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DWDMシステム の進化は、1本の光ファイバーの容量、ひいてはネットワーク全体の容量を低コストで増大させたいというニーズから生まれました。1本の光ファイバーで複数のチャネルを伝送するという発想は一見シンプルですが、実際には複雑な取り組みです。入力光信号を多重化可能なITU標準波長に正確に変換するトランスポンダーは、現在、DWDMシステムのオープン性を決定づける重要な要素となっています。この記事では、主にトランスポンダーベースのDWDMシステムについて紹介します。
トランスポンダーベースのDWDMシステムのコンポーネント
一般に、トランスポンダ ベースの DWDM システムには、端末マルチプレクサ、端末デマルチプレクサ、中間ライン リピータまたは光アドドロップ マルチプレクサ(OADM)、および光増幅器または光監視チャネルが含まれます。
端末マルチプレクサ
端末マルチプレクサは、トランスポンダと光マルチプレクサ（DWDM MUX）で構成されています。光ファイバー内の各信号には、対応するトランスポンダが存在します。トランスポンダは信号を受信し、レーザーを用いてCバンドで送信します。光マルチプレクサは、これらの信号を1本の光ファイバーを介してCバンドで送信します。10年間で、DWDMシステムの容量は4信号から128信号に増加しました。（こちらはDWDMシステムで使用されるトランスポンダの写真です。）
端末デマルチプレクサ
DWDMシステムでは、トランスポンダと光デマルチプレクサ で構成される端末デマルチプレクサも使用されます。初期の端末デマルチプレクサは受動的なシステムでした。DWDMシステムの複雑さが増すにつれて、能動的なアプローチの必要性も高まりました。端末デマルチプレクサは、この時点で複数の波長で構成される信号を受け取り、それを構成信号に分解します。これらの信号は、個々の光ファイバーを介して宛先に送信されます。能動的な端末デマルチプレクサは、送信前にまず出力トランスポンダを通過します。出力トランスポンダは、誤り訂正処理も実行できます。これらのトランスポンダは、入力トランスポンダの横に配置することもできます。
注:双方向トランスポンダー ベースの DWDM システムの場合、端末にはマルチプレクサとデマルチプレクサの両方が含まれます。
OADM
中間中継器は、光ファイバーの経路に沿って80～100km間隔で設置されます。光信号が目的地に到達するまでに140km以上伝送される場合は、OADM統合型光増幅器（中間光端末）が設置されます。これは信号を増幅するだけでなく、診断ポイントとしても機能します。光ファイバー経路のさらに下流で信号に問題が発生した場合、これらのサイトを利用して光ファイバーの損傷やその他の劣化の有無を確認できます。
光増幅器
信号に発生する損失を補うために、光増幅器が必要です。例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）は、中間中継器で光信号を増幅するために使用されます。また、EDFAは端末マルチプレクサにプリアンプとして配置され、伝送前に信号を増幅することもできます。（EDFAを下図に示します。）
光監視チャネル
EDFAが使用できない場合は、光監視チャネルを使用します。これは、信号がCバンド外で発生した場合に発生します。各光波長帯域の波長範囲を示す表を以下に示します。
| 光学バンド | 波長範囲（nm） |
| Oバンド | 1260年から1360年 |
| Eバンド | 1360年から1460年 |
| Sバンド | 1460年から1530年 |
| Cバンド | 1530年から1565年 |
| Lバンド | 1565年から1625年 |
| Uバンド | 1625年から1675年 |
トランスポンダーの3R機能
信号再生機能は当初、トランスポンダには実装されていませんでした。当初、これらのトランスポンダは、入力される外部信号の波長をDWDMシステムで動作する波長、つまりCバンドの波長に変換するためだけに使用されていました。この変換は、周波数を安定化し、信号電力をDWDMシステムのEDFAと互換性のあるレベルまで増幅する役割も担っていました。トランスポンダの信号再生コンポーネントは、1Rから3Rへと進化するにつれて高度化しました。
- 1R は Retransmission（再送信）の略称です。初期のトランスポンダで使用されていました。名前が示すように、1R では信号を「クリーンアップ」する方法は採用されていません。むしろ、入力された外部光信号を単純にアナログ信号に変換します。このプロセスは、信号の完全性とは無関係に行われました。結果として、入力された光信号が「ジャンク」であれば、そのアナログ バージョンも「ジャンク」になります。1R のもう 1 つの結果は、長距離通信に固有の信号劣化が発生するため、DWDM システムの実用的な距離が制限されるということでした。注: DWDM システムは、約 0.3 dB/km の減衰値で C バンドで動作します。この値は他の通信方法の減衰値よりもはるかに低いですが、長距離にわたる劣化は蓄積されます。そのため、単なる再送信以上のことを行うシステムの開発が必要になりました。
- 2RはRetime and Retransmit（再時間再送信）の略称です。外部から入力された信号は再送信される前に、まずクリーンアップ処理が行われます。この時点で信号の品質が監視されます。
- 3Rは、Retime（再時間）、Retransmit（再送信）、Reshape（再整形）の略称です。このシステムは、1Rシステムと2Rシステムの両方よりも高度なものです。信号に埋め込まれた品質ビットにより、信号品質をより詳細かつ正確に監視できます。品質ビットは、システムに信号の健全性と劣化のレベルを伝えます。3Rシステムは双方向通信の監視が可能です。
トランスポンダーベースのDWDMシステムの運用
DWDM システム内では、トランスポンダがクライアントの光信号を電気信号に戻し、3R 機能を実行します (下の図は、端末内のトランスポンダの 3R 機能を示しています)。この電気信号は、WDM レーザーを駆動するために使用されます。システム内の各トランスポンダは、クライアントの信号をわずかに異なる波長に変換します。その後、システム内のすべてのトランスポンダからの波長が光多重化されます。DWDM システムの受信方向では、逆のプロセスが行われます。個々の波長は多重化された光ファイバからフィルタリングされ、個々のトランスポンダに送られます。トランスポンダは信号を電気信号に変換し、クライアントへの標準インターフェイスを駆動します。(将来の設計には、光インターフェイスを備えた接続されたスイッチまたはルータから ITU 準拠の光を直接受け入れるパッシブ インターフェイスが含まれます。)
上の図は、トランスポンダーを使用した単方向DWDMシステムのエンドツーエンドの動作を示しています。以下の手順は、図に示されている動作を説明しています。
- ターミナルA のトランスポンダーは、標準的なシングルモードまたはマルチモードレーザーの形式で入力を受け入れます。入力は、異なる物理媒体、異なるプロトコル、およびトラフィックタイプから取得できます。
- 各入力信号の波長は DWDM 波長にマッピングされます。
- トランスポンダーからのDWDM波長は単一の光信号に多重化され、光ファイバーに送出されます。システムには、例えば衛星ノードからの光信号を直接マルチプレクサに入力する機能も含まれる場合があります。
- ポストアンプ（ブースターアンプ）は、システムから出力される光信号の強度を増幅します（オプション）。
- 光増幅器（インライン増幅器）は、必要に応じてファイバースパンに沿って使用されます（オプション）。
- プリアンプは、エンド システムに入る前に信号を増幅します (オプション)。
- 入力信号は、個々の DWDM ラムダ (または波長) に多重分離されます。
- 個々の DWDM ラムダは必要な出力タイプにマッピングされ、ターミナル B のトランスポンダーを介して送信されます。
トランスポンダーベースのDWDMシステムのアプリケーション
DWDM システムのトランスポンダは、放送局やケーブル事業、データ ネットワーク、衛星および無線通信など、さまざまなアプリケーションに役立ちます。トランスポンダ ベースの DWDM システムは、その利点がコストを正当化する場合、既存の WDM システムの代替として実装できます。企業がすでに光ファイバーの敷設に投資している場合、このような DWDM システムを使用することで初期投資を保護できます。このシステムを使用すると、既存の光ファイバーの容量が最大 10 倍以上に増加します。インターネット加入者が急速に増加しているため、このタイプのシステムはインターネット プロバイダーにとって不可欠です。DWDM システムが存在しなかった場合、これらの企業がインターネット ユーザーの需要を満たす唯一の方法は、新しい光ファイバーを敷設することです。企業にとって、DWDM システムを実装する方がコスト効率がはるかに高く、帯域幅の懸念が軽減されます。DWDM により、ネットワーク設計の柔軟性も向上します。
結論
DWDMシステムは継続的に改良されています。研究により技術は進歩しており、1本の光ファイバーで800波長を実現できるレベルに達しています。現代のアプリケーションに必要なデータ量は増加し続けています。かつては数Gbpsのビットレートで十分でしたが、現代の消費者や企業のニーズにはTbps単位の速度が求められています。このような成長は、最初のWDMシステムが導入された当時には予想できませんでしたが、トランスポンダーベースのDWDMシステムは現代のニーズを満たすことができます。
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