Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 42

Wichtige Komponenten optischer Netze – Von der Faser zum DWDM-System

22.09.2009 | Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Andreas Donner

Die optische Datenübertragung im Detail; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Die optische Datenübertragung im Detail; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels

Breitband WDM

Die erste Erscheinungsform von WDM ist Breitband-WDM. 1994 hat man zum ersten Mal bikonische Koppler verschmolzen und damit zwei Signale auf einer Faser kombiniert.

Wegen der Begrenzungen der Technologie, besonders dem nichtlinearen Dämpfungsverhalten der Faser, mussten die Signalfrequenzen weit auseinandergehalten werden, um Interferenzen zu vermeiden. Typischerweise hat man Signale mit einer Wellenlänge von 1.310 nm und 1.550 nm benutzt und kam so auf 5 Gigabit/s. pro Faser.

Obwohl derartige Anordnungen nicht mit der Leistung modernster Systeme mithalten können, haben sie doch die Kosten bereits dadurch fast halbiert, dass man eine einzige Faser für die Übertragung von Signalen einsetzen konnte, die vorher auf zwei Fasern verteilt worden wären. In der Anfangszeit wurden WDM-Systeme mit wenigen Kanälen vor allem für die Einsparung von Zwischenverstärkern benutzt.

Optische Verstärker

Eine weitere wichtige Entwicklung, vielleicht sogar der wichtigste Meilenstein in der Entwicklung optischer Netze, ist der Erbium-dotierte optische Verstärker. Durch die Anreicherung eines kleinen Stranges der Faser mit einem seltenen Edelmetall wie Erbium können optische Signale verstärkt werden, ohne das Signal in eine elektrische Darstellung zurückzubringen zu müssen.

Solche Verstärker bringen erhebliche Kostenvorteile vor allem in Fernnetzen. Die Leistung optischer Verstärker hat sich wesentlich verbessert, bei signifikant geringerem Rauschen und günstigerer Verstärkung. Die Gesamtleistung konnte ebenfalls gesteigert werden, so dass heute Verstärkungsfaktoren von 20 dBm am Ausgang erreicht werden können, das ist etwa ein Faktor 100. Eine weitere wichtige Entwicklung sind die integrierten optischen Verstärker, die Semiconductor Optical Amplifiers. Während man die Erbium-dotierten Verstärker vor allem zur Überwindung größerer Distanzen benötigt, sind die SOAs hervorragende Elemente bei der Konstruktion optischer Switches, Router und Add/Drop-Multiplexer, weil sie fast unauffällig in die optische Struktur mitintegriert werden können.

Dense Wavelength Division Multiplexing DWDM

Mit der Verbesserung bei optischen Filter und Laser-Technologie wurde die Möglichkeit zur Kombination von mehr als zwei Signal-Wellenlängen auf einer Faser Realität.

DWDM kombiniert verschiedene Signale auf der gleichen Faser und kann heute 40 bis 80 unterschiedliche Kanäle schaffen. Verschiedene Hersteller sprechen schon von 400 bis 500 Kanälen Durch die Implementierung von DWDM-Systemen und optischen Verstärkern können Netze eine Vielzahl von Bitraten (z.B. OC-48 oder OC-192) und eine Vielzahl von Kanälen auf einer einzigen Faser bereitstellen. Die benutzten Wellenlängen liegen alle in dem Bereich, wo die optischen Verstärker optimal funktionieren, also zwischen 1.530 und 1.565 nm.

Es gibt heute zwei Grundtypen von DWDM-Systemen: unidirektionale und bidirektionale. Bei unidirektionalen Systemen wandern alle Lichtwellen in der gleichen Richtung durch die Faser, während bidirektionale Systeme in zwei Bänder aufgeteilt sind, die in entgegen gesetzten Richtungen laufen.

Im definitorischen Gegensatz zu DWDM steht CWDM (Coarse WDM), bei dem weniger Kanäle mit größerem Abstand zwischen den Kanälen definiert werden als bei DWDM. Dadurch kann man eine wesentlich vereinfachte Übertragungstechnologie benutzen, die immer noch wesentlich leistungsfähiger aber kaum teurer ist als alles, was wir an Übertragung auf metallischen Leitungen kennen.

So ist z.B. eine bekannte technologische Grenze die Übertragung von 1 Gigabit/s. über 100 m auf Cat-5-/Cat-6-UTP-Kabeln. Der entsprechende Transceiver ist für LAN-Verhältnisse recht aufwendig. Ein in Großserie hergestellter optischer Transceiver mit z.B. 4 Kanälen mit jeweils 2,5 Gigabit/s., also zusammen 10 Gigabit/s., überwindet auf einem ebenfalls preiswerten Multimode-Glasfaserkabel locker 250 bis 350 m.

Die Grenze dieser Technologie ist zum Zeitpunkt der Manuskripterstellung ein vollständig integrierter Transceiver mit acht Kanälen à 10 Gigabit/s, also zusammen 80 Gigabit/s. auf ebenfalls ca. 300 m mit etwas besseren Multimode-Kabeln. Hier haben wir eine Leistungssteigerung um einen Faktor von etwa 200 bei einer Kostensteigerung schlimmstenfalls um den Faktor 5.

weiter mit: Schmalband-Laser und VCSELs

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