترسی به عنوان تقویت کننده اصلی استفاده کرد.


قسمت سوم - اجزای DWDM