WDM Wave Division Multiplexing

Zwielokrotnienie falowe WDM (Wave Division Multiplexing) umożliwia zwielokrotnienie przepływności światłowodu przez równoległą, równoczesną i niezależną transmisję wielu kanałów optycznych, czyli promieni laserowych o różnych długościach fali świetlnej (transmisja kolorowa) - prowadzonych w jednym włóknie światłowodowym. Zwyczajowo przyjmuje się, że sam sposób zwielokrotnienia oraz zwielokrotnienia do kilku lub kilkunastu fal optycznych w jednym oknie włókna światłowodowego oznacza się jako WDM, natomiast zwielokrotnienia o większej liczbie kanałów i większej gęstości (odstęp międzyfalowy 0,8 nm) określa się przez gęste DWDM (Dense WDM), a także jako ultragęste UWDM (Ultra WDM) przy odstępach międzykanałowych 0,4 nm (80 kanałów) lub mniejszych.

Cyfrowe systemy transmisji światłowodowej ewoluowały na przestrzeni kilkunastu lat od przepływności rzędu 2-8-34-140Mbit/s w systemach plezjochronicznych poprzez STM-1, STM-4, STM-16, STM-64 do nawet STM-128 (40 Gb/s) w systemach SDH. Taka transmisja odbywa się na pojedynczej długości fali świetlnej z zastosowaniem technologii zwielokrotnienia z podziałem czasu TDM (Time Division Multiplexing). Dalsze zwiększanie przepływności w tej technologii napotyka na bariery technologiczne związane z szybkością działania układów scalonych. Już stosunkowo dawno pojawił się pomysł aby przesyłać w jednym włóknie dwa strumienie danych każdy z wykorzystaniem fali świetlnej o innej długości. Jako pierwsze zastosowano detektory i Ľródła światła działające w pasmach 1310 i 1550 nm. Dopiero rozwój technologii pozwalający na wyprodukowanie Ľródeł światła o wąskim widmie i dużej stabilności długości emitowanej fali pozwolił na skonstruowanie systemów w których jednocześnie przesyła się w tym samym włóknie od kilku do kilkudziesięciu fal (WDM - Wavelength Division Multiplexing) z których każda może być modulowana w dziedzinie czasu sygnałem o przepływności do 10 - 40 Gb/s. Celem zwiększenia dystansu pomiędzy regeneratorami (ograniczenie na skutek tłumienia) opracowano i zastosowano w systemach WDM wzmacniacze sygnału optycznego (bez przekształcania sygnału na postać elektryczną) EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) pracujące w oparciu o specjalne włókna domieszkowane erbem. Pasmo pracy takich wzmacniaczy rozciąga się pomiędzy 1530-1565 nm. Stąd też konstruowane obecnie systemy DWDM pracują w takim właśnie zakresie fal. Jednocześnie trwają prace mające na celu wytworzenie komponentów pozwalających wykorzystać również inne długości fal świetlnych.
Wykorzystywane są następujące okna optyczne:
O-Band 1260-1360 nm original
E-Band 1360-1460 nm expanded
S-Band 1450-1530 nm short
C-Band 1530-1565 nm conventional
L-Band 1565-1625 nm long
U-Band 1625-1675 nm ultra long

W zakresie O-band pracują kanały CWDM, ale wyprodukowano również moduły na 16 długości fal z zakresu 1290-1315 nm które mogą realizować na odległość do 10 km transmisję 100 Gbit/s.

Jak to działa - podstawowe bloki systemu WDM

System WDM zbudowany jest z bloków funkcjonalnych dobieranych w zależności od potrzeb. W najprostrzej wersji dla każdego z obu kierunków transmisji sygnały wejściowe docierają do transponderów nadawczych gdzie przekształcane są w różnobarwne składowe sygnały optyczne. Dalej w multiplekserze zostają one połączone w zbiorczy sygnał optyczny który jest przesłany włóknem światłowodowym często na odległość kilkuset kilometrów. Po stronie odbiorczej sygnał zbiorczy zostaje zdemultipleksowany do sygnałów skaładowych i następnie sygnały składowe w transponderach odbiorczych otrzymują postać taką jak na wejściu.
Dla zwiększenia zasięgu systemu można instalować wzmacniacze optyczne i elementy kompensujące dyspersję chromatyczną (DCM). Celem wydzielenia pojedynczych sygnałów składowych instalowane są OADM, a dla zapewnienia przełączania sygnałów składowych pomiędzy różnymi traktami - OXC.

Multiplekser

Jest urządzeniem w którym zachodzi połączenie wielu fal świetlnych o różnych długościach fali doprowadzonych na wejścia w jeden zbiorczy sygnał optyczny.

Demultiplekser

Jest urządzeniem rozdzielającym zbiorczy sygnał optyczny na poszczególne sygnały składowe w dziedzinie długości fali.

Transponder nadawczy

Ma za zadanie przekształcenie sygnału doprowadzonego do wejścia systemu (STM-1, STM-4, STM-16, ATM, IP, TV ....) w sygnał optyczny o ustalonej długości fali (tzw. sygnał kolorowy) modulowany sygnałem wejściowym. Długości fal optycznych dla sygnałów składowych określa zalecenie ITU G-692 Recommendation on Optical Interfaces for Multichannel Systems. Odstęp pomiędzy kolejnymi czestotliwościami wynosi typowo 100 GHz a coraz cześciej 50 GHz. Często transponder nadawczy pełni funkcję multipleksera TDM dla kilku sygnałów o małej przepływności (np. 16 x STM-1 lub 2 x Giga Ethernet)co pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie sygnałów kolorowych. Niezbędne jest wtedy zastosowanie odpowiedniego transpondera odbiorczego.

Transponder odbiorczy

Ma za zadanie przekształcenie składowego sygnału optycznego w standardowy sygnał telekomunikacyjny - rozpoznaje jakiego rodzaju modulacji sygnału składowego użyto i demoduluje go. Transponder odbiorczy musi być kompatybilny z nadajnikiem i innymi komponentami systemu WDM. Często transponder odbiorczy można pominąć (jeśli transponder nadawczy nie modulował sygnału) ze względu na fakt, że odbiorniki (fotodiody) np. SDH są szerokopasmowe i wystarczy im do wysterowania fala kolorowa.

Transponder dwukierunkowy

Często dla sygnałów transmitowanych dwukierunkowo na jednej karcie realizuje się transponder odbiorczy i nadawczy. Takie urządzenie nosi nazwę transpondera dwukierunkowego.

OADM

Jest urządzeniem umożliwiającym wydzielenie ze zbiorczego sygnału optycznego jednej lub kilku fal optycznych (o określonych długościach), oraz wprowadzenie jednej lub kilku fal składowych do sygnału zbiorczego.

OXC (Optical Cross Connect)

Jest urządzeniem w którym zachodzi komutowanie wiązek światła. Obecnie są już dostępne w wersji produkcyjnej dwa konkurencyjne rozwiązania o całkowicie odmiennej technologii bezpośredniego krosowania wiązek fotonów: przełączniki optyczne wykonane w mikroelektromechanicznej technologii MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) i ciekłokrystaliczne przełączniki optyczne. W przełącznikach typu MEMS przełączanie strumieni świetlnych dokonuje się za pomocą dwóch współzależnych płaskich i dwuwymiarowych (2D MEMS) matryc mechanicznych z uchylnymi miniaturowymi zwierciadłami o średnicy około 0,5 mm. Są one osadzone na elastycznych wiązadłach półprzewodnikowych - pełniących rolę sprężynek z elektrostatycznym sterowaniem. W najnowszych rozwiązaniach używa się komponentów ruchomych przemieszczających się w trzech płaszczyznach (3D MEMS), co umożliwia realizację większej liczby połączeń w tej samej objętości przełącznika optycznego, o kosztach podobnych jak w technologii 2D. Rozwiązaniem konkurencyjnym i odmiennym od lustrzanej technologii MEMS są ciekłokrystaliczne przełączniki światła, w których podstawowym budulcem jest specjalny blok pęcherzykowy (bubble technology) do komutowania 32 promieni świetlnych, znajdujące się dopiero w fazie badań podstawowych. W tym rozwiązaniu wewnątrz układu wypełnionego specjalnym płynem znajduje się matryca mikroskopijnych kanałów optycznych prowadzących promienie świetlne. Półpłynną ciecz znajdującą się na skrzyżowaniu promieni świetlnych można wielokrotnie podgrzewać za pomocą specjalnych dysz pęcherzykowych, dzięki czemu uzyskuje się lokalną zmianę mikrostruktury powodującej efekt zwierciadła optycznego (bąble), kierującego strumień świetlny do właściwego portu odbiorczego.

Wzmacniacz optyczny

Jest urządzeniem mającym za zadanie wzmocnienie mocy sygnału optycznego bez zmiany jego postaci z optycznej na elektryczną. Najczęściej stosowane wzmacniacze optyczne konstruowane są w oparciu o włókna światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA erbium-droped fiber amplifier). Mają one właściwości wzmacniające dla fal z przedziału 1525-1565 nm i nieliniową w funkcji częstotliwości charakterystykę wzmocnienia. Ze względu na te nieliniowości wykorzystywany obecnie najczęściej jest zakres pomiedzy 1540 a 1560 nm. Jednakże w obsługiwanym przez EDFA zakresie częstotliwości można zmieścić wiele fal składowych systemu DWDM zwłaszcza przy zastosowaniu odstępu 50GHz. Są one wtedy wzmacniane jednocześnie przez jeden wzmacniacz. Pomimo że EDFA nie przekształca sygnału WDM do postaci elektrycznej to jednak sam wymaga zasilania. Do włókna domieszkowanego erbem obok sygnału użytecznego WDM za pośrednictwem couplera wprowadzany jest sygnał optyczny z pomocniczego Ľródła tzw. pompy o długości fali 980 i/lub 1480 nm. We włóknie następuje wzmocnienie sygnału użytecznego kosztem sygnału doprowadzonego ze Ľródła pompującego. EDFA z pompą 1480 nm są tańsze natomiast ze Ľródłem 980 nm wprowadzają do systemu mniejsze szumy. Na szumy ma wpływ również kierunek w jakim wprowadza się do EDFA światło z pompy. Mniejsze szumy są dla kierunku przeciwnego kierunkowi transmisji. Stosuje się czasami układy EDFA z dwoma pompami. Pierwsza pracuje na długości fali 980 nm i wprowadza światło przed EDFA zgodnie z kierunkiem transmisji użytecznej, druga pracuje na 1480 nm i wprowadza światło za EDFA przeciwnie do kierunku transmisji użytecznej. EDFA z jedną pompą jest w stanie osiągnąć moc na wyjściu do +16dBm a z dwoma do + 26dBm. Ze wzgledu na umiejscowienie w systemie WDM EDFA mogą pełnić 3 funkcje: booster jest umieszczany za nadajnikiem i ma za zadanie podnieść moc sygnału wyjściowego tak aby pierwszy z regeneratorów znajdował się tak daleko jak to tyko możliwe. Pracuje w stanie bliskim nasycenia z dużą mocą wejściową. wzmacniacz liniowy jest umieszczany na trasie linii i ma za zadanie wzmocnić sygnał tak jak to tylko możliwe bez wprowadzania nadmiernych szumów. pre-amplifier jest umieszczany tuż przed odbiornikiem w celu wzmocnienia słabego sygnału na końcu linii, powinien wprowadzać jak najmniejsze szumy i jest najczęściej stosowany wraz z filtrem wąskopasmowym. Trwają obecnie prace nad uzyskaniem wzmacniaczy optycznych o szerokiej płaskiej charakterystyce wzmocnienia przy wykorzystaniu innych materiałów n.p. domieszkowanych światłowodów fluorkowych i elementów półprzewodnikowych.

Tłumik

Jest używany dla wyrównania bądź dostosowania mocy sygnału do wartości wymaganej przez komponenty systemu WDM (EDFA, Multipleksery, OADM). Tłumiki mogą być wykonywane tak aby ich tłumienie było różne dla różnych długości fali. Dzięki temu przy ich pomocy można kompensować nieliniowe działanie innych komponentów.

DCM

Dispersion Compensation Modul jest urządzeniem mającym za zadanie kompensację dyspersji chromatycznej włókien światłowodowych. Może być wykonany z włókna światłowodowego o dyspersji przeciwnego znaku niż dyspersja linii kablowej lub w postaci dyskretnego układu optyki zintegrowanej. Jak wyglądają takie moduły (5 szt.) pokazuje zdjęcie poniżej.

Przykładowe realizacje DWDM

Huawei OSN 1800

Huawei OSN 9800

NOKIA PSS 32

Alcatel-Lucent 1692