DWDM とは何ですか?なぜ重要ですか?

1996 年 3 月に Ciena が 16 チャネル システムを導入して DWDM が登場してからほぼ 20 年が経ち、過去 20 年間で長距離の情報伝送に革命をもたらしました。 DWDM は非常に普及しているため、DWDM が存在せず、地球の反対側からの情報にアクセスするのに費用がかかり、時間がかかる時代があったことを私たちは忘れがちです。 今では、映画をダウンロードしたり、海や大陸を越えて IP 通話を発信したりすることについては何も考えていません。 現在のシステムには通常、光ファイバーあたり 96 チャネルがあり、それぞれのチャネルは 100 Gbps で動作しますが、初期のシステムではチャネルあたり 2.5 Gbps でした。 これらすべてを踏まえて、革命を起こすには 2 つのイノベーションが結合することがよくあることについて考えさせられました。 パーソナル コンピューターは、レーザー プリンターと組み合わせられるまでオフィス ライフに革命をもたらしませんでした。 同様に、エルビウム添加ファイバー増幅器 (EDFA) のおかげで、DWDM の利点は非常に大きかった。

 

DWDM は、Dense Wavelength Division Multiplexing (高密度波長分割多重) の略です。これは、光子が互いに相互作用しない (少なくともほとんど相互作用しない) ため、異なる波長の光の異なる信号を 1 本のファイバーに結合して、他のファイバーに送信できることを複雑に表現したものです。 端が分離され、独立して検出されるため、存在するチャネルの数だけファイバーの伝送容量が増加します。 実際、非高密度の単純な古い WDM は、特殊な状況で 2、3、または 4 チャネルでしばらく使用されていました。 基本的な DWDM システムの構築に関しては、特に難しいことはありませんでした。 波長の結合と分離に最初に使用された技術は、19 世紀に高度に開発された薄膜干渉フィルターでした。 (現在、アレイ導波路回折格子 (AWG) と呼ばれる現代のフォトニック集積回路は、この機能を実行するために使用されています。) しかし、EDFA が登場するまで、DWDM から得られるメリットはあまりありませんでした。

 

光ファイバーによるデータ伝送は、特定のガラスが近赤外スペクトル領域で光損失が非常に低いこと、およびこれらのガラスをファイバーに形成して光を一方の端からもう一方の端まで導き、光を閉じ込めることができるという発見により 1970 年代に始まりました。 損失や分散によって減少しますが、そのままの状態で配送します。 ファイバー、レーザー、検出器の大幅な発展により、信号の「再生」が必要になる前に光情報を 80km 伝送できるシステムが構築されました。 再生には、光を検出し、電子デジタル回路を使用して情報を再構築し、それを別のレーザーで再送信することが含まれます。 80km は、現在の「見通し線」マイクロ波伝送システムが到達できる距離よりもはるかに遠かったため、光ファイバー伝送が広範囲に採用されました。 80 km という距離は大幅な改善でしたが、それでも LA とニューヨークの間には多くの回生回路が必要になることを意味していました。 80 km ごとにチャネルごとに 1 つの再生回路が必要になるため、再生は光伝送の制限要因となり、DWDM はあまり実用的ではありませんでした。 当時は高価なフィルターを 80 km ごとに使用して、再生前に各チャネルの光を分離し、再生後にチャネルを再結合する必要がありました。

 

完全な再生には費用がかかるため、研究者は光ファイバー伝送システムの到達範囲を拡大する他の方法を探し始めました。 1980 年代後半に、エルブイム ドープ ファイバー アンプ (EDFA) が登場しました。 EDFA は、エルビウム原子がドープされた光ファイバーで構成されており、異なる波長のレーザーで励起されると、1550nm の波長に近い帯域の光を増幅する利得媒体が生成されます。 EDFA により、ファイバ内の光信号の増幅が可能になり、光損失の影響を打ち消すことができましたが、分散やその他の障害の影響を補正することはできませんでした。 実際、EDFA は増幅自然放出 (ASE) ノイズを生成し、長い伝送距離にわたってファイバの非線形歪みを引き起こす可能性があります。 したがって、EDFA によって再生の必要性が完全に排除されたわけではありませんが、再生が必要になる前に信号が 80 km ホップをはるかに超えることが可能になりました。 EDFA は完全再生よりも安価であったため、当時普及していた 1300nm レーザーの代わりに 1550nm レーザーを使用するシステムがすぐに設計されました。

 

それから「ああ、ああ」の瞬間が来ました。 EDFA は入ってくる光子を複製し、同じ波長のより多くの光子を送信するだけであるため、クロストークなしで 2 つ以上のチャネルを同じ EDFA で増幅できます。 DWDM を使用すると、EDFA 利得の範囲内に収まる限り、1 つの EDFA でファイバー内のすべてのチャネルを一度に増幅できます。 DWDM により、ファイバーだけでなくアンプも複数使用できるようになりました。 各チャネルに 1 つの再生回路の代わりに、各ファイバーに 1 つの EDFA が使用されるようになりました。 単一のファイバーと 40 ～ 100 km ごとに 1 つのアンプのチェーンは、96 の異なるデータ ストリームをサポートできます。 回生装置は現在でも 1,200 ～ 3,500km ごとに必要です蓄積された EDFA ASE ノイズが、デジタル シグナル プロセッサとエラー訂正コーデックが処理できるしきい値を超えたとき。

 

もちろん、EDFA の利得領域はスペクトル幅約 40 nm に制限されていたため、異なる光波長を可能な限り近づけることに重点が置かれました。 現在のシステムはチャネルを 50 GHz (約 0.4 nm) 離して配置していますが、ヒーロー実験ではさらに多くのことが行われています。

 

同時に、他のブログ投稿で説明した一貫した技術を使用して、新しいテクノロジーによりチャネルあたりの帯域幅が 100 Gbps に増加しました。 つまり、1990 年代初頭には 2.5Gbps の情報を伝送できた 1 本のファイバーが、現在ではほぼ 10 テラビット/秒の情報を伝送できるようになり、地球の裏側から映画を視聴できるようになりました。