Technologie vlnového multiplexu

xWDM

Technologie vlnového multiplexu slouží primárně k navýšení přenosové kapacity singlemode optických vláken. Optické vlákno má obrovskou šířku pásma, teoreticky až 50THz. Prakticky se pak u špičkových DWDM systémů využívá „pouze“ pětina této kapacity. Konkrétně v případě 50GHz GRIDU, tedy rozestupu kanálů 0,4nm, máme tak k dispozici 240 samostatných kanálů, při přenosové rychlosti 40Gbps či 100Gbps se snadno dostáváme do oblasti terabitů.

Většina této kapacity je při běžném provozu, kdy využíváme jeden pár vlákna pro jeden přenášený kanál, nevyužita.

Optické páteřní trasy jsou pak již mnoho let vybudované, optické kabely bezpečně uloženy v zemi a bez použití xWDM máme dle počtu vláken dosti limitovanou přenosovou kapacitu.

Nejjednodušším způsobem, jak si navýšit přenosovou kapacitu na stávající trase/vláknech, je nasazení optických multiplexerů. Ty mohou být pasivní nebo aktivní.

Optický Multiplexer (případně Demultiplexer - podle způsobu jeho využití) pracuje na velmi jednoduchém a již stovky let známém principu rozkladu světla na optickém hranolu s využitím různých optických filtrů/pásmových propustí.

Hranolu využil už Isaac Newton ke zjištění podstaty světla. Experimentoval se dvěma skleněnými hranoly, které umístil za sebe tak, aby byly spojeny základnami. První hranol světlo rozkládal na jednotlivé barvy, druhý rozložené barvy opětovně sloučil zpět. Díky tomuto pokusu si Newton uvědomil, že bílé světlo není ve své podstatě čisté, ale že je směsí všech barev a jedná se tak o světelné kontinuum.

 Obr. Barevný rozklad světla na hranolu https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Light_dispersion_conceptual_waves.gif

Světlo je pak v principu jeden z druhů elektromagnetického vlnění.

O tomto vlnění pak mluvíme jako o světlu jen v určitém pásmu frekvencí. Obecně se ale spíše používá u optiky místo frekvence termín vlnová délka. S klesající vlnovou délkou (rostoucí frekvencí) se pak zvyšuje energie elektromagnetického vlnění/záření.

Vlnová délka nám jasně definuje barvu světla - nutno doplnit že naprostá většina optických přenosových systémů pracuje s lasery a diodami v infračerveném spektru (IR), tedy mimo oblast viditelného světla.

Vlnová délka a frekvence jsou navzájem převoditelné jednotky. V pásmu vlnových délek C (1530 až 1565nm), kde pak pracují běžné DWDM systémy pro smrtelníky, v oblasti stovek Terahertz, je odstup kanálů 100GHz roven 0,8nm.

I optické multiplexery, v závislosti na typu použitých optických filtrů a pásmových propustí, nám skládají jednotlivá spektra/ spektrální čáry různých vlnových délek do jednoho paprsku (světelného kontinua), který v sobě přesto stále nese jednotlivé barvičky a je propagován v rámci jedné optické cesty – jádra optického vlákna

Pokud použijeme stejný multiplexer opačným směrem, zajistí nám tento zpětné rozložení spektra na jednotlivé vlnové délky/ kanály. V takovém případě nazýváme tento prvek jako Demultiplexer. Pro obousměrnou komunikaci je tedy nutno použít jejich kombinace – Multi + Demultiplexer (MUX/DEMUX).

Pasivní CWDM Multi-Demultiplexery

Nejjednodušší a nejlevnější možností, jak navýšit kapacitu stávajícího optického vlákna, je nasazení pasivních CWDM MUX/ DEMUX modulů. Ty se dnes nabízejí s maximální kapacitou 18 vlnových délek/kanálů. Tyto multiplexery se pak nabízí ve variantách pro trasy se standardními dvěma vlákny či pro nasazení na trasách jednovláknových (tzv. bidi řešení). V kombinaci s těmito pasivními multiplexery, se používají zpravidla optické transceivery s vyladěnou vysílací vlnovou délkou odpovídající dané vlnové délce v CWDM rastru/gridu. Pokud to podmínky dovolují, nejsnazší cesta je použít tyto transceivery přímo v koncových aktivních prvcích – ty dnes bývají již běžně vybaveny SFP, SFP+ či sloty v jiném formátu optických transceiverů. Přenosový protokol nebo požadovaný bitrate pak nehraje pro samotný multiplexer žádnou roli. Tato řešení jsou naprosto protokolově nezávislá – jedná se v podstatě jen o optický hranol.

Multiplexery se pak dodávají v různých formátech – od plastové ABS krabičky s okonektorovanými šlahouny až po finální výrobek v 19“ provedení pro instalaci do stojanových rozvaděčů. Typ konektorů i konkrétní kanály je pak možno volit dle požadavku dané instalace.

Principiálně se CWDM multiplexer skládá z jednotlivých filtrů pro jednotlivé vlnové délky. Filtry mají podobu kovové trubičky s třemi vlákny. Filtr je průchozí s tím, že konkrétní vlnová délka je odbočena/odražena do samostatného vlákna (DEMUX) nebo je daná vlnová délka vřazena do světelného kontinua (MUX).

Tyto filtry se pak řadí za sebe v požadovaném pořadí (např. pro optimalizaci průběhu útlumu na jednotlivých vlnových délkách) a konstrukce finálního multiplexeru pak využívá k této optimalizaci i dalších komponent, jako jsou např. pásmové propusti.

Obr.Schéma BIDI MUX+DEMUX modulu pro 8 obousměrných služeb (16x vlnových délek) s použitím pásmové propusti/pásmového filtru

 Obr. Schéma zapojení transceiverů spolu s jednovláknovými (bidi) multiplexery – vysílací vlnové délky se střídají

Celá šířka pásma optického vlákna se pak dělí na několik bloků

O = Original (1260 – 1360nm)

E = Extended (1360 – 1460nm)

S = Short wavelenghts (1460 – 1530nm)

C = Conventional (1530 – 1565nm)

L = Long wavelenghts (1565 – 1625nm)

U = Ultralong wavelenghts (1625 – 1675nm)

Obr. CWDM GRID s jednotlivými kanály dle ITU-T standardu, znázorněna útlumová špička v pásmu 1390nm (G.652A nebo B)

DWDM multiplex

Na stejném principu pak fungují i pasivní DWDM multiplexery. DWDM však nabízí mnohem větší počet kanálů a lépe využívá dostupnou šířku pásma optického vlákna. DWDM pak dnes hraje prim především při potřebě vyšších přenosových rychlostí na kanál, při větších vzdálenostech (možnost použití EDFA) a při potřebě velkého množství přenášených kanálů. Odstup jednotlivých kanálů bývá zpravidla jen 0,8nm (100GHz GRID) případně 0,4nm (50GHz GRID). U pasivního řešení s použitím DWDM multiplexerů se lze dostat při dvouvláknové trase až na 44 obousměrných služeb. Právě 44-kanálová varianta je pak dnes místo samostatných filtrů řešena pomocí planární technologie AAWG (Athermal Arrayed Waveguide Grating). Celý 44-kanálový multiplexer se tak vejde do malého čipu na bázi křemíku

Obr.AWG čip schéma

Vstupující světlo (1) prochází prázdným prostorem (2), vstupuje do svazku optických vláken nebo vlnovodů (3). Vlákna (vlnovody) mají rozdílnou délku a dochází tak v každém z nich k rozdílnému fázovému posunu na jejich výstupu. Světlo poté prochází dalším volným prostorem a interferuje na vstupu výstupních vláken/vlnovodů (5) takovým způsobem, že každý z vlnovodů přijme jen světlo jisté vlnové délky. Oranžové linky ilustrují cestu, kudy světlo prochází. Z bodu (1) do bodu (5) funguje tak čip jako DEMUX, z bodu (5) do bodu (1) pak jako MUX.

Obr. Schéma zapojení 44-kanálového AWG MUX+ DEMUX modulů, trasa dvě vlákna

Aktivní DWDM pak umožňuje nasazení až mnoha set kanálů v rámci jednoho vlákna. Spolu s laditelnými transceivery, FFI moduly s elektronickou kompenzací disperze a regonfigurovatelnými ADD/DROP multiplexery nabízí téměř nekonečnou škálovatelnost a i velmi složité topologie s mnoha „křižovatkami“, které lze vzdáleně spravovat a měnit bez fyzického zásahu na síti.

Aktuální světový rekord (konec roku 2015) v přenosu dat přes jedno optické vlákno patří japonské společnosti SUMITOMO spolu se společností RAM Photonics. V roce 2015 se podařilo skupině inženýrů více než zdvojnásobit předchozí rekord a nastavila nový maximální realizovaný bitrate 2,15Pb/s. To je neuvěřitelná kapacita – řekněme to jinak pro názornější představu - aktuální rekord je přenos přes 2 miliony Gigabitů za sekundu.

Přenos byl realizován výkonným laserem (TeraTone™) s duální polarizací (64QAM modulace) od společnosti RAM a speciálním singlemode vláknem s dvaadvaceti jádry, a to na vzdálenost 31km. Výrobce se tak dostal na naprostý technologický limit, vyrobit homogenní vlákno s tak velkým počtem jader bylo velkou technologickou výzvou a tak tento rekord je ve skutečnosti realizován na „pouhých“ 19 jádrech díky „core to core cross-talk“ přeslechům. Šířka pásma u tohoto rekordního přenosu byla 1510 až 1620nm s rozestupem kanálů 25GHz (0,2nm).

Obr. Zleva řez multicore vláken, vpravo optické spektrum použitého laserového zdroje

Obr. Tabulka dostupných DWDM kanálů v pásmu C dle standardu, rastr 100GHz

Hybridní CWDM/ DWDM

Zajímavou možností je pak kombinace CWDM a DWDM multiplexerů, tzv. hybridní konfigurace.

Jednoduše řešeno lze využít některé CWDM kanály (zpravidla 1530 a 1550nm) pro nasvícení více kanálů DWDM přes vložený DWDM multiplexer. Lze tak jednoduše navýšit kapacitu již stávajícího CWDM systému s využitím všech již nainstalovaných komponent. Abychom zachovali dostatečnou izolaci vůči sousedním CWDM kanálům, zpravidla se na 100GHz gridu využívá 8 DWDM kanálů pro CWDM kanál 1530 a dalších 8 DWDM kanálů pro CWDM kanál 1550nm.

Některé CWDM multiplexery pak bývají vybaveny tzv. expresním portem (1504 – 1578nm), přes něj je možno připojit vícekanálový DWDM multiplexer, případně lze nasvítit běžným ER či ZR 1550nm transceiverem.

Obr. Hybridní CWDM – mixování CWDM a DWDM technologie

Obr. Ukázka hybridní topologie kombinující DWDM a CWDM technologii, přenosová kapacita 16x10Gbps + 16x1Gbps

Obr. Ukázka topologie s využitím expresního a upgrade portu na CWDM multiplexeru, kapacita 8x10Gbps + 12x1Gbps

ADD/DROP Multi-Demultiplexery

CWDM a DWDM řešení je pak v některých případech velmi vhodné doplnit ADD/DROP multiplexery. S jejich pomocí lze vytvářet složitější architekturu a budovat např. hvězdicovou topologii na jednom sdíleném vlákně či budovat kruhovou redundantní topologii.

Add/drop multiplexery existují a lze je vyrobit v mnoha variantách dle topologie a požadavku daného projektu

• jednovláknové varianty
• dvouvláknové varianty
• 1, 2, 3, 4 a 8-kanálové varianty

varianty jednostranné (SINGLE SIDE) pro jednosměrný provoz (West or East)

• pro klasické hvězdicové topologie

varianty oboustranné (DUAL SIDE) pro obousměrný provoz (West + East)

• pro budování RING architektury s LINE protection

Dále existují a dnes jsou často používány rekonfigurovatelné DWDM ADD/DROP multiplexery, tzv ROADM

• dvou až osmisměrná provedení
• 20 nebo 40-kanálové varianty
• jednoduchá vzdálená změna topologie
• nahrazuje i transpondéry
• zpravidla v kombinaci s EDFA zesilovači a DCM kompenzačními moduly

Obr.Zleva schéma ADD/DROP modulu v provedení SINGLE SIDE/ WEST OR EAST a v provedení DUAL SIDE/ WEST + EAST

Obr.Ukázka DWDM topologie s použitím ADD/DROP multiplexerů, přes 2x sdílené vlákna je vybudována hvězdicová topologie

Optické transceivery pro CWDM a DWDM vlnový multiplex

Pro nasvěcování optických multiplexerů se velmi často, především v případě pasivních provedení, využívají optické transceivery s laděným vysílačem na konkrétní DWDM a CWDM kanál. Tyto moduly se dnes nabízí téměř ve všech dostupných formátech (SFP, SFP+, XFP atd.) a pro téměř všechny protokoly (ETHERNET, SDH, FIBER CHANNEL) a přenosové rychlosti (od 100Mbps po 100Gbps).

Další informace k nabízeným optickým transceiverům zde.

CWDM a DWDM – limitace útlumem a disperzí

Složitější topologie s více multiplexery za sebou a dlouhými optickými trasami znamenají velkou ztrátu signálu -> vysoký útlum. Jsme limitování výkonem dostupných optických transceiverů. Vyšší přenosové rychlosti na kanál (8Gbps a více) pak zase mohou přinášet nově problém v podobě limitace disperzí – lze eliminovat DCM moduly, uvnitř kterých nalezneme speciální vlákna se zápornou NZD- či kladnou NZD+ disperzí.

• lze eliminovat EDFA či RAMAN zesilovači
• lze eliminovat 3R repeatery (transpondery)
• lze eliminovat vhodným návrhem
• aktivní DWDM a FFI porty s vysokým výkonem (EDC)

Základní požadované informace pro návrh xWDM systému

1/ Počet dostupných vláken

• systém má obousměrně komunikovat přes 2 vlákna či 1 vlákno?

2/ Vzdálenost trasy/jednotlivých tras

3/ Protokol o změření vlákna/vláken

• nejlépe OTDR na 1310 i 1550nm, a to obousměrně
• u větších vzdáleností a vyšších přenosových rychlostí i měření disperzí (CD, PMD)

4/ Aktuální potřebný počet kanálů přenášený xWDM systémem

5/ Požadované přenosové rychlosti a protokoly jednotlivých kanálů

6/ Požadovaný počet kanálů pro využití v budoucnu

• vhodným počátečním návrhem lze systém rozšiřovat s využitím stávajících komponent

7/ Informace o případných volných slotech SFP, XFP, X2, SFP+ ve stávajících zařízeních (switche, …)

• volné sloty = lze vynechat transpondéry a použít přímo v koncovém zařízení „barevné“ transceivery

8/ Ideálně jednoduchý nákres konkrétní situace