Спектральные окна в ВОЛС: принцип выбора при проектировании разных типов сетей
При расчёте каналов передачи по волокну приходится исходить из физических характеристик среды и доступных диапазонов. В телекоммуникации выделяют три основных окна, в которых затухание минимально и использование каналов передачи наиболее оправдано. Диапазоны 850, 1310 и 1550 нм выделены не случайно. Каждый из них имеет свои особенности, и выбор зависит от длины участка, вида модуляции и применяемого оборудования.
На отрезках до 2 км допустимо использовать зону 850 нм. Волокно с многомодовой структурой в этом диапазоне даёт затухание около 2,5–3 дБ/км. В системах без требования к высокой дальности или пропускной способности этот диапазон часто оказывается оптимальным. В этой полосе работают стандартные VCSEL-источники. Их рабочий ресурс и стабильность вполне соответствуют задачам локальных сетей в пределах зданий и кампусов.
На длинах около 10 км и выше переходят к 1310 нм. В этой зоне наблюдается минимум хроматической дисперсии, что критично при передаче сигналов с высокой скоростью.
Одномодовые волокна в этом диапазоне показывают потери порядка 0,35 дБ/км. Источники лазерного типа на базе DFB и FP работают устойчиво, позволяя передавать сигнал с приемлемыми искажениями.
Для городских магистралей и распределительных участков такая зона считается предпочтительной, особенно если не требуется плотное спектральное уплотнение.
Полоса 1550 нм характеризуется самыми низкими потерями среди всех выделенных диапазонов. Здесь типичное затухание — 0,2 дБ/км, а в некоторых случаях и ниже. Это позволяет организовывать линии на расстояния свыше 80 км без промежуточного усиления.
Однако в этом диапазоне усиливается влияние хроматической дисперсии, достигающей 17 пс/нм·км. Поэтому для систем с плотным уплотнением каналов по длине волны требуется компенсация дисперсии с помощью специальных волокон или модулей.
Решая, какой диапазон задействовать, учитывают тип волокна. Многомодовое применяется в пределах зданий и на коротких магистралях, где стоимость оборудования и монтаж важнее дальности. В таких условиях диапазон 850 нм позволяет упростить архитектуру. Одномодовое подходит для всех сетей свыше 2 км. В частности, для связи между узлами оператора, где играет роль как расстояние, так и стабильность передачи.
При построении пассивных оптических сетей стандартного типа GPON спектральное окно 1490 нм отводится под передачу данных абоненту, а зона 1310 нм — под обратную передачу. Управление и видеосигналы размещают на 1550 нм. Такая схема позволяет минимизировать взаимные помехи и распределить потоки по назначению без дублирования волокон.
В системах CWDM и DWDM используют уплотнение каналов. В первом случае спектральный шаг 20 нм и диапазон от 1270 до 1610 нм. Во втором плотность каналов выше, шаг — 0,8 нм. Система может включать до 96 каналов в пределах 1525–1565 нм. Для таких решений критично точное соответствие характеристик излучателя и приемника, а также поддержание стабильной температуры, так как отклонения вызывают смещение длины волны.
Размещение каналов в спектре должно учитывать нелинейные эффекты. При высокой мощности возникают явления четырехволнового смешения и стимуляции рамана. Для их ограничения применяют ограничение мощности источника, а также разделение каналов. Также существует проблема водородного поглощения в диапазоне 1383 нм, связанная с остатками OH-групп. Современные волокна типа G.652D лишены этого недостатка.
Расчёт длины трассы должен сопровождаться оценкой потерь. Общая формула: L = (Ptx - Prx - M) / A, где Ptx — мощность источника, Prx — чувствительность приёмника, M — запас на старение и соединения, A — затухание на километр. В зависимости от используемого окна значение A меняется. Для 1550 нм принимают 0,2 дБ/км, для 1310 — 0,35 дБ/км, для 850 — около 2,7 дБ/км. Подбор источника с соответствующей длиной волны и достаточной мощностью требуется на этапе проекта.
В линиях между городами приоритет получают системы, работающие в зоне 1550 нм с возможностью усиления EDFA. Усилители этого типа эффективны именно в пределах 1530–1565 нм. Их применение позволяет не использовать регенерацию сигнала каждые 80–100 км. Это критично для длинных каналов, где регенерация значительно удорожает линию.
При монтаже оборудования важно обеспечить соответствие длины волны источника и диапазона приёмника. Отклонение на несколько нанометров в CWDM-системах допустимо, но в DWDM это вызывает критическое несовпадение и потерю синхронизации. В точке входа в оптический тракт обязательно наличие фильтров с характеристиками, согласованными с выбранным спектральным диапазоном. Фильтрация по длине волны выполняется с точностью до 0,1 нм при плотном уплотнении.
Для муниципальных систем, обслуживающих районы до 20 км, разумно использовать зоны 1310 и 1490 нм, сочетая простоту оборудования с приемлемыми потерями. При этом выбор окон согласуется с ГОСТ Р 55661, определяющим технические параметры систем PON и требования к уровню потерь. В частных решениях применяют и нестандартные зоны, включая 1625 нм, отведённые для мониторинга.
В составе оборудования для окон 1310 и 1550 применяются лазеры DFB, характеризующиеся узкой полосой и стабильной длиной волны. При этом ширина спектра составляет около 1–2 МГц. Для уплотнённых систем предпочтение отдаётся охлаждаемым источникам с температурной стабилизацией, обеспечивающим точность до ±0,1 нм.
На практике выбор окон обусловлен не только характеристиками волокна, но и параметрами разветвителей, муфт, адаптеров. Пропускная способность этих компонентов должна соответствовать рабочему диапазону. Например, кассеты и фильтры, рассчитанные на 1260–1620 нм, не подходят для задач в 850 нм, из-за высокой потери в этом спектре.
При проектировании стоит учитывать отражения от коннекторов. На длине волны 1550 нм уровень обратного отражения должен быть не выше −55 дБ. Применяют угловые разъёмы типа APC, уменьшающие отражение. Это особенно актуально в системах, чувствительных к обратным сигналам, таких как DWDM и GPON.
С учётом всех факторов для каждого участка сети подбирают своё окно. Магистральные линии требуют минимальных потерь и допускают компенсацию дисперсии. Для распределительных участков важна устойчивость сигнала и допустимый уровень затухания. Внутри зданий делают ставку на совместимость с бюджетным оборудованием и простоту монтажа.