Übersicht über CWDM-Technologie und Transceiver

Einführung

CWDM-Transceiver sind optische Transceiver, die auf der CWDM-Technologie (Coarse Wavelength Division Multiplexing) basieren. Sie eignen sich besonders für bidirektionale (BIDI) Verbindungen, da jeder Standort neben einem Empfänger auch einen Sender umfasst. Laser, Empfangsdiode und die zugehörige Elektronik zur Ansteuerung des Lasers und zur Signalformung sind in einem Modul mit standardisierter Schnittstelle integriert. Ein weiteres leistungsstarkes Merkmal dieser Transceiver ist ihre Modularität, d. h. die Möglichkeit, die Transceiver in elektronische Leiterplatten einzustecken und auszutauschen. Diese Modularität ermöglicht die Trennung von Optik und Elektronik und unterstützt somit ein kostengünstiges Systemdesign. Eine Voraussetzung für diese Modularität ist die Übernahme gemeinsamer Standards für Transceiver.

Überblick über die CWDM-Technologie

Lassen Sie uns zunächst die CWDM-Technologie betrachten . Es gibt zwei Hauptarten der WDM-Technologie (Wavelength Division Multiplexing), die für Multiservice-Metro-Access-/Enterprise-Anwendungen eingesetzt werden: DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) und CWDM. Die Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Varianten ergeben sich aus der unterschiedlichen Kanalzuweisung innerhalb des Glasfaserspektrums, die spezielle Komponententechnologien, Preisklassen und Anwendungen erfordert. CWDM ist im Allgemeinen günstiger als DWDM und eignet sich daher hervorragend für viele kostensensitive Access- und Enterprise-Anwendungen. Die Fakten werden nun in der folgenden Tabelle dargestellt.

1. Glasfaserspektrumzuweisung

Im Metro- und Access-Bereich ist Singlemode-Glasfaser (SMF) am weitesten verbreitet, insbesondere der Typ SMF-28. Im Laufe der Zeit wurde eine wachsende Anzahl von Spektralbändern definiert, um die nutzbare Bandbreite dieser Glasfaser entsprechend den steigenden Verkehrsanforderungen und der Weiterentwicklung der Komponententechnologie auszuschöpfen (siehe Abbildung unten). Ursprünglich wurde SMF entwickelt, um den Einkanalbetrieb im 1310-nm-Bereich, dem sogenannten O-Band, zu optimieren. Daher wurden viele ältere SONET/SDH- und Ethernet-Produkte für diesen Bereich spezifiziert. In diesem Bereich weist SMF keine Dispersion und einen äußerst geringen Verlust (ca. 0,35 db/km) auf.

Die Einkanalübertragung (O-Band) war zunächst äußerst effektiv, um herkömmliche SONET/SDH- und Ethernet-Verbindungen über große Entfernungen zu erweitern. Da diese Systeme jedoch nur einen Übertragungskanal pro Glasfaser unterstützten, wurden sie für Betreiber mit steigendem Datenverkehr zunehmend ineffizient. Daher begannen Entwickler, die Übertragungskapazitäten in zusätzliche Spektralbereiche (SMF) auszuweiten, um die vorhandenen Glasfaserkapazitäten/-ressourcen besser nutzen zu können. Dies führte im Wesentlichen zur Schaffung neuer Übertragungsbänder und zur Entwicklung hin zur Mehrkanalübertragung, kurz WDM. Angesichts des Gesamtprofils von SMF konnten neue Übertragungsbänder natürlich nur dort platziert werden, wo die Dämpfungs- und Dispersionswerte akzeptabel niedrig waren. Hier entschieden sich die Entwickler für den 1500-nm-Bereich, da der Bereich von 1375–1400 nm (E-Band) aufgrund der Lichtenergieabsorption durch Restwasserdampf (Wasserspitze bei 1383 nm) eine hohe Dämpfung aufweist. Diese Erweiterung des Übertragungsbandes führte zur Entstehung von DWDM und CWDM.

Die Grundvoraussetzung von CWDM-Technologien besteht darin, eine akzeptable Skalierbarkeit der optischen Bandbreite zu extrem niedrigen Preisen anzubieten. Diese Ziele werden durch die Definition eines deutlich größeren Kanalabstands, typischerweise 2500 GHz (20 nm), innerhalb der verfügbaren SMF-Spektralbänder erreicht, wodurch die Anforderungen und Kosten der Komponenten reduziert werden (wie im nächsten Abschnitt beschrieben). Die meisten aktuellen CWDM-Komponenten decken den C- und L-Bandbereich ab (ähnlich wie DWDM) und können auch in einem Teil des S-Bandes (Bereich 1460–1530 nm) eingesetzt werden und bis zu 8 Wellenlängenkanäle bieten (Abbildung 2). Um die Standardisierung der Komponenten und die Interoperabilität der Anbieter weiter voranzutreiben, hat die ITU-T vor Kurzem mit der Definition von CWDM-Bändern und zugehörigen Kanälen begonnen (ähnlich dem DWDM-ITU-T-Raster). Dabei wird der Kanalabstand (wie erwartet) auf 20 nm festgelegt und das zugehörige Übertragungsspektrum um die O- und E-Bänder erweitert (zusätzlich zu den derzeit verwendeten S-, C- und L-Bändern). Durch die Erweiterung der O- und E-Bänder soll insbesondere die zusätzliche Kapazität der neuen, für den Metrobereich optimierten Glasfasern ausgeschöpft werden. Dadurch bietet CWDM eine hohe Skalierbarkeit der Kapazität und eine konkurrenzlose Wellenlängenökonomie – eine ideale Kombination für den Metro-Zugang und Unternehmensumgebungen.

Viele Anbieter optischer Komponenten verfügen bereits heute über umfangreiche CWDM-Portfolios auf dem Markt. Insbesondere gibt es zahlreiche Schlüsseltechnologien, die dazu beitragen, die Gesamtnetzkosten zu senken und die Einführung von CWDM-Paradigmen zu beschleunigen. Dazu gehören im Allgemeinen kostengünstigere Laser, breitbandige optische Filter sowie metrooptimierte Fasern. Kontinuierliche Fortschritte führen jedoch zu einem verbesserten Preis-Leistungs-Verhältnis, was die Situation der CWDM-Technologie zwangsläufig verbessert. Nachfolgend einige Fakten.

2. Grundlagentechnologien

Die meisten heutigen WDM-basierten Systeme nutzen Distributed-Feedback-Laser (DFB) und decken damit effektiv Entfernungen von bis zu 100 km ab (SMF-28). Diese Einheiten weisen jedoch temperaturbedingte Frequenzschwankungen auf, und über einen weiten Betriebsbereich von 0 bis 70 °C sind häufig Schwankungen von bis zu 6 nm zu erwarten (d. h. etwa 0,08 nm/°C). Diese Schwankung ist bei engen DWDM-Abständen natürlich extrem hoch. Daher sind komplexe Überwachungs- und Kühlschaltungen erforderlich, um enge Durchlassbänder für DWDM aufrechtzuerhalten, was die DWDM-Systemkosten erheblich erhöht. CWDM-Anwendungen mit breiteren Kanälen unterliegen hingegen keinen derartigen Einschränkungen und können für Bitraten von bis zu 2,5 Gbit/s deutlich kostengünstigere ungekühlte DFB-Laser nutzen. Insbesondere ein Abstand von 20 nm kann Temperaturdriftbereiche problemlos bewältigen, sodass für die Benutzerbandbreite fast 13 nm übrig bleiben. Dieser Aufbau macht teure Temperaturregelschaltungen überflüssig, was die Kosten erheblich senkt und auch zu einer geringeren Verlustleistung führt, z. B. nur typisch 1–2 W pro Kanal gegenüber über 10 W bei größeren DWDM-Lasern. Darüber hinaus verfügt CWDM im Gegensatz zu DWDM nicht über Vorrichtungen zur optischen Verstärkung, was die Kosten weiter senkt. Obwohl das Fehlen von CWDM-Verstärkern die Reichweite beeinträchtigt, ist die unverstärkte Übertragung für viele U-Bahn-/Unternehmensumgebungen mehr als ausreichend, da über 90 % der U-Bahn-Ringe in den USA einen Umfang von weniger als 100 km haben. In den meisten Fällen ermöglichen die oben genannten Merkmale auch eine wesentlich kompaktere Laserverpackung, die bis zu 70 % kleiner ist als bei DWDM-Lasern, was ideal für Unternehmensanwendungen ist, bei denen der Platzbedarf eine wichtige Rolle spielt.

Optische Breitbandfilter sind eine weitere wichtige Komponente von WDM-Systemen und werden für die Kanalmultiplex-/Demultiplex-Funktion von Glasfaserkabeln eingesetzt. Die meisten WDM-Filter basieren heute auf Dünnschichttechnologie, die durch ein fertigungsbasiertes Schichtungsverfahren unterschiedliche Kanaltrennungen ermöglicht. Die Anzahl der Filterschichten steigt mit feinerem Kanalabstand, und typische DWDM-Filterelemente benötigen etwa 150 Schichten. Ein größerer CWDM-Rasterabstand (2500 GHz) reduziert die Anzahl der Filterschichten hingegen auf etwa 50, was zu einer deutlichen Senkung der Herstellungskosten führt. Folglich sind die meisten CWDM-Filter heute fast 50 % günstiger als ihre DWDM-Pendants, und beide Varianten verzeichnen weiterhin einen stetigen Preisrückgang. Die meisten kommerziell erhältlichen CWDM-Filter arbeiten im Frequenzband von 1470–1610 nm und können bis zu 8 Wellenlängenkanäle extrahieren. Da verschiedene Kabelhersteller jedoch neue, spezialisierte Fasertypen mit höherer Übertragungskapazität anbieten, werden zukünftige CWDM-Filter voraussichtlich eine erweiterte Kanalabdeckung bieten.

Übersicht über CWDM-Transceiver

Kommen wir nun zum Kernpunkt: dem Transceiver. Die Kombination von Sender und Empfänger in einem Gerät führt zum Konzept des Transceivers. Wie bereits erwähnt, basieren CWDM-Transceiver auf der CWDM-Technologie. Der Transceiver revolutionierte viele Bereiche der optischen Kommunikation. Die relevanten Standards sowie aktuelle Entwicklungen werden im Folgenden vorgestellt.

1. Entwicklung des optischen Transceivers

Der Transceiver, eine Kombination aus Sender und Empfänger in einem einzigen Gerät, ist einer der wichtigsten Bausteine optischer Übertragungssysteme. Historisch gesehen entwickelten sich optische Transceiver aus System-Line Cards, bei denen Quellen und Detektoren mit der entsprechenden Elektronik kombiniert wurden, um Signale in die Glasfaser des Empfängers einzuspeisen. Ein Beispiel für frühe Sender und Empfänger ist in der Abbildung unten dargestellt. Das paarweise Vorhandensein von Sender und Empfänger erleichtert die Entwicklung von BIDI-Glasfaserverbindungen. Im einfachsten Fall wird die BIDI-Übertragung mit zwei separaten Fasern erreicht; jede Faser überträgt ein Signal in eine Richtung. In diesem Fall sind die beiden Richtungen völlig unabhängig und aufgrund des fehlenden Übersprechens kann die Wellenlängenzuweisung für die beiden Richtungen separat erfolgen. Das Konzept der BIDI-Übertragung funktioniert auch mit einer einzelnen Faser. Hier kann das Übersprechen zwischen den Kanälen minimiert werden, um die BIDI-Verbindung bei unterschiedlichen Wellenlängen zu betreiben. Die Abbildung unten zeigt das grundlegende Duplex-Glasfaserübertragungssystem basierend auf Sender- und Empfängerpaaren.

Das System in der obigen Abbildung besteht aus dem Sender, einem Glasfaserkabel und einem Empfänger. Für eine Duplexübertragung sind an jedem Ende ein Sender und ein Empfänger erforderlich, damit Daten von und zu jedem Standort gesendet werden können. Die ersten Sender und Empfänger wurden auf Leiterplatten implementiert. Diese Geräte wurden aus diskreten Komponenten hergestellt und zusammen mit anderen Schaltkreisen zur Signalverarbeitung, Stromversorgung usw. auf einer Leiterplatte platziert. Mit zunehmendem Umfang und Geschwindigkeit der Übertragung gab es Bestrebungen, die Funktionen von Sendern und Empfängern auf einem einzigen Modul zu integrieren. Die Grundbausteine eines optischen Senders sind die Quelle und die Treiberschaltung für die Modulation. Der digitale Empfänger besteht aus einem Detektor, einem Verstärker und einem Komparator.

2. Ungekühlte Sender für CWDM

Der Hauptunterschied zwischen DWDM- und CWDM-Systemen in Bezug auf die Elektrooptik besteht in der Verwendung gekühlter DFB-Laser als Quellen in DWDM-Systemen und der Verwendung ungekühlter DFB-Laser als Quellen in CWDM-Systemen. Dadurch wird der CWDM-Sender vereinfacht.

Tipps zur Wellenlängendrift:
Die folgende Abbildung zeigt die Wellenlängendrift eines ungekühlten Einfrequenz-DFB-Lasers im Durchlassbereich eines standardmäßigen 13 nm breiten CWDM-Multiplexerfilters. Typischerweise kann die Betriebstemperatur zwischen 0 und 70 °C variieren, was zu einer Wellenlängenabweichung von bis zu 7 nm führt. Daher ist es entscheidend, dass das CWDM-Systemdesign die Wellenlängenverschiebung ohne Leistungsverlust ausgleichen kann. Daher müssen die Filter ausreichend breit sein und über den gesamten Durchlassbereich eine Flat-Top-Charakteristik aufweisen.

Die von der ITU spezifizierten Mittenwellenlängen der CWDM-Filter liegen bei 1511, 1531, 1551, 1571 nm usw. Die Nominalwellenlängen der CWDM-Laser betragen jedoch 1510, 1530, 1550, 1570 nm usw. Der Grund für den Versatz der Filter um 1 nm liegt darin, den typischen Temperaturanstieg zu berücksichtigen, der mit der Anzahl verbunden ist. Die Abweichung zwischen der Außentemperatur und der Umgebungstemperatur im Gehäuse kann je nach Design und Betriebsbedingungen groß oder klein sein. Die Beziehung zwischen der Mitte des Durchlassbereichs und den Rändern des Filters ist in der nebenstehenden Abbildung zusammengefasst.