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Was ist DWDM und warum ist es wichtig?

  • Was ist DWDM und warum ist es wichtig? Fiber-Mart.com
  • Post on Montag 09 November, 2020
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Es ist fast 20 Jahre her, dass DWDM mit der Einführung eines 16-Kanal-Systems durch Ciena im März 1996 auf den Markt kam, und in den letzten zwei Jahrzehnten hat es die Übertragung von Informationen 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 vom anderen Ende der Welt teuer und langsam war. Jetzt denken wir nicht mehr daran, 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 betrieben werden kann, verglichen mit 2,5 Gbit/s pro Kanal in den ursprünglichen Systemen. All dies brachte mich zum Nachdenken darüber, dass oft zwei Innovationen zusammenwirken müssen, um eine Revolution auszulösen. Personalcomputer revolutionierten den Büroalltag erst, als sie mit Laserdruckern gekoppelt wurden. Ebenso waren die Vorteile von DWDM aufgrund der Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFAs) enorm.
 
DWDM steht für Dense Wavelength Division Multiplexing. Dies ist eine komplexe Ausdrucksweise dafür, dass, da Photonen nicht miteinander interagieren (zumindest nicht viel), verschiedene Signale unterschiedlicher Lichtwellenlängen auf einer einzigen Faser kombiniert und zur anderen übertragen werden können getrennt und unabhängig erkannt, wodurch die Tragfähigkeit der Faser um die Anzahl der vorhandenen Kanäle erhöht wird. Tatsächlich wurde nicht-dichtes, einfaches altes WDM schon seit einiger Zeit mit 2, 3 oder 4 Kanälen unter besonderen Umständen verwendet. Der Aufbau eines grundlegenden DWDM-Systems war nicht besonders schwierig. Die ursprünglich verwendete Technologie zur Kombination und Trennung der Wellenlängen waren Dünnschicht-Interferenzfilter, die im 19. Jahrhundert weitestgehend entwickelt worden waren. (Heutzutage werden photonische integrierte Schaltkreise, sogenannte Arrayed Waveguide Gratings oder AWGs, verwendet, um diese Funktion auszuführen.) Doch bis zum Aufkommen von EDFAs hatte DWDM keinen großen Nutzen.
 
Die Glasfaser-Datenübertragung begann in den 1970er Jahren mit der Entdeckung, dass bestimmte Gläser im nahen Infrarot-Spektralbereich einen sehr geringen optischen Verlust hatten und dass diese Gläser zu Fasern geformt werden konnten, die das Licht von einem Ende zum anderen leiteten und es so begrenzt hielten und es intakt zu liefern, wenn auch durch Verlust und Streuung reduziert. Durch die umfassende Entwicklung von Fasern, Lasern und Detektoren wurden Systeme gebaut, die optische Informationen über eine Entfernung von 80 km übertragen konnten, bevor das Signal „regeneriert“ werden musste. Bei der Regeneration wurde das Licht erkannt, mithilfe eines elektronischen Digitalschaltkreises die Informationen rekonstruiert und anschließend an einen anderen Laser erneut übertragen. 80 km waren viel weiter, als die aktuellen Mikrowellenübertragungssysteme mit „Sichtlinie“ zurücklegen konnten, und die Glasfaserübertragung wurde in großem Umfang übernommen. Obwohl 80 km eine deutliche Verbesserung darstellten, bedeutete dies dennoch, dass viele Regenerationsstrecken zwischen LA und New York erforderlich waren. Da pro Kanal alle 80 km ein Regenerationskreislauf erforderlich war, wurde die Regeneration zum limitierenden Faktor bei der optischen Übertragung und DWDM war nicht sehr praktikabel. Die damals teuren Filter müssten alle 80 km eingesetzt werden, um das Licht für jeden Kanal vor der Regeneration zu trennen und die Kanäle nach der Regeneration wieder zusammenzuführen.
 
Da eine vollständige Regeneration kostspielig war, begannen Forscher, nach anderen Möglichkeiten zu suchen, um die Reichweite eines Glasfaserübertragungssystems zu erweitern. In den späten 1980er Jahren kamen Erbuim Doped Fiber Amplifers (EDFAs) auf den Markt. EDFAs bestanden aus mit Erbiumatomen dotierten optischen Fasern, die, wenn sie mit einem Laser einer anderen Wellenlänge gepumpt wurden, ein Verstärkungsmedium erzeugten, das Licht in einem Band nahe der Wellenlänge von 1550 nm verstärkte. EDFAs ermöglichten eine Verstärkung der optischen Signale in Fasern, was den Auswirkungen optischer Verluste entgegenwirken konnte, jedoch nicht die Auswirkungen von Dispersion und anderen Beeinträchtigungen korrigieren konnte. Tatsächlich erzeugen EDFAs Rauschen der verstärkten spontanen Emission (ASE) und können über eine lange Übertragungsstrecke zu Nichtlinearitätsverzerrungen der Faser führen. EDFAs haben die Notwendigkeit einer Regeneration also nicht vollständig beseitigt, sondern ermöglichten es den Signalen, viele 80-km-Sprünge zurückzulegen, bevor eine Regeneration erforderlich war. Da EDFAs günstiger waren als die vollständige Regeneration, wurden schnell Systeme entwickelt, die 1550-nm-Laser anstelle der damals vorherrschenden 1300-nm-Laser verwendeten.
 
Dann kam der „Ah ha“-Moment. Da EDFAs lediglich die eintreffenden Photonen replizierten und mehr Photonen derselben Wellenlänge aussendeten, konnten zwei oder mehr Kanäle im selben EDFA ohne Übersprechen verstärkt werden. Mit DWDM könnte ein EDFA alle Kanäle in einer Glasfaser gleichzeitig verstärken, vorausgesetzt, sie passen in den Bereich der EDFA-Verstärkung. DWDM ermöglichte dann die Mehrfachnutzung nicht nur der Glasfaser, sondern auch der Verstärker. Anstelle eines Regenerationskreislaufs für jeden Kanal gab es nun einen EDFA für jede Faser. Eine einzelne Faser und eine Kette aus einem Verstärker alle 40–100 km könnten 96 verschiedene Datenströme unterstützen. Auch heute noch werden alle 1.200 bis 3.500 km Regeneratoren 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 Spektrenbreite von etwa 40 nm begrenzt war, wurde natürlich großer Wert darauf gelegt, die verschiedenen optischen Wellenlängen so nah wie möglich aneinander anzupassen. Bei aktuellen Systemen sind die Kanäle 50 GHz oder etwa 0,4 nm voneinander entfernt, und Hero-Experimente haben noch viel mehr bewirkt.
 
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 in den frühen 1990er Jahren 2,5 Gbit/s an Informationen übertragen hätte, heute fast 10 Terabit/s an Informationen übertragen, und wir können Filme vom anderen Ende der Welt ansehen.
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