Устройство мультиплексоров и демультиплексоров

Тонкопленочные фильтры

Оптические мультиплексоры/демультиплексоры (MUX/DEMUX) предназначены для объединения (уплотнения, мультиплексирования) отдельных каналов CWDM в групповой сигнал для одновременной их передачи по одному оптическому волокну на передающей стороне, а также для их разделения (демультиплексирования) на приемной стороне. Основными их составляющими являются одноканальные фильтры CWDM, сделанные с использованием многослойных тонкопленочных фильтров Thin Film Filter (Рис.1).

Рисунок 1. Фильтр CWDM

Каждый фильтр работает следующим образом: оптический сигнал на частоте, соответствующей одной из длин волн частотной сетки CWDM, может передаваться между портами фильтра Pass и Com (Рис.2). Величина вносимого затухания между данными портами составляет от 0,3 дБ до 0,8 дБ*. Остальные длины волн диапазона CWDM между данными портами не передаются, то есть фильтруются и передаются между портами Reflection и Com. Вносимое затухание оптического сигнала между этими портами составляет также от 0,3 дБ до 0,8 дБ*. Порты Pass и Reflection изолированы относительно друг друга, оптический сигнал между ними не передается.

Рисунок 2. Порты тонкопленочного фильтра

При выборе фильтров CWDM отдельное внимание следует уделить полосе пропускания (Рис.3) между портами Pass и Com.

Рисунок 3. Полоса пропускания тонкопленочного фильтра

Ширина спектра передаваемого сигнала у трансиверов CWDM составляет 1 нм, лазеры, используемые в таких трансиверах не стабилизированы по температурному режиму, поэтому частота несущей у них может меняться. У качественных трансиверов длина волны может меняться в диапазоне от -6 нм до +7,5 нм от центральной частоты**, однако, существуют образцы трансиверов, где этот диапазон существенно шире. При несоответствии частоты лазера рабочему диапазону фильтра может возникнуть ситуация (например, при нагреве лазера), когда передаваемый оптический сигнал, при прохождении через фильтр, будет существенно ослаблен или полностью подавлен фильтром. Поэтому, при создании и проектировании систем CWDM необходимо сопоставлять характеристики используемых оптических трансиверов и фильтров.

Традиционная схема мультиплексора CWDM

Рассмотрим принципиальную схему оптического мультиплексора/демультиплексора CWDM, собранного на основе тонкопленочных фильтров. Наиболее распространена схема с последовательным соединением фильтров CWDM (Рис.4). В данном случае это мультиплексор/демультиплексор на 16 длин волн или 8 каналов CWDM.

Рисунок 4. Схема оптического мультиплексора/демультиплексора CWDM

Фильтры, каждый из которых настроен на свою длину волны диапазона CWDM, соединяются друг с другом таким образом, что порт Com предыдущего совпадает с портом Ref последующего. Порт Ref первого фильтра в цепи, маркируется как Upgrade, порт Com последнего часто маркируется как Line, он включается в линию. Вносимое затухание на всем мультиплексоре для каждого канала N можно посчитать по формуле:

IL = ILPass-Com + (ILRef-Com * (N-1))

где,

ILPass-Com – вносимое затухание на участке Pass-Com первого фильтра

ILRef-Com – усредненное*** значение вносимого затухания на участке Ref-Com одного фильтра

Данное устройство позволяет использовать для приема и передачи любые комбинации длин волн, в большинстве случаев они определяются характеристиками трансиверов CWDM. В связи с тем, что величина вносимого затухания в оптическом волокне зависит от длины волны, например, для 1550 нм оно составляет приблизительно 0,2 дБ на километр, а для 1310 нм приблизительно 0,4 дБ на километр, предпочтительнее располагать фильтры таким образом, чтобы фильтры для длин волн из «нижнего диапазона» (1290, 1310, 1330 и т.д.) располагались ближе к порту Com мультиплексора, в этом случае общее вносимое затухание для каналов, работающих на этих частотах, будет меньше, чем для длин волн из «верхнего диапазона».

Указываемое в технических характеристиках устройства (мультиплексора) значение максимального вносимого затухания рассчитывается исходя из величины затухания для самого удаленного от порта Com устройства фильтра, в данном случае оно составляет <6 дБ.

Мультиплексор CWDM с уменьшенным вносимым затуханием

Помимо наиболее распространенной последовательной схемы соединения фильтров, которая представлена на рисунке 4, ПРОИНТЕХ использует альтернативные схемы. Одной из таких схем является решение с уменьшенным вносимым затуханием (Рис.5), мультиплексор/демультиплексор на 16 длин волн.

Рисунок 5. Мультиплексор с уменьшенным вносимым затуханием

В данном случае берутся два отдельных устройства, собранные по традиционной последовательной схеме. Первое устройство состоит из восьми CWDM-фильтров, настроенных на длины волн от 1610 нм до 1470 нм. Второе устройство аналогично первому, состоит из восьми CWDM-фильтров, настроенных на длины волн от 1310 нм до 1450 нм. Порты Com обоих устройств соединяются с соответствующими портами полосового тонкопленочного фильтра.

Конструкция полосового фильтра схожа с конструкцией одноканального фильтра (Рис. 3). Его главная отличительная особенность — более широкий диапазон пропускаемых длин волн между портами Pass и Com (1260–1460 нм). Следовательно, между портами Ref и Com диапазон длин волн составляет 1460–1620 нм. Иными словами, данный фильтр делит диапазон длин волн CWDM пополам. Вносимое затухание полосового фильтра такое же, как и у одноканального фильтра. Значение максимального вносимого затухания нетрудно посчитать по приведенной выше формуле, у данного устройства оно не превышает 3,3 дБ.

По сравнению с классической схемой сборки, вносимое затухание в данном случае меньше почти на 3 дБ (или в два раза) при одинаковых выполняемых функциях. Используя устройства с уменьшенным вносимым затуханием, можно увеличить дальность работы системы CWDM примерно на 7,5 километров для длин волн «нижнего диапазона» и на 15 километров для длин волн «верхнего диапазона», не меняя при этом оптические трансиверы.

По сравнению с традиционным CWDM-мультиплексором, аналогичное устройство с уменьшенным вносимым затуханием будет стоить несколько дороже. Если необходимо увеличить дальность передачи сигнала без расходов на дополнительную регенерацию, данное решение является наиболее актуальным.

Мультиплексор CWDM с PLC-сплиттером

Еще одна альтернативная схема мультиплексора CWDM на 4 канала (8 длин волн), собранного с использованием PLC-сплиттера, представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Мультиплексор с PLC сплиттером

В данном случае в качестве оптического мультиплексора устройства CWDM используется PLC-сплиттер 1×4. Оптический демультиплексор построен по «классической» схеме — последовательно соединенные одноканальные фильтры CWDM. Сплиттер соединяется с портом Ref оптического демультиплексора и выполняет функцию мультиплексора. Максимальное вносимое затухание у данного комбинированного устройства не превышает 9,5 дБм.

При расчете затухания в системе, состоящей из таких устройств, необходимо учитывать вносимое затухание на обоих мультиплексорах/демультиплексорах (рис.7), поскольку данные устройства не являются симметричными. Например, для длины волны 1530 нм суммарное вносимое затухание на устройствах будет состоять из затухания на PLC-сплиттере, 4-х одноканальных фильтрах на ближнем демультиплексоре и 4-х одноканальных фильтров на дальнем демультиплексоре.

Из-за высокого вносимого затухания, вносимого PLC-сплиттерами, дальность работы систем передачи CWDM, собранных с использованием таких устройств, уменьшается более чем на 30 километров для длин волн «верхнего диапазона» по сравнению с традиционной схемой (Рис.4).

Рисунок 7. Система из двух мультиплексоров с PLC-сплиттерами

По мере увеличения количества портов PLC-сплиттера существенно увеличивается вносимое затухание, по этой причине число длин волн мультиплексора CWDM, собранного на основе PLC не превышает 8. Однако, у данной схемы есть преимущество – такое устройство существенно дешевле мультиплексора на 8 длин волн, собранного по традиционной схеме.

В отличие от предыдущих схем, при инсталляции такого типа устройств, собранного с использованием PLC-сплиттеров, необходимо уделять особое внимание тому, что порты IN (входящие порты) и OUT (исходящие порты) жестко привязаны. Неправильное подключение хотя бы одного порта ведет к неработоспособности всей системы.

Примечания:

* – приведены усредненные данные, они зависят от марки и производителя фильтров
** – приведены усредненные данные, они зависят от марки и производителя фильтров
*** – рассчитано при значении равном 0,3дБм