Мультиплексоры

Интенсивное развитие ВОЛС и необходимость передачи с помощью волоконного световода больших потоков информации требуют полного использования всей полосы пропускания со снижением стоимости единицы передаваемой информации. Для этого существует несколько способов: временное уплотнение, спектральное уплотнение. Временное уплотнение неспособно удовлетворить растущую потребность в количестве и скорости передаваемой информации, так как предельная скорость передачи составляет около 40 Гбит / с.

Наиболее перспективной и способной обеспечить необходимые скорости и объемы передаваемой информации является технология спектрального мультиплексирования (демультиплексирования). По данной технологии реализуются различные конструкции демультиплексоров. Некоторые из них способны уплотнять информацию от единиц и до нескольких сотен оптических каналов.

Классификация мультиплексоров и демультиплексоров. Примем следующую классификацию мультиплексоров: по области применения, по принципу построения схемы (технологии изготовления), по принципу разделения оптических каналов, по принципу действия дисперсионной элемента и по основным спектральным характеристикам.

Рассмотрим эти принципы классификации подробнее.

1). По области применения все существующие мультиплексоры можно разделить на магистральные и локальные. К характеристикам магистральных мультиплексоров предъявляются более строгие требования, так как для передачи данных на значительные расстояния нужно обеспечить малую полосу рабочих длин волн и малые потери. Как правило, расстояния, на которые нужно передавать данные в пределах города, микрорайона, или дома, гораздо меньше, чем для магистральной передачи данных. Поэтому в этом случае надо использовать мультиплексоры для локального применения, для которых можно существенно увеличить область рабочих длин волн при малых потерях.

2). По технологии изготовления все существующие схемы мультиплексоров можно разделить на два больших класса: объемные и планарные. Схемы основных типов планарных мультиплексоров приведены на рис. 9.1. Современные технологии позволяют реализовать практически любую схему мультиплексора. Поэтому, любую схему можно изготовить как в объемном, так и в планарном исполнении.

а б

в г

д

Рисунок 9.1 - Схемы основных типов планарных мультиплексоров на основе призмы (а), дифракционной решетки проходного типа (б), благоустроенной волноводной структуры (в), на основе эшелона Майкельсона (г), отражающей дифракционной решетки (д)

В связи с дальнейшим развитием интегральной и волоконной оптики, появилась возможность создания интегрально-оптических мультиплексоров, имеющих характеристики, не уступающие характеристикам их объемных аналогов, а часто и превосходят их. Кроме того, принципы интегральной оптики позволяют объединить в едином подложке все элементы передающего модуля (лазеры, модуляторы, мультиплексоры, оптические усилители), то есть создать единую интегрально-оптическую схему передающего или примального модулей.

3). По принципу разделения оптических каналов мультиплексоры могут быть как с последовательным, так и с параллельным разделением оптических каналов.

Для устройств с последовательным разделением каналов характерно прохождение оптических сигналов последовательно через каждый элемент, на котором выделяется соответствующий оптический канал. Эти устройства, как правило, вносят значительные потери и допускают разделение малого количества каналов. В первых системах со спектральным уплотнением использовались именно подобные мультиплексоры с количеством каналов 2 или 4.

К этому классу следует отнести устройства, использующие Бреговская отражение на периодических структурах, созданных на волоконных или планарных волноводах, или интерферометры Фабри-Перо и подобные им структуры.

К системам с параллельным разделением каналов относятся распространенные в оптической спектроскопии дисперсионные элементы: призмы, дифракционные решетки, эшелоны Майкельсона и др. Для этих устройств характерны относительно малые потери и большое количество разделенных каналов. Их недостаток - дисперсионные элементов должны производиться с высокой точностью, иногда на грани, а порой и за пределами возможностей современных технологий. Однако, системам с параллельным разделением каналов, безусловно, принадлежит большое будущее.

4). По принципу действия дисперсионной элемента мультиплексоры можно разделить следующим образом: мультиплексоры на основе матриц канальных волноводов, мультиплексоры на основе волноводных дифракционных решеток и волоконные демультиплексоры.

Наиболее перспективными являются схемы мультиплексоров на основе матриц канальных волноводов (упорядоченных волноводных решеток). Такие мультиплексоры могут работать с высокими порядками дифракции (m ≈ 10 и выше). Это позволяет достигать максимального количества каналов при небольшой области рабочих длин волн. Мультиплексоры на основе матриц канальных волноводов лучше всего подходят для магистральной передачи данных, так как усилители сигнала эффективно усиливают в узкой частотной полосе. Как следствие, чем выше порядок дифракции, тем меньше ширина спектра и, соответственно, большим является число рабочих каналов. Существенным недостатком такой схемы, которая построена на основе матрицы канальных волноводов, является то, что длины каналов не просто неодинаковы, но длина каждого следующего канала должна отличаться от предыдущего точно на постоянную величину Δl. На практике это реализуется введением в конструкцию дополнительных элементов.

5). В зависимости от интервала рабочих длин волн, могут использоваться различные конструкции мультиплексоров. Для передачи информации при малых значениях используются магистральные мультиплексоры. По количеству каналов мультиплексоры делятся на системы с разреженным спектральным уплотнением (CWDM) - до 10 оптических каналов, на плотные системы со спектральным уплотнением (DWDM - Dence WDM) - до 50 оптических каналов (с частотным интервалом между соседними каналами Δf = 100 ГГц), и чрезвычайно плотные системы со спектральным уплотнением (UDWDM - Ultra DWDM) - выше 50 оптических каналов (Δf порядка 50 и 25 ГГц).

Следует отметить, что мультиплексоры применяются не только для уплотнения оптических каналов связи, увеличение их пропускной способности, но и для решения других проблем.

Важной проблемой является защита информации от несанкционированного доступа при передаче ее вдоль ВОЛС. В [37] предложен способ защищенной передачи информации, который состоит из преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, разделения его на две равные части, заполнение этими частями нескольких пустых тайм-слотов, возникших за счет распределения информации на несколько частей, маскировочными псевдослучайными сигналами в виде двоичных нулей и единиц, с последующим превращением полученного электрического сигнала в оптический на разных длинах волн. Первую и все последующие волны мультиплексирует и передают по ВОЛС. На приемном конце с потоком информации выполняются обратные преобразовательные действия. Распределение информации при этом осуществляется на части различной длины с помощью коммутатора. Размер этих частей определяет нанесенный алгоритм. Все указанное защищает информацию от несанкционированного отбора при ее передаче в ВОЛС.