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Fast 20 Jahre sind vergangen, seit DWDM im März 1996 mit der Einführung eines 16-Kanal-Systems durch Ciena Einzug hielt. In den letzten zwei Jahrzehnten hat es die Informationsübertragung über große Entfernungen revolutioniert. DWDM ist so allgegenwärtig, dass wir oft vergessen, dass es eine Zeit gab, in der es noch nicht existierte und der Zugriff auf Informationen am anderen Ende der Welt teuer und langsam war. Heute ist es für uns selbstverständlich, einen Film herunterzuladen oder einen IP-Anruf über Ozeane und Kontinente hinweg zu tätigen. Aktuelle Systeme verfügen typischerweise über 96 Kanäle pro Glasfaser, von denen jeder mit 100 Gbit/s laufen kann, verglichen mit 2,5 Gbit/s pro Kanal in den ursprünglichen Systemen. All dies brachte mich zum Nachdenken darüber, wie oft zwei Innovationen zusammenkommen müssen, um eine Revolution auszulösen. Personalcomputer revolutionierten den Büroalltag erst, als sie mit Laserdruckern gekoppelt wurden. Ebenso waren die Vorteile von DWDM dank erbiumdotierter Faserverstärker (EDFAs) enorm.
DWDM steht für Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). Dies ist eine komplexe Bezeichnung dafür, dass Photonen nicht (zumindest nicht stark) miteinander interagieren und daher verschiedene Signale unterschiedlicher Wellenlängen auf einer einzigen Faser kombiniert, zum anderen Ende übertragen, dort getrennt und unabhängig voneinander detektiert werden können. Dadurch erhöht sich die Übertragungskapazität der Faser um die Anzahl der vorhandenen Kanäle. DWDM, das einfache alte WDM, war bereits seit einiger Zeit mit zwei, drei oder vier Kanälen in speziellen Fällen im Einsatz. Der Aufbau eines einfachen DWDM-Systems war nicht besonders schwierig. Die ursprünglich zur Kombination und Trennung der Wellenlängen verwendete Technologie waren Dünnschicht-Interferenzfilter, die im 19. Jahrhundert weit entwickelt waren. (Heutzutage werden hierfür photonische integrierte Schaltkreise, sogenannte Arrayed Waveguide Gratings (AWGs), verwendet.) Bis zur Einführung der EDFAs bot DWDM jedoch kaum Vorteile.
Die faseroptische Datenübertragung begann in den 1970er Jahren mit der Entdeckung, dass bestimmte Gläser im nahen Infrarot-Spektralbereich sehr geringe optische Verluste aufwiesen und sich zu Fasern formen ließen, die das Licht von einem Ende zum anderen leiteten, es eingrenzten und intakt weiterleiteten, wenn auch mit reduzierten Verlusten und Streuung. Dank der Weiterentwicklung von Fasern, Lasern und Detektoren entstanden Systeme, die optische Informationen über 80 km übertragen konnten, bevor das Signal „regeneriert“ werden musste. Die Regeneration umfasste die Erfassung des Lichts, die Rekonstruktion der Informationen mithilfe einer elektronischen Digitalschaltung und die anschließende Weiterleitung über einen anderen Laser. 80 km waren deutlich länger als die Reichweite der derzeitigen Mikrowellen-Sichtübertragungssysteme, und die Glasfaserübertragung setzte sich flächendeckend durch. Obwohl 80 km eine deutliche Verbesserung darstellten, bedeutete dies dennoch, dass zwischen Los Angeles und New York zahlreiche Regenerationsschaltungen benötigt wurden. Da pro Kanal alle 80 km eine Regenerationsschaltung benötigt wurde, wurde die Regeneration zum limitierenden Faktor der optischen Übertragung, und DWDM war wenig praktikabel. Die damals teuren Filter müssten alle 80 km eingesetzt werden, um das Licht vor der Regeneration für jeden Kanal zu trennen und die Kanäle nach der Regeneration wieder zusammenzuführen.
Da eine vollständige Regeneration teuer war, suchten Forscher nach anderen Möglichkeiten, die Reichweite von Glasfaserübertragungssystemen zu vergrößern. Ende der 1980er Jahre kamen Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) auf den Markt. EDFAs bestehen aus mit Erbiumatomen dotierten Glasfasern, die beim Pumpen mit einem Laser einer anderen Wellenlänge ein Verstärkungsmedium erzeugen, das Licht in einem Band nahe der 1550-nm-Wellenlänge verstärkt. EDFAs ermöglichen eine Verstärkung der optischen Signale in Glasfasern, wodurch optische Verluste ausgeglichen, Dispersionseffekte und andere Beeinträchtigungen jedoch nicht korrigiert werden können. Tatsächlich erzeugen EDFAs verstärktes spontanes Emissionsrauschen (ASE) und können über lange Übertragungsdistanzen zu nichtlinearen Faserverzerrungen führen. EDFAs machten eine Regeneration also nicht vollständig überflüssig, ermöglichten aber eine Signalübertragung über viele 80-km-Sprünge, bevor eine Regeneration erforderlich wurde. Da EDFAs billiger waren als eine vollständige Regeneration, wurden schnell Systeme entwickelt, die 1550-nm-Laser anstelle der damals vorherrschenden 1300-nm-Laser verwendeten.
Dann kam der „Aha“-Moment. Da EDFAs die eingehenden Photonen einfach replizierten und mehr Photonen derselben Wellenlänge aussendeten, konnten zwei oder mehr Kanäle im selben EDFA ohne Übersprechen verstärkt werden. Mit DWDM konnte ein EDFA alle Kanäle einer Faser gleichzeitig verstärken, vorausgesetzt, sie passten in den Bereich der EDFA-Verstärkung. DWDM ermöglichte dann die Mehrfachnutzung nicht nur der Faser, sondern auch der Verstärker. Statt einer Regenerationsschaltung für jeden Kanal gab es nun einen EDFA für jede Faser. Eine einzelne Faser und eine Kette aus einem Verstärker alle 40–100 km konnten 96 verschiedene Datenströme unterstützen. Regeneratoren werden auch heute noch alle 1.200–3.500 km benötigt, wenn das akkumulierte EDFA-ASE-Rauschen einen Schwellenwert überschreitet, den ein digitaler Signalprozessor und ein Fehlerkorrektur-Codec verarbeiten können.
Da der Verstärkungsbereich des EDFA auf eine Spektralbreite von etwa 40 nm begrenzt war, wurde großer Wert darauf gelegt, die verschiedenen optischen Wellenlängen so nah wie möglich aneinander anzupassen. Aktuelle Systeme platzieren die Kanäle im Abstand von 50 GHz oder etwa 0,4 nm, und in bahnbrechenden Experimenten wurde noch viel mehr erreicht.
Parallel dazu haben neue Technologien die Bandbreite pro Kanal mithilfe kohärenter Techniken, die wir in anderen Blogbeiträgen besprochen haben, auf 100 Gbit/s erhöht. So kann eine einzelne Glasfaser, die Anfang der 1990er Jahre noch 2,5 Gbit/s an Informationen übertragen hätte, heute fast 10 Terabit/s an Informationen übertragen, und wir können Filme am anderen Ende der Welt ansehen.
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