Klassifizierung optischer Übertragungssysteme

Fibermart
Dienstag 10 März, 2015
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Optische Übertragungssysteme, auch Glasfasernetze genannt, bilden das Herzstück moderner Telekommunikationssysteme. Sie bieten beispiellose Kapazität und die nötige Flexibilität für die Unterstützung einer Vielzahl sich entwickelnder und neu entstehender Breitbandanwendungen. Insbesondere die Entwicklung der WDM-Technologie senkt die Kosten optischer Übertragungssysteme erheblich und fördert deren Weiterentwicklung. Dieses Dokument erläutert die Klassifizierung optischer Übertragungssysteme und hilft Ihnen, diese zu verstehen.

Optische Schlüsselkomponente des optischen Übertragungssystems

In diesem Abschnitt werden die grundlegenden optischen Komponenten eines optischen Übertragungssystems beschrieben. Die folgende Abbildung zeigt ein beispielhaftes optisches Netzwerk mit den wichtigsten optischen Komponenten. Die durchgängige optische Übertragung umfasst sowohl elektrische als auch optische Signalwege. Zur Umwandlung vom elektrischen in den optischen Bereich werden optische Sender verwendet, zur Umwandlung in die entgegengesetzte Richtung (Umwandlung von optisch nach elektrisch) optische Empfänger. Die Glasfasern dienen als Grundlage eines optischen Übertragungssystems, da sie als Medium zur Übertragung der optischen Signale von der Quelle zum Ziel dienen. Die Glasfasern dämpfen das Signal während der Übertragung, und zur Wiederherstellung der Signalqualität müssen optische Verstärker wie Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) , Raman-Verstärker oder parametrische Verstärker eingesetzt werden. Der Verstärkungsprozess geht jedoch mit zusätzlichem Rauschen einher. Das einfachste optische Übertragungssystem verwendet nur eine Wellenlänge. Das Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM) kann als Weiterentwicklung des Einwellenlängensystems betrachtet werden. WDM entspricht dem Verfahren, bei dem mehrere optische Träger mit unterschiedlichen Wellenlängen mithilfe unabhängiger elektrischer Bitströme moduliert und dann über dieselbe Glasfaser übertragen werden. WDM kann die enorme Bandbreite der Glasfaser voll ausnutzen. Bei der Übertragung von WDM-Signalen müssen gelegentlich eine oder mehrere Wellenlängen hinzugefügt oder weggelassen werden. Dies übernimmt die optische Komponente, die als optischer Add-Drop-Multiplexer (OADM) bezeichnet wird. Optische Netzwerke erfordern die Vermittlung von Informationen zwischen verschiedenen Glasfasern, was per optischer Querverbindung (OXS) erfolgt. Wellenlängenmultiplexer werden verwendet, um mehrere Kanäle mit unterschiedlichen Wellenlängen zu einem Gesamtkanal zu kombinieren. Um den WDM-Gesamtkanal hingegen in unterschiedliche Wellenlängenkanäle aufzuteilen, werden Wellenlängendemultiplexer verwendet. Zur Aufprägung des Informationssignals werden optische Modulatoren verwendet. Optische Modulatoren werden üblicherweise in Kombination mit Halbleiterlasern eingesetzt.

Ein beispielhaftes optisches Netzwerk mit den wichtigsten optischen Komponenten

Klassifizierung optischer Übertragungssysteme

Optische Übertragungssysteme können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden. In diesem Abschnitt werden die Klassifizierungen optischer Übertragungssysteme aus verschiedenen Blickwinkeln erläutert.

Nach Betriebswellenlängenbereich

Ein großer Wellenlängenbereich des optischen Systems kann eine sehr hohe Kapazität für das optische Übertragungssystem bereitstellen. Der Glasfasertyp, die Quelleigenschaften, der Systemdämpfungsbereich und die Dispersion des optischen Pfads bestimmen den Wellenlängenbereich.

Spektralbänder von Singlemode-Glasfasersystemen in ITU-Empfehlungen:

Band	Wellenlängenbereich	Beschreibung
O-Band	1260 nm -1360 nm	Ursprüngliches Band - Die Grenzwellenlänge des Kabels bestimmt, dass die untere Grenzwellenlänge 1260 nm beträgt. Die obere Grenze von 1360 nm wurde als ansteigende Flanke des „Wasser“-Dämpfungsbandes mit einem Maximum bei 1383 nm gewählt.
E-Band	1360 nm -1460 nm	Erweitertes Band - Die Empfehlung ITU-T G.652 umfasst auch Fasern mit einem niedrigen Wasserdämpfungspeak, was die Nutzung des Bandes oberhalb von 1360 nm ermöglicht. Die Auswirkungen eines kleinen Wasserpeaks sind bei Wellenlängen über etwa 1460 nm vernachlässigbar
S-Band	1460 nm - 1530 nm	Kurzwellenband – Die Untergrenze dieses Bandes entspricht der Obergrenze des E-Bandes. Die Obergrenze entspricht der Untergrenze des C-Bandes. EDFAs sind mittlerweile mit relativ flachen und breiteren Verstärkungen verfügbar, und die Anwendung von EDFAs in diesem Band ist zumindest in einem Teilbereich möglich. Einige Wellenlängen dieses Bandes können auch zum Pumpen von optischen Faserverstärkern genutzt werden, sowohl vom Aktivionentyp als auch vom Raman-Typ.
C-Band	1530 nm - 1565 nm	Konventionelles Band – Ursprünglich hatten Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) nützliche Verstärkungsbänder, die bei etwa 1530 nm begannen und bei etwa 1565 nm endeten. Dieses Verstärkungsband wurde als „C-Band“ bekannt.
L-Band	1565 nm - 1625 nm	Langes Wellenlängenband – Für die längsten Wellenlängen oberhalb des C-Bandes ist die Leistung von Glasfaserkabeln über einen Temperaturbereich von bis zu 1625 nm für aktuelle Glasfasertypen ausreichend.

Nach Fasermodi

Optische Übertragungssysteme lassen sich je nach Fasermodus in zwei Typen unterteilen: Multimode- und Singlemode-Systeme. Bei Multimode-Systemen wird die Multimode-Faser als Netzwerkleitung verwendet. Die Übertragungsfrequenz ist begrenzt, weshalb sie üblicherweise in Übertragungssystemen mit 140 Mbit/s eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu werden bei Singlemode-Systemen Singlemode-Glasfaserkabel verwendet. Diese verfügen über eine höhere Kapazität und eignen sich für die Fernübertragung. Sie werden heutzutage häufig in optischen Übertragungssystemen eingesetzt.

Nach optischem Übertragungsmodell

Derzeit gibt es zwei grundlegende optische Übertragungsmodelle: das analoge optische Übertragungssystem und das digitale optische Übertragungssystem. Das analoge optische Übertragungssystem moduliert die Intensität der Quelle direkt durch analoge Signale, während das digitale optische Übertragungssystem ein digitales PCM-Signal zur direkten Intensitätsmodulation der Lichtquelle verwendet. Das digitale optische Übertragungssystem ermöglicht eine qualitativ hochwertige Fernübertragung und ist mittlerweile weit verbreitet.

Nach Bitrate

Wenn die Bitrate als Klassifizierungskriterium verwendet wird, kann das optische Übertragungssystem als langsam (zehn Mbit/s), mittelschnell (hundert Mbit/s) und schnell (Gb/s) klassifiziert werden.

Durch optische Systemschnittstellen

Bei einer Einkanalschnittstelle ist nur ein optischer Kanal bzw. eine Wellenlänge auf einer Glasfaser vorhanden, während bei einer Mehrkanalschnittstelle mehrere optische Wellenlängen auf einer Glasfaser vorhanden sind. Ein Mehrkanalsystem wird im Allgemeinen als Wellenlängenmultiplexsystem (WDM) bezeichnet.

Klassifizierungen des WDM-Übertragungssystems

WDM ist die Kerntechnologie moderner optischer Übertragungssysteme. Bei der Klassifizierung optischer Übertragungssysteme muss das WDM-System erwähnt werden. WDM-Systeme können nach ihren Merkmalen, der Anzahl der Kanäle oder den Übertragungsrichtungen klassifiziert werden.

Nach Funktionen

Grobes WDM (CWDM) mit einem Kanalwellenlängenabstand von weniger als 50 nm, aber mehr als 1000 GHz (etwa 8 nm bei 1550 nm und 5,7 nm bei 1310 nm). Der Wert „c“ (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum), der zur Konvertierung zwischen Frequenz und Wellenlänge verwendet werden sollte, beträgt 2,99792458 × 108 m/s Dichtes WDM (DWDM) mit einem Kanalabstand von höchstens 1000 GHz Breites WDM (WWDM) mit einem Kanalwellenlängenabstand von höchstens 50 nm

Nach Anzahl der Kanäle im WDM-System

Anzahl der Kanäle in DWDM-Systemen

Fiber-Mart DWDM MUX DEMUX

In der Empfehlung ITU-T G.694.1, die die Definition von Frequenzrastern zur Unterstützung dichter Wellenlängenmultiplexanwendungen enthält, sind derzeit vier spezifische Frequenzraster definiert: 12,5 GHz-Raster, 25 GHz-Raster, 50 GHz-Raster und 100 GHz-Raster. Alle vier Frequenzraster umfassen 193,1 THz (1.552,52 nm) als eines ihrer Elemente, und es gibt keine Frequenzgrenzen, jenseits derer das Raster nicht definiert ist. Dieses Raster ist im Grunde ein „Lineal“ ohne Grenzen oder Endpunkte.

Abschnitt 6.2.2.1 des Supplements 39 zu den Empfehlungen der ITU-T G-Serie fasst die oben genannten vier Frequenzraster zusammen. Darüber hinaus zeigt er, dass sich mithilfe einer bestimmten Formel alle möglichen Kanalfrequenzraster ableiten lassen. Zusätzliche, größere Frequenzraster lassen sich durch die Wahl ganzzahliger Vielfacher von 100 GHz-Abständen, z. B. 200 GHz, 300 GHz, 400 GHz usw., verwenden. Die Raster für diese größeren Abstände sind bewusst nicht spezifiziert, um dem Benutzer völlige Freiheit bei der Wahl der Mittenfrequenzen zu lassen.

Zu den ITU-T-Empfehlungen, die Anwendungen definieren, die diese DWDM-Frequenzraster nutzen, gehören die Empfehlungen ITU-T G.692, ITU-T G.698.1, ITU-T G.698.2 und ITU-T G.959.1. Die Anzahl der Kanäle ist nicht spezifiziert, aber als Anhaltspunkt können etwa 40 Kanäle mit einem Kanalabstand von 100 GHz (100 GHz × 40 Kanäle = 4.000 GHz = 4 THz) das komplette C-Band von 1.530–1.565 nm belegen. Natürlich kann sich die Anzahl der Kanäle bei einem Kanalabstand von 50 GHz verdoppeln.

Anzahl der Kanäle in CWDM-Systemen

Fiber-Mart CWDM MUX DEMUX

Die Empfehlung ITU-T G.694.2 definiert ein Wellenlängenraster mit Kanälen im Abstand von 20 nm zur Unterstützung von Anwendungen im groben Wellenlängenmultiplex. Dieses CWDM-Raster wurde ursprünglich für die gleichzeitige Übertragung mehrerer optischer 2,5-Gbit/s-Signale mit ausreichendem Abstand zur Verwendung ungekühlter Quellen definiert.

Der Kanalabstand von 20 nm wurde hauptsächlich durch drei Faktoren bestimmt:

Dem Laserhersteller ist eine Wellenlängenvariation um die Nennwellenlänge herum gestattet, um eine höhere Ausbeute zu erzielen und/oder Fertigungstoleranzen zu lockern. Die Laserwellenlängen können sich über einen ausreichend großen Temperaturbereich ändern, um den Einsatz ungekühlter Laser zu ermöglichen. Zwischen den Kanälen bleibt ein ausreichend breites Schutzband, um den Einsatz kostengünstiger Filtertechnologien zu ermöglichen.

Nach Übertragungsrichtung

Je nach Übertragungsrichtung kann das WDM-System in zwei Typen unterteilt werden:

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