Применение пространственного мультиплексирования в волоконно-оптических системах передачи со спектральным разделением

В современных инфокоммуникационных сетях оптические кабели (OK) являются основным техническим средством реализации физической среды для передачи мощных потоков информации. Развивается применение ОК также в локальных информационных системах и в центрах обработки данных. К основным задачам кабельной промышленности относится дальнейшая замена медных кабелей связи оптическими кабелями и расширение производства оптического волокна. Решению этой задачи служит начатое в Российской Федерации (в АО «Оптиковолоконные системы», Саранск) заводское производство направляющей среды оптических кабелей – оптического волокна (ОВ) – с линейкой стандартов G.652D и IEC 60793-2-50, в дальнейшем G.657 и G.651. При работе ОК в составе волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением (ВОСП-СР), в области наименьшего коэффициента затухания (около 0,2 дБ/км) – оптическом диапазоне С + L 1530 ... 1625 нм по одномодовым ОВ может быть получена максимальная скорость передачи информации около 100 Тбит/с. Однако неизменно высокий рост от года к году инфокоммуникационного трафика ставит под вопрос достаточность такой скорости в перспективе, что квалифицируется как «кризис пропускной способности» – capacity crunch. В современных представлениях данная проблема может быть решена путем применения в ОК технологии пространственного мультиплексирования (SDM, space division multiplexing, spatial division multiplexing, мультиплексирование с разделением в пространстве). Мультиплексирование означает передачу информации несколькими потоками, разделёнными в некоторой общей среде. Пространственное мультиплексирование в ОК может быть выполнено за счёт использования маломодовых оптических волокон (ММОВ), многосердцевинных оптических волокон (МСОВ) и маломодовых многосердцевинных оптических волокон (ММ-МС ОВ). При этом возрастают: • эффективность использования передаточного ресурса волноводных элементов кабеля, достижимая скорость передачи информации по ОК; • эффективность использования пространственного ресурса в габаритах кабеля, компактность кабельной конструкции. Далее рассматриваются основные принципы и реальные примеры осуществления пространственного мультиплексирования в оптических кабелях с оценкой результатов достигаемого повышения эффективности ОК и увеличения скорости передачи информации.

В настоящее время инфокоммуникационные сети с применением оптических кабелей (OK) являются основным техническим средством, позволяющим передавать мощные потоки информации. Зона применения ОК расширилась, теперь она также охватывает локальные информационные системы и центры обработки данных (ЦОД). К основным задачам кабельной промышленности[1] относится дальнейшая замена медных кабелей связи оптическими кабелями, а также расширение производства оптического волокна на территории нашей страны. При работе ОК в составе волоконно-оптических систем передачи со спектральным разделением (ВОСП-СР), в области наименьшего коэффициента затухания (около 0,2 дБ/км) – оптическом диапазоне С + L 1530 ... 1625 нм по одномодовым ОВ может быть получена максимальная скорость передачи данных порядка 100 Тбит/с. Однако неизменно высокий рост от года к году потребляемого пользователями трафика ставит под вопрос достаточность такой скорости в перспективе, что можно назвать как «кризис пропускной способности» – capacity crunch[2] . В текущих реалиях данная проблема может быть решена путем применения в ОК технологии пространственного мультиплексирования (SDM, space division multiplexing, spatial division multiplexing, мультиплексирование с разделением в пространстве).

Пространственное мультиплексирование в ОК выполняется благодаря использованию маломодовых оптических волокон (ММОВ), многосердцевинных оптических волокон (МСОВ) , а также маломодовых многосердцевинных оптических волокон (ММ-МС ОВ). При этом достигается повышение эффективности использования передаточного ресурса волноводных элементов кабеля, достижимой скорости передачи информации по ОК; • эффективности использования пространственного ресурса с точки зрения геометрических размеров кабеля, компактности кабельной конструкции. Пространственная эффективность (spatial efficiency, SE) оптических волокон представляет собой число пространственных каналов на единицу площади поперечного сечения:

Относительная пространственная эффективность (relative SE, RSE) сопоставляет эффективность волокна (1) с эффективностью стандартного одномодового (µ = 1) односердцевинного (ψ = 1) ОВ (ООВ), имеющего внешний диаметр Dоб = 125 мкм: Параметр ξ_отн удобен своей безразмерностью, он далее используется при оценке конструктивного аспекта качества реализации пространственного мультиплексирования в ОК.

Оценку реализуемых спектральной эффективности и скорости передачи информации по ОК при применении пространственного мультиплексирования проведём для формата модуляции DP – 16QAM . В этом формате применена двойная поляризация (DP, dual polarization), p = 2 и 16-ричная фазово-амплитудная модуляция КАМ, s = 4. Согласно (4) – (6), эффективности и скорость: ɣ = 8Мпк, бит/с/Гц; ƔΛ = Мпк, Тбит/с/нм ; , (24) V = Мпк ∙ Λвосп-ср, Тбит/с, где Λвосп-ср – ширина волнового спектра ВОСП-СР, нм. Рассмотрим три типовых варианта выполнения простран- ственного мультиплексирования в ОК для одной пары оптических волокон при работе в оптическом диапазоне C + L (Λвосп-ср = 95 нм).

10-модовое ММОВ. Здесь Dоб = 125 мкм; µ = 10; ψ = 1; Мпк = 10. Согласно (2) относительная пространственная эффектив- ность ξотн = 10. Скорость передачи информации V = 950 Тбит/с = 0,95 Пбит/с.

12-сердцевинное МСОВ. У этого волокна в оболочке с внешним диаметром Dоб = 202 мкм содержится ψ = 12 одномодовых (µ = 1) сердцевин, Мпк = 12. В данном Скорость передачи информации V = 12 ∙ 95 = 1,14 Пбит/с.

6-модовое 19-сердцевинное ММ-МС-ОВ.. Для этого волокна параметры мультиплексирования: µ = 6; ψ = 19. Количество пространственных каналов Мпк = 114. ОВ имеет диаметр оптической оболочки Dоб = 318 мкм. Рассматриваются параметры: ξотн = 17,6; ɣ = 912 бит/с/Гц; ɣΛ = 114 Тбит/с/нм; V = 114 ∙ 95 ∙ 10–3 = 10,8 Пбит/с.

                                                                                         (1)

                                                                                                                (2)

                                                                                                                    (3)

                                                                                                  (4)

                                                                                             (5)

                                                                                           (6)

Приведённые выше примеры я явном виде показывают, что применение пространственного мультиплексирования в оптических кабельных системах, открывает перспективу значительного увеличения эффективности использования, физического ресурса среды передачи информации.

В заключение, отметим, что несмотря на увеличение общей стоимости кабельной линии за счёт сложности её элементов и реализации на практике, сверхвысокие скорости создают основу снижения удельной стоимости передачи информации и обеспечения экономической эффективности применения вышеизложенных методов в самых перспективных и передовых кабельных системах.