Bølgelengdedelingsmultipleksing

Bølgelengdedelingsmultipleksing (forkortet WDM ), i telekommunikasjon , indikerer en type multipleksing som brukes i optiske kommunikasjonssystemer . Faktisk er dette en klassisk multipleksing av FDM -typen der det i optikk foretrekkes å arbeide med å referere til bølgelengdene fremfor de vanlige frekvensene til den elektromagnetiske bølgen som bærer informasjonen .

Beskrivelse

For å modulere forskjellige kanaler på den samme optiske fiberen , brukes forskjellige bærere med forskjellige bølgelengder, en for hver kanal, og intensitets- eller amplitudemodulasjon brukes for enkeltbæreren. På denne måten er det mulig å utnytte det store tilgjengelige optiske båndet til fiberen. Hver kanal multiplekses deretter i TDM etter tur .

I sjargongen kalles bølgelengder også "farger" og WDM-overføring kalles "farget", selv om bølgelengdene som brukes i virkeligheten ikke er i det synlige området.

Et av de største problemene som oppstår ved bruk av WDM-systemer er Cross Phase Modulation , en ikke-lineær effekt på grunn av Kerr-effekten . Faktisk får Kerr-effekten materialet til å absorbere to fotoner samtidig . Denne absorpsjonen fører til en økning i energien til elektronene i materialet, som deretter går tilbake til sin opprinnelige tilstand, og sender ut et annet par fotoner . Energien til disse to re-emitterte fotonene kan være forskjellig fra de to absorberte fotonene (summen vil åpenbart være den samme), og derfor vil bølgelengden også være forskjellig. På denne måten kommer de re-utsendte fotonene inn i en annen kanal , med en annen bølgelengde, og skaper optisk støy på selve kanalen.

WDM Systems

Et WDM-system bruker en sendemultiplekser for å sende flere signaler sammen, og en mottaksdemultiplekser for å skille dem. Ved å bruke riktig type optisk fiber er det mulig å ha en enhet som utfører begge handlingene samtidig og kan fungere som en optisk Add-Drop Multiplexer . De optiske filtreringsenhetene som brukes i modulator-demodulatorer er vanligvis solid-state, enkeltfrekvens Fabry-Pérot interferometre , i form av optisk glass dekket med tynn film.

Den grunnleggende ideen om WDM-systemer ble først publisert i 1970 og i 1978 begynte de å bygges i laboratoriet. De første WDM-systemene kombinerte bare to signaler. Moderne systemer kan håndtere opptil 160 signaler og kan derfor multiplisere båndbredden til en 10 Gbit/s fiber opp til en teoretisk grense på over 1,6 Tbit/s på et enkelt fiberpar.

WDM-systemer er verdsatt av telefonselskaper fordi de lar deg øke tilgjengelig båndbredde i et nettverk uten å måtte kjøre ekstra optisk fiber. Ved å bruke WDM og optiske forsterkere er det mulig å gradvis oppdatere teknologien til nettverksutstyret uten å måtte gjøre om ryggradsnettverket fullstendig . Båndbredden til en bestemt lenke kan økes ganske enkelt ved å oppdatere multiplekserne og demultiplekserne i hver ende av lenken.

Dette oppnås ofte ved å utføre en serie optisk-elektrisk-optiske konverteringer i endene av transportnettverket , og dermed tillate interoperabilitet med eksisterende utstyr med optiske grensesnitt.

De fleste WDM-systemer opererer med enkeltmodusfibre, med en kjernediameter på 9 µm. Noen typer WDM kan også brukes med multimodale fibre som har en kjernediameter på 50 eller 62,5 µm.

De første WDM-systemene var dyre og kompliserte å betjene. Den påfølgende standardiseringen og bedre komprimering av dynamikken til WDM-systemene har imidlertid redusert kostnadene betydelig.

Optiske mottakere, i motsetning til laserkilder, har en tendens til å være bredbåndsenheter. Av denne grunn er det demultiplekseren som må gi bølgelengdeselektivitet i mottak i WDM-systemer.

WDM-systemer kan deles, basert på separasjonen mellom de forskjellige bølgelengdene som brukes, i tett WDM ("dense" DWDM) og grov ("coarse-grained" CWDM). Konvensjonelle DWDM-systemer gir opptil 40 kanaler i det tredje overføringsvinduet (C-båndet) av silisiumfibre, rundt bølgelengden 1550 nm, med en kanalseparasjon på 100 GHz. bølge er det nå mulig å bruke samme overføringsvindu som når 80/96 kanaler med intervaller på 50 GHz; 160-kanals systemer og 25 GHz-områder kalles noen ganger ultra-tett. Teknologien utvikler seg også mot enda mer fleksible systemer som bruker en enda mindre avstand (12,5 GHz) og lar et variabelt antall rutenettbølgelengder tildeles en enkelt optisk kanal avhengig av båndbreddebehovet, noe som gjør det mulig å optimere bruken av spektrum ( flex-grid DWDM-systemer ). Som et eksempel, et 100 Gbit/s-signal som i et DWDM-system med fast nett krever et spor lik 50 GHz med spektrum, i et flex-grid- system kan det distribueres over 3 spor på 12,5 GHz, noe som reduserer 37,5 GHz-båndtildelingen [1] , som er 25 % mindre båndbredde. ITU-T G.694.1-standarden i 02/2012-utgaven inkluderer også definisjonen av egenskapene for flex-grid . [2]

Hver bølgelengde er i stand til å bære signaler med forskjellige bithastigheter; separasjonen av kanalene tillater transport av tjenester på 1 Gbit/s opp til 100 Gbit/s uten å generere interferens (crosstalk) - i denne forbindelse er det nødvendig å understreke viktigheten av en korrekt utforming av det fiberoptiske nettverket som tar hensyn til hensyn til effektene på grunn av spredning, av kraftbalansen mellom de forskjellige kanalene, tilstedeværelsen av spesielle modulasjonsteknikker som kan forstyrre tilstøtende kanaler og så videre. Et 80 bølgelengdesystem med 50 GHz avstand i C-bånd er i stand til å bære 8 Tbit/s med trafikk på et enkelt fiberpar i over 2500 km uten behov for signalregenerering (3R). Så ved å bruke flere bærere (flere bølgelengder), er det også mulig å transportere tjenester med hastigheter høyere enn 100 Gbit/s (typisk 200 eller 400 Gbit/s); bølgelengdene som brukes av det optiske signalet utgjør en " superkanal ". [3]

I grov WDM (CWDM) er separasjonen mellom bølgelengdene som brukes større enn i konvensjonell og DWDM, slik at mindre sofistikerte og derfor rimeligere optiske komponenter kan brukes. For å fortsette å tilby 16 kanaler på en enkelt fiber, bruker CWDM hele frekvensbåndet mellom det andre og tredje overføringsvinduet (henholdsvis 1310/1550 nm) der i tillegg til de to vinduene (minimumspredningsvinduet og det med minimum) dempning) inkluderer også det kritiske området hvor det kan være demping av signalet på grunn av absorpsjon på grunn av tilstedeværelsen av urenheter bestående av hydroksylsyrer OH; av denne grunn anbefales det å bruke optiske fibre uten OH hvis frekvensene til dette kritiske området også skal brukes. På den annen side, ved å fjerne dette, gjenstår kanalene 31, 49, 51, 53, 55, 57, 59 og 61, som er de mest brukte.

En annen forskjell mellom WDM, DWDM og CWDM er relatert til forsterkningen av det optiske signalet. EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier ( Erbium Optical Amplifier ) ​​tillater en god bredspektret forsterkning for C-båndets frekvenser, mens L-båndsforsterkningen vanligvis er mindre effektiv. Å forsterke signalene gjennom Raman-forsterkere gjør det i stedet mulig å utvide forsterkningstrinnene utover 50 dB med seksjonsdempning, noe som for eksempel tillater å redusere forsterkningstrinnene (kommersielle systemer kan bli funnet som, takket være denne teknikken, tillater å forsterke signaler utover 100 km pr. fiberoptisk seksjon). For CWDM, derimot, er bredbåndsoptisk forsterkning ikke tilgjengelig, og begrenser dermed lengden på fiberseksjonene uten regenerering til noen få titalls kilometer.

Grov WDM

Opprinnelig var begrepet grovbølgelengdedelingsmultipleksing (CWDM) ganske generisk og indikerte en rekke forskjellige bruksområder, som imidlertid alle har det til felles at valget i kanalavstand og frekvensstabilitet er slik at det ikke tillater bruk av erbiumdopet fiberforsterker ( EDFA ). Før ITU-T introduserte en formell og standardisert definisjon av begrepet, betydde den vanlige betydningen for CWDM generisk multipleksing av to (eller flere) signaler på en enkelt fiber, ved å bruke bølgelengden på 1550 nm for en og 1310 nm for annen.

I 2002 med ITU-T G.694.2-anbefalingen standardiserte ITU et rutenett med atten kanaler med bølgelengder mellom 1270 nm og 1610 nm og med en avstand på 20 nm. En påfølgende revisjon av anbefaling G.694.2 (2003) forskjøv senterfrekvensen til hver kanal med 1 nm, slik at kanalene faktisk er mellom 1271 og 1611 nm. [4] CWDM-nettbølgelengder under 1470 nm anses å være "ubrukelige" med eldre fibre spesifisert i ITU-T-anbefaling G.652 på grunn av den høye dempningen introdusert i 1270–1470 nm spektrumbåndet. De mest moderne fibrene, som oppfyller egenskapene definert i ITU-T G.652.C og G.652.D [5] standardene , har nesten eliminert dette problemet og tillater derfor bruk av alle 18 kanaler definert av ITU for nettverk undergrunnsbaner.

10GBASE -LX4- standarden for fysiske lag for 10 gigabit Ethernet er et eksempel på et CWDM-system som bruker fire bølgelengder rundt 1310nm, hver dedikert til å bære et 3.125Gbit/s-signal, multiplekset sammen for å utgjøre en samlet signalflyt ved 10 Gbit/s.

Selv med ITU-standardisering forblir hovedfunksjonen som skiller CWDM-systemer en kanalavstand som ikke tillater bruk av EDFA-forsterkere. Dette innebærer at den totale rekkevidden til en CWDM-seksjon når rundt 60 km (for et 2,5 Gbit/s-signal), som imidlertid er tilstrekkelig for bruk i storbynettverk. De løse kravene til frekvensstabiliteten til bølgelengdene som brukes gjør at kostnaden for et CWDM-system ikke er mye høyere enn for et ikke-WDM-optisk system.

CWDM-multipleksing brukes også i kabel-tv- nettverk , der forskjellige bølgelengder brukes for nedstrømssignalet (faktisk fjernsynsoverføring) og oppstrømssignalet (interaksjon med sluttbrukeren). I denne typen applikasjoner er bølgelengdene godt fordelt, for eksempel med nedstrømssignalet som opererer på 1310 nm mens det oppstrøms bruker 1550 nm.

En interessant teknologisk utvikling er realiseringen av utskiftbare transceivermoduler ( Small form-factor pluggable , SFP) og gigabit Ethernet -grensesnittomformere ( GigaBit Interface Converter , GBIC) som gjør det mulig å utvikle på en veldig enkel måte eldre systemer basert på transceivermoduler av SFP-typen . For eksempel kan en elektrisk grensesnittbryter konverteres til en CWDM-grensesnittbryter ved ganske enkelt å bytte ut modulene på riktig måte.

Passiv CWDM er en type implementering som ikke krever strømforsyning og oppnår separasjon av bølgelengder ved å bruke bare passive optiske komponenter som optiske båndpassfiltre og prismer, og for disse egenskapene brukes det ofte til å bringe fiberkabling opp til hjemmet til sluttbruker ( FTTH , Fiber til hjemmet ).

Tett WDM

Begrepet Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) refererer til multipleksing av optiske signaler i 1550 nm-båndet med egenskaper som gjør det mulig å utnytte egenskapene (og kostnadene) til EDFA-forsterkere, som er effektive i 1525-1565 nm-spektrumbåndene. ( C-bånd) og 1570–1610 nm (L-bånd). Opprinnelig var bruken av EDFA-forsterkere ment å erstatte de optiske regeneratorene til SDH / SONET-nettverk for å unngå optisk-elektrisk-optisk konvertering, som faktisk gjorde regeneratorer foreldet. En EDFA er i stand til å forsterke ethvert optisk signal i dets nyttige bånd uavhengig av bithastigheten som brukes til modulering . I en kontekst med flere bølgelengder er en EDFA, innenfor grensene for pumpeenergien, i stand til å forsterke alle de optiske signalene som kan multiplekses i forsterkningsspekteret (med tanke på at signaltettheten uansett er begrenset. valg av type modulasjon). EDFAer tillater derfor å øke transportkapasiteten ( bithastigheten ) til en optisk kobling ganske enkelt ved å erstatte elementene i endene; Tilsvarende kan optiske lenker med enkelt bølgelengde utvikles til WDM-koblinger til en rimelig pris, ettersom kostnadene for EDFA er delt på tvers av alle kanalene den er i stand til å multiplekse.

Komponenter i et DWDM-system

Hovedkomponentene i et typisk DWDM-system er:

  1. En "terminalmultiplekser" eller DWDM-terminal: denne enheten er utstyrt med individuelle transpondere for hvert inngangssignal, en optisk multiplekser og, der det er nødvendig, en optisk EDFA-forsterker. Hver transponder mottar et optisk signal fra en ekstern datakilde (for eksempel en SDH- eller SONET-enhet eller en annen type telekommunikasjonsenhet), konverterer det til et elektrisk signal og sender det deretter på nytt på en bestemt bølgelengde, forskjellig for hver inngang, ved hjelp av en laser i 1550 nm-båndet. Disse signalene ved forskjellige bølgelengder blir deretter kombinert sammen av den optiske multiplekseren til et aggregert optisk signal og deretter sendt over en enkelt fiber (for eksempel av SMF-28-typen). Terminalen kan valgfritt også utstyres med en EDFA-sender for å forsterke utgangssignalet. De første DWDM-terminalene utviklet på midten av nittitallet ga 4 eller 8 transpondere; allerede på 2000-tallet var terminaler i stand til å multiplekse opptil 128 signaler kommersielt tilgjengelige.
  2. En "intermediate line repeater" (eller Intermediate Line Amplifier , ILA): dette er en enhet plassert hver 80.-100 km som har som oppgave å kompensere for dempningen i kraften til det optiske signalet på grunn av lengden på fiberen. I utgangspunktet er det en flertrinns EDFA-forsterker som forsterker det aggregerte optiske signalet på nytt.
  3. En «mellomliggende optisk terminal» ( Optical Add-Drop Multiplexer , OADM): dette er en enhet som utfører både funksjonen til en repeater og den å legge til eller trekke ut noen bølgelengder av det multipleksede signalet lokalt. Denne typen enhet er også i stand til å utføre optiske diagnostiske målinger og sette inn eller trekke ut telemetrisignaler for å lokalisere eventuelle brudd i fiberen eller for å overvåke og eventuelt justere de optiske parameterne. I de første systemene krevde lokal ekstraksjon / tillegg av bølgelengder bruk av maskinvare dedikert til faste filtre, noe som innebar at for å øke eller ganske enkelt endre de lokalt innsatte/ekstraherte bølgelengdene var det nødvendig med en fysisk intervensjon som kunne forårsake midlertidig avbrudd på hele multiplekset signal. Siden midten av 2000-tallet har ROADMer (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexers ) blitt introdusert som lar programvare velge bølgelengdene som skal legges til / trekkes ut lokalt (for eksempel ved bruk av tunbare filtre eller WSS ), og dermed gir større fleksibilitet. Spesielt tillater bruken av WSS ikke bare å trekke ut / legge til lokalt avsluttede bølgelengder, men også å flytte dem til en annen multiplekset strøm (og derfor til en annen fiber), og dermed skape en optisk type DWDM-svitsj. Antallet forskjellige fibre som en enkelt ROADM er i stand til å bytte på, blir referert til som "grade number": en grunnleggende OADM, hvis rekonfigurerbar, som bare har en inngangsfiber og en utgangsfiber er en ROADM ved 2 grader. En 4-graders ROADM lar for eksempel starte fra en inngangsfiber, sortere de individuelle bølgelengdene på 3 mulige utgangsfibre. Denne typen nettverkselementer gjør det mulig å lage meshed topologi optiske nettverk , som effektivt blir en optisk kryssforbindelse .
  4. En "terminal demultiplekser" som utfører den inverse funksjonen til terminalmultiplekseren, det vil si at den bryter ned hele det aggregerte optiske signalet til de individuelle komponentbølgelengdene som deretter overføres til en transponder som gjennom optisk-elektrisk-optisk konvertering trekker ut signalet til den eksterne datakilden. I de fleste kommersielle systemer er terminalmultiplekser- og terminaldemultiplekserfunksjonen kombinert sammen i samme nettverkselement, slik at toveis grensesnitt kan administreres. For høyhastighetssignaler (fra 40 Gbit/s og oppover) er de mest moderne transpondere som implementerer OTN ITU-T G.709-standarden også utstyrt med feildeteksjons- og korreksjonssystemer ( Forward Error Correction , FEC) som tillater økt effektiv rekkevidde.
  5. En " Optical Supervisory Channel " ( OSC): Dette er en separat hjelpedatakanal som bruker en separat bølgelengde, vanligvis utenfor EDFA-forsterkningsbåndet (1510 nm, 1620 nm, 1310 nm eller andre proprietære bølgelengder). OSC-en bærer informasjon relatert til det multipleksede signalet og statusinformasjon relatert til terminalen og/eller den eksterne EDFA-forsterkeren. Den brukes også som en generisk datakanal for å tillate for eksempel eksterne programvareoppdateringer eller som en støttekanal for nettverksadministrasjon . ITU-standarden [6] [7] foreslår å bruke en struktur av typen OC-3 / STM-1, men noen produsenter bruker direkte et Fast Ethernet -format eller høyere. I motsetning til det multipleksede optiske signalet, avsluttes OSC-kanalen alltid i de mellomliggende forsterkningsnodene, hvor informasjonen behandles og deretter sendes på nytt nedstrøms.

Merknader

  1. ^ Tanjila Ahmed, Evolution from Wavelength-Switched to Flex-Grid Optical Networks ( PDF ) , på networks.cs.ucdavis.edu , UCDavis , University of California, 11. august 2017.
  2. ^ ITU-T G.694.1 .
  3. ^ Hidenori Takahashi, Koki Takeshima, Itsuro Morita og Hideaki Tanaka, 400 - Gbit/s optisk OFDM-overføring over 80 km i 50 GHz frekvensnett , i den 36. europeiske konferansen og utstillingen om optisk kommunikasjon , september 2010.
  4. ^ ITU-T G.694.2 .
  5. ^ ITU-T G.652 .
  6. ^ ITU-T G.692 .
  7. ^ ITU-T G.872 .

Bibliografi

Relaterte elementer

Andre prosjekter