WDM

Uzyskiwanie dużych przepływności w łączach transkontynentalnych jest możliwe nie tylko dzięki wzmacniaczom optycznym EDFA, ale również przez stosowanie technologii zwielokrotnienia falowego WDM (Wavelength Division Multiplexing). Natura szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych pozwala w pojedynczym włóknie światłowodowym na równoczesną transmisję (np… O przepływności 2,5 Gb/s) wielu optycznych fal nośnych o odmiennych częstotliwościach, z których każda stanowi odrębny, całkowicie niezależny kanał transmisyjny. Sumaryczna przepływność takiego włókna ze wzmacniaczami EDFA ulega zwielokrotnieniu przez liczbę fal nośnych prowadzonych we włóknie światłowodowym, np…: 4x2,5 Gb/s = 10 Gb/s (standard G.652). W zaawansowanych systemach zwielokrotnienia w jednym włóknie optycznym mieści się obecnie kilkaset kanałów optycznych, osiągając pojemność transmisyjną BL od 100 do 500 (Tb/s)*km.

Pasma optyczne DWDM

Sposób zwiększenia przepływności toru przez powielanie falowe kanałów informacyjnych na bliskich, lecz różnych częstotliwościach pracy jest określany jako zwielokrotnienie falowe z podziałem długości fak WDM (Wavelength Division multiplexing). Wyumaga ono spójnego źródła światła z jednoczęstotliwościowych laserów o wąskiej charakterystyce widma i bardzo stabilnej częstotliwości pracy oraz elementów do multipleksacji i demultipleksacji fal optycznych o różnych długościach fal. Możliwa jest wtedy jednoczesna transmisja w jednym włóknie wielu fal optycznych o niewiele różniących się częstotliwościach, z których każda stanowi odrębny kanał transmisyjny o ustalonej maksymalnej szybkości transmisji, np. 2,5 Gb/s. Sumaryczna przepływność takiego włókna ulega zwielokrotnieniu tyle razy, ile jest optycznych fal nośnych prowadzonych w światłowodzie.

Produkowane w latach 80. XX w. włókna światłowodowe ze szkła kwarcowego (SiO2), zanieczyszczone jonami wodorotlenkowymi OH-, miały zadowalającą tłumienność jedynie w oknach optycznych II (1310 nm) i III (1550 nm) – stosowanych w systemach transmisyjnych PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) i SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Obecnie zakres fal, w którym tłumienność włókna nie przekracza 0,5 dB/km, obejmuje fale świetlne o długości od 1200 do 1750 nm. Powyżej 1700 nm włókna optyczne są bardzo wrażliwe na zginanie i zmiany temperaturowe. Do wykorzystania pozostaje więc pasmo z zakresu fal 1270–1700 nm (176–236 THz), co daje łącznie szerokość pasma ok… 60 THz.

Systemy transmisyjne DWDM korzystają z fal świetlnych o częstotliwościach mieszczących się głównie w oknach optycznych III i IV włókna. Większość dotychczasowych rozwiązań DWDM operuje głównie w pasmie C (Con­ventional-Band) o długości fal świetlnych 1530–1565 nm, pokrywającym się z zakresem wzmacniaczy optycznych EDFA. Rozwój technologii światłowodowej pozwala zaadaptować kolejne, nowe pasma transmisyjne obejmujące pasmo L (Longwave-Band), czyli fale 1565–1625 nm już użytkowane w wielu nowoczesnych platformach optycznych, a także pasmo S (S-Band) o długości 1380–1520 nm – przeznaczone do zastosowań w dalszej kolejności. W najnowszych rozwiązaniach światłowodów wyeliminowano także niekorzystne zjawisko piku „tłumienia wodnego”, spowodowanego działaniem jonów OH-, występującego przy częstotliwościach o długości fali około 1400 nm. Maksymalne przepływności osiągane w seryjnie produkowanych systemach optycznych DWDM – korzystające z pasma C i L o łącznej szerokości ok… 10 THz – wynoszą obecnie ponad 3,2 Tb/s w jednym włóknie (320 kanałów po 10 Gb/s z odstępem 25 GHz).

W laboratoriach dąży się do jeszcze lepszego wykorzystania włókien optycznych, przystosowanych do transmisji 40 Gb/s w pełnym zakresie pasma 1380–1625 nm i z dużą liczbą kanałów. W najlepszych włóknach z przesuniętą niezerową dyspersją w pasmie C wartość dyspersji wynosi średnio od 0,1 do 6 ps/nm*km, dzięki temu jest możliwe skompensowanie wpływu zjawisk nieliniowych – szczególnie szkodliwych w łączach długodystansowych. Takie rozwiązanie umożliwia osiągnięcie większego odstępu pomiędzy sygnałem użytkowym a szumem S/N, co objawia się powiększeniem dystansu między sąsiednimi regeneratorami sygnału.

Pojemność transmisyjna światłowodów jest gigantyczna. Oczekuje się, że produkowane w niedalekiej przyszłości światłowody będą oferowały pasmo o szerokości 50–100 THz (obecnie 25 THz), co będzie stanowić ok… 2000 razy więcej niż całe użyteczne widmo radiowe dostępne na Ziemi.

Rodzaje zwielokrotnienia

Zwielokrotnieniem falowym określa się metodę, umożliwiającą transmisję pewnej liczby podobnych sygnałów informacyjnych jednym kanałem transmisyjnym, lecz na różnych częstotliwościach fal świetlnych. Sposób zwiększenia przepływności toru przez falowe powielenie kanałów informacyjnych na bliskich, lecz różnych częstotliwościach pracy jest określany jako zwielokrotnienie falowe z podziałem długości fal WDM. W miarę rozwijania tej technologii uzyskano wiele wersji zwielokrotnienia WDM.

Przyjmuje się, że sam sposób zwielokrotnienia oraz zwielokrotnienia do kilku lub najwyżej kilkunastu fal optycznych w jednym oknie włókna światłowodowego oznacza się jako WDM. Ostatnio dużą popularność zyskuje proste i tanie rozwiązanie z szerokim odstępem międzykanałowym i rzadkim zwielokrotnieniem CWDM (Coarse WDM), pozwalające na jednoczesną transmisję do czterech niezależnych kanałów optycznych o przepływności ok… 1,25 Gb/s (2,5 Gb/s) każdy – stosowane w rozwiązaniach lokalnych FTTO (Fiber To The Office) lub FTTD (Fiber To The Desk). Istotną cechą technologii CWDM jest kilkakrotne (2–10 razy) podwyższenie przepływności standardowego włókna światłowodowego – bez potrzeby stosowania zaawansowanych i drogich podzespołów optycznych, takich jak lasery o wysokiej stabilności czy wzmacniacze EDFA. Stosowanie technologii CWDM ma na celu dostarczyć możliwie najtańsze rozwiązanie czysto optycznego dostępu bezpośrednio do abonenta końcowego, przy odległościach sięgających najwyżej kilkadziesiąt kilometrów (im więcej kanałów tym krótszy zasięg).

Zwielokrotnienia o większej liczbie kanałów i większej gęstości (odstęp międzyfalowy 0,8 nm) określa się jako gęste DWDM (Dense WDM), a także jako ultragęste UWDM (Ultra WDM) przy odstępach międzykanałowych 0,4 nm (50 GHz) lub mniejszych. Uzyskiwana w ten sposób łączna i jednokierunkowa przepływność w pojedynczym włóknie światłowodowym może więc wielokrotnie przekraczać umowną wielkość 10 Gb/s. Istniejące rozwiązania komercyjne umożliwiają transmisję z szybkością 3,2 Tb/s lub 6,4 Tb/s, przez pojedyncze włókno światłowodu wykonanego w technologii UWDM. W warunkach laboratoryjnych uzyskuje się szybkości ponad 10 Tb/s (firma NEC) i bada się przepływności sięgające 20 Tb/s przez jedno wielofalowe włókno optyczne (2001 r.).

Zwielokrotnienie falowe stosuje się do dystrybucji informacji na najniższym poziomie sieci przezroczystej, w której abonent końcowy otrzymuje pełną swobodę wyboru i dostępu (płatnego) do wszystkich oferowanych kanałów, po przeprowadzeniu detekcji własnego kanału za pomocą odpowiedniego filtru optycznego.

Dzięki mniejszej wrażliwości sygnałów optycznych na efekty nieliniowe (np… Mieszanie czterofalowe) podczas pracy na mniejszych szybkościach w medium transmisyjnym, a także większej dostępności na rynku elementów techniki WDM stosowanie przekazów ze zwielokrotnieniem falowym o niewielkiej krotności fal z użyciem standardowych kabli światłowodowych wydaje się najwłaściwszą metodą zwiększania ogólnej przepustowości sieci optycznej. Upraszczając problem, przez wprowadzenie techniki WDM uzyskuje się zupełnie nowe możliwości w zakresie przepływności sieci optycznej, wykorzystując stare, już zainstalowane kable światłowodowe.

Idea działania zwielokrotnienia WDM nie przekłada się na prostotę konstrukcji poszczególnych elementów systemu, a zwłaszcza urządzeń przełączających. Trudności w realizacji systemów ze zwielokrotnieniem falowym są wprost proporcjonalne do krotności fal optycznych, długości linii transmisyjnej i wielkości przepływności binarnej sieci. Duża różnorodność elementów składowych, wiele już funkcjonujących rozwiązań technicznych, stosowanie odmiennych technologii wytwarzania multiplekserów i demultiplekserów optycznych, także różnych topologii połączeń sieci, a nade wszystko brak uzgodnionych i obowiązujących standardów (z wyjątkiem częstotliwości) powodują, że istniejące systemy WDM, pochodzące od różnych producentów, nie są jeszcze zupełnie zgodne.

Wśród pozytywnych cech, charakterystycznych dla technologii optycznego zwielokrotnienia falowego WDM, do najbardziej istotnych należą:

• możliwość stopniowej rozbudowy istniejącego systemu transmisji danych – bez konieczności wymiany już położonych torów światłowodowych;
• całkowita niezależność kanałów optycznych, co umożliwia prowadzenie przekazów w różnych formatach transmisyjnych;
• osiąganie wysokich przepływności binarnych, wielokrotnie przewyższających podstawową szybkość transmisji w medium;
• brak potrzeby stosowania jakichkolwiek dodatkowych sygnałów zegarowych, próbkowania czy synchronizacji przy zwiększaniu liczby kanałów optycznych;
• wzmacnianie wszystkich kanałów transmisji za pomocą jednego wzmacniacza optycznego (EDFA, Ramana);
• możliwość tworzenia wielokanałowych połączeń dwupunktowych przydatnych w przekazach dalekosiężnych;
• realizacja przezroczystych kanałów optycznych z wykorzystaniem ścieżek wirtualnych działających w różnych topologiach sieciowych.

Granice przepływności WDM

Obecnie stosowane (2001 r.) zwielokrotnienia falowe w komercyjnych rozwiązaniach DWDM osiągają 320 kanałów optycznych w jednym włóknie, a eksperymentalnie udało się uzyskać (1999 r.) działanie systemu z 1021 kanałami optycznymi. Zwielokrotnienia długości transmitowanych fal we włóknie nie można jednak dokonywać w nieskończoność z dwóch powodów: sygnał wysłany ze zbyt małą mocą jest zagłuszany przez szumy systemu, natomiast zbyt silny sygnał źródła zakłóca pozostałe sygnały optyczne w systemach wielokanałowych.

Teoretyczne obliczenie szybkości transmisji danych we włóknie szklanym wcale nie okazało się łatwym zadaniem. Jest to spowodowane skomplikowanymi zjawiskami związanymi z mieszaniem fal świetlnych we włóknach światłowodowych, w których sygnał świetlny nie rozprzestrzenia się ze stałą szybkością (jak to ma miejsce w swobodnej przestrzeni). Nietypowe zjawisko zachowania się takiej fali optycznej fizycy nazwali „odpowiedzią nieliniową” medium. Efekty nieliniowości optycznej sprawiają, że część sygnału przesyłanego przez włókno zamienia się w szum, a w konsekwencji precyzyjne obliczenie szybkości przesyłania danych przez włókno światłowodowe jest kłopotliwe.

Określenie maksymalnych przepływności w technologii WDM wymagało zastosowania analogii do fizyki kwantowej, a także elementów teorii informacji. Dopiero niedawno oszacowano, ile danych można maksymalnie przesłać ze stacji nadawczej do stacji odbiorczej przy użyciu światłowodowych systemów telekomunikacyjnych, wykorzystujących technologię zwielokrotnienia falowego WDM z maks. Liczbą kanałów optycznych. Równoczesne transportowanie w jednym włóknie światłowodowym wielu fal optycznych o różnych kolorach (długościach fal) powoduje powstawanie wielorakich zakłóceń, w większości o nieliniowej charakterystyce, pogarszających jakość sygnału optycznego (im więcej kolorów, tym silniejszy szum interferencyjny).

Stwierdzono doświadczalnie (Bell Labs, 2001 r.), że przy zastosowaniu długości fal i parametrów, używanych w najlepszych obecnie światłowodach i sieciach telekomunikacyjnych, będzie możliwe uzyskanie przepływności około 100 Tb/s w jednym włóknie – bez pojawiania się nadmiernych szumów i zakłóceń między kanałami. Dostępne komercyjnie platformy optyczne umożliwiają transmisję z szybkością użytkową jedynie ok… 2 Tb/s, a testowane są platformy o przepływności niewiele powyżej 10 Tb/s.

Stosowane w optoelektronice systemy modulacji umożliwiają uzyskanie w pojedynczym włóknie przepływności sięgającej 20 Tb/s. Zastosowanie bardziej wyrafinowanej, wielopoziomowej modulacji QAM (Quadrature Amplitude Modulation) może teoretycznie podwyższyć tę przepływność do 200 Tb/s. Natomiast graniczna szybkość maksymalna, wynikająca wprost z prawa Shannona, wynosi dla światłowodu ok… 350 Tb/s i nie może być w żadnym przypadku przekroczona za pomocą jakichkolwiek stosowanych technik modulacyjnych.