WDM (Wavelength Division Multiplexing)

Grundlagen zur WDM Technologie

Was bedeutet WDM?

In der Informationstechnologie bezeichnet man das Medium, über das die Informationen übertragen werden, als Leitung. Wenn zwei Stationen miteinander kommunizieren möchten, reicht eine Leitung aus. Bei mehreren Stationen benötigt man mehrere Leitungen. Was aber, wenn man nur eine Leitung z.B. zwischen zwei Städten zur Verfügung hat, aber mehrere Stationen anbinden will? Mit der WDM-Technik lassen sich Glasfaserleitungen mehrfach für die Datenübertragung nutzen.

Bei dem WDM-Multiplexer lassen sich bis zu 96 unterschiedliche Wellenlängen/Applikationen auf einer Glasfaserleitung multiplexen

Ziele der WDM Technologie

  • Mehrfachnutzung Ihrer Glasfaserleitung
  • Kostensenkung durch Einsparen gemieteter Glasfaserleitungen
  • Erhöhung der Bandbreitenkapazität Ihres Glasfasernetzes

Die Idee bei der WDM-Technik

Jeder Station wird eine bestimmte Farbe (Wellenlänge) zugewiesen, über die die Kommunikation mit der Gegenstelle erfolgt. Der Vorteil hierbei ist, dass verschiedene Farben gleichzeitig auf einer Glasfaserleitung übertragen werden können. Hierfür fasst ein Wellenlängen Multiplexer die unterschiedlichen Farben zusammen. Diese werden dann zur Gegenstelle übertragen. Dort splittet ein Demultiplexer die einzelnen Farben wieder auf. In der Regel wird über eine Glasfaserleitung nur ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Wellenlänge übertragen. Beim Wellenlängenmultiplexing werden jedoch mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge über dieselbe Leitung geschickt. Da sich die Wellenlängen nicht überlagern, ist es möglich, die einzelnen Lichtstrahlen durch einfache Filter voneinander zu trennen. Als Lichtquelle dient hier ein Laser und als Empfangseinheit eine lichtempfindliche Photodiode. Beim Wellenlängenmultiplexing differenziert man zwischen CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) und DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Vorteil: Durch den Einsatz von WDM ist es nach heutigem Stand möglich, nahezu 20 Tbit/s (C-Band) über eine Glasfaserleitung zu übertragen.

Zusammengefasst

  • Laser erzeugen Licht mit einer bestimmten Wellenlänge (Farbe)
  • WDM Multiplexer bündeln verschiedene Wellenlängen auf eine Glasfaser
  • Glasfasern transportieren das Licht von Standort A nach Standort B
  • WDM Demultiplexer splitten die gebündelten Wellenlängen auf eine Glasfaser
  • Receiver oder Empfänger entnehmen und empfangen das Licht

Auswahl der richtigen Wellenlängen für WDM Übertragungen

Durch die Verwendung von entsprechenden Transceivern (SFP, XFP etc.) mit unterschiedlichem Powerbudget lassen sich Reichweiten von wenigen 100 m bis zu 120 km überbrücken. Ein wesentlicher Faktor für die Reichweite ist, neben dem Powerbudget der Transceiver, die genutzte Wellenlänge. Eine Glasfaser weist für jede Wellenlänge ein spezifisches Dämpfungsverhalten auf. Je höher die Dämpfung, desto geringer ist die Gesamtreichweite.

Optische Fenster im Bereich der Glasfaseübertragung

Optische Bänder

Durch gezielte Auswahl der Wellenlängen können somit höhere Reichweiten und eine bessere Signalqualität erreicht werden.

Optische Bänder und deren Wellenlängenbeschreibung
Ansprechpartner
Andreas Krebser
Technical Account Manager
+49 6103 834 83 333

CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)

Mit CWDM bis zu 16 verschiedene Wellenlängen auf ein Glasfaserpaar multiplexen

CWDM Multiplexer mit bis zu 16 CWDM Wellenlängen

CWDM Highlights

  • Bis zu 16 CWDM Wellenlängen auf einer Glasfaser übertragen
  • CWDM Kanalabstand 20 nm 1270 nm bis 1610 nm
  • Übertragungsreichweiten bis zu 120 km
  • Kostengünstiger als DWDM Lösungen
  • Ideal für Erstinvestitionen mit Erweiterungssicherheit durch DWDM/CWDM Integration

 

 

Optischer Water peak

CWDM Verfahren

Das CWDM Verfahren ist ein Wellenlängen- multiplexverfahren für Stadt- und Accessnetze. Die Übertragung erfolgt in 16 Kanälen mit Wellenlängen zwischen 1270 nm und 1610 nm. Aufgrund des großen Kanalabstandes von 20 nm können günstige Laser eingesetzt werden. Die Kanalbreite selbst beträgt 13 nm. Die verbleibenden 7 nm sind als Sicherheitsabstand zum nächsten Kanal vorgesehen.

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

Mit DWDM bis zu 96 Wellenlängen auf ein Glasfaserpaar übertragen

DWDM Multiplexer mit bis zu 96 DWDM Wellenlängen

DWDM Highlights

  • Bis zu 96 DWDM Wellenlängen auf einer Glasfaser übertragen
  • DWDM Kanalabstand 0,8 nm (100 GHz Grid) oder 0,4 nm (50 GHz Grid)
  • DWDM Übertragungsreichweiten über mehr als 1.000 km mit optischen Verstärkern
  • Optionale Integration in bestehende CWDM Infrastrukuren möglich, durch CWDM/DWDM Integration
  • DWDM Wellenlängenbereiche von 1528 nm (Channel 61) bis 1563 nm (Channel 17)

DWDM Verfahren

Die Funktionsweise des DWDM ähnelt der des CWDMs. Anders als bei CWDM beträgt der Kanalabstand bei DWDM Systemen 0,4/0,8 nm (50/100 GHz Grid). Durch diesen geringen Kanalabstand können weitaus mehr Informationen parallel übertragen werden. Im Moment beschränkt man sich noch auf Wellenlängen zwischen 1530 nm und 1625 nm, also den Bereich des C- und L-Bandes. Das DWDM Verfahren ist aufwendiger im Vergleich zum CWDM Verfahren, da hier spezielle Transceiver benötigt werden.

Theoretisch verfügbare DWDM Kanäle im C- und L-Band in Abhängigkeit vom Kanalabstand

 

 

Anzahl verfügbarer C- und L-Band Kanäle

CWDM/DWDM Hybrid

DWDM/CWDM Hybrid Multiplexer mit bis zu 38 WDM Wellenlängen

Einfache Erweiterung bestehender CWDM Systeme

Der Unterschied zwischen CWDM und DWDM ist der Kanalabstand zwischen den einzelnen Wellenlängen. Er beträgt bei CWDM 20 nm und bei DWDM 0,8 nm (im 100 GHz Grid).Dies macht sich Pan Dacom Direkt für die effiziente CWDM/DWDM Hybrid-Lösung zunutze. Dabei werden bis zu 16 DWDM Kanäle parallel in nur einem CWDM Kanal übertragen. Dies ermöglicht eine einfache Kanalerweiterung unter Weiternutzung bestehender CWDM Komponenten. Hierdurch wird die Investition in die existierenden CWDM Netze geschützt.

TDM

TDM Multiplexer in Kombination mit DWDM Mulitplexer

Zeitmultiplexverfahren - TDM (Time Division Multiplexing)

Beim Zeitmultiplexverfahren werden die Daten verschiedener Sender in bestimmten Zeitabschnitten nacheinander abgearbeitet und auf einem Kanal übertragen. Hierbei unterscheidet man zwischen dem synchronen und asynchronen Zeitmultiplexing.

 

 

 

 

 

Asynchrones Zeitmultiplexen

Beim asynchronen Verfahren werden die einzelnen Datenströme in variable Zeitabschnitte eingeordnet und anschließend übertragen. Dabei erfolgt die Übertragung in keiner festen Reihenfolge. Jeder Zeitabschnitt erhält eine Kanalinformationsnummer, um die Zeitabschnitte beim Demultiplexen wieder zu trennen.

Synchrones Zeitmultiplexen

Beim synchronen Verfahren werden die einzelnen Datenströme in feste Zeitabschnitte eingeordnet und anschließend in der vorgegebenen Reihenfolge übertragen.

Mit diesem TDM Verfahren lassen sich z.B. 8 x Gigabit Ethernet auf ein 10 Gigabit Signal multiplexen. Dieses eigenständige 10 Gigabit Signal kann anschließend auf einen CWDM/DWDM Multiplexer geschaltet werden. Somit lassen sich pro Wellenlänge mehrere Einzelsignale hintereinander übertragen und das gesamte WDM System noch besser auslasten. Durch das Vorschalten von TDM Multiplexern an ein DWDM System lassen sich bis zu 1.920 x 10 Gbit/s Ethernet Signale auf einem Glasfaserpaar übertragen.

Schematische Darstellung von WDM/TDM Multiplexing

 

 

EDFA- und RAMAN-Verstärker

Verstärker (Booster)

zur Erhöhung der Ausgangsleistung am Anfang der Übertragungsstrecke

Inline-Verstärke

zur Kompensation der Dämpfung auf der Übertragungsstrecke

Vorverstärker (PreAmp)

zur Anhebung des Pegels, am Ende der Übertragungsstrecke in den Empfangsbereich des Empfängers.

RAMAN-Verstärker

zur Anhebung des Pegels, am Ende der Übertragungsstrecke durch Nutzung der RAMAN-Streuung. Die Verstärkung erfolgt mit verbessertem OSNR-Verhalten und Verringerung von nichtlinearen Effekten

EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Funktionsprinzip

Bei EDFAs werden mittels eines Pumplasers (980 nm bzw. 1480 nm) Elektronen in ein höheres Energieniveau angehoben. Durch einfallende Photonen gleicher Signalwellenlänge wird mit Hilfe von stimulierter Emission eine Verstärkung des Signals erreicht.

Funktionsprinzip von EDFA Verstärkern

RAMAN-Verstärker Funktionsprinzip

RAMAN-Verstärker nutzen den Effekt der RAMAN-Streuung. Hierzu wird Licht mit hoher Leistung und entsprechender Wellenlänge in die Faser gepumpt. Liegt die einfallende Wellenlänge im Raman-Verstärkungsspektrum, kommt es zu einer Verstärkung des Lichtes.

Funktionsprinzip von RAMAN Verstärkern

Dispersion und nicht-lineare Effekte

Modendispersion in der Mulitomodeglasfaser

Modendispersion

Die verschiedenen Moden eines Lichtimpulses haben unterschiedliche Laufzeiten in einer Glasfaser. Bei entsprechend großem Querschnitt des Leiters wird das Signal zwischen dem Kern und dem Mantel der Faser reflektiert. Das Signal durchläuft somit die Faser nicht mehr linear sondern eher im Zickzack. Dadurch erreichen die unterschiedlichen Moden den Empfänger nicht gleichzeitig, was zu einer Verbreiterung des Signals führt.

Polarisationsmodendispersion

Polarisationsmodendispersion

Durch äußere Einflüsse wie Biegung oder Torsion, sowie durch innere Einflüsse wie Inhomogenität des Kerns, wird die Faser doppelbrechend. Für die beiden senkrecht zueinander stehenden Polarisationsebenen eines Signals ergeben sich damit unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, was zu einer Impulsverbreiterung führt. Der maximale Abstand zwischen den Modenlaufzeiten wird als Gruppenlaufzeit DGD (Differential Group Delay) bezeichnet. Eine Reduktion dieses Effektes lässt sich durch eine exakte Geometrie der Faser erzielen. Schon bei der Verlegung des Lichtwellenleiters (LWL) sollten äußere Einflüsse durch vorsichtige Handhabung gering gehalten werden.

Vierwellenmischung

Werden drei, im gleichen Raster unterschiedliche, Wellenlängen gleichzeitig in einer Faser übertragen, führt dies zu der Entstehung einer vierten Wellenlänge. Von dieser werden andere Wellenlängen überlagert - ähnlich dem Übersprechen. Die Effekte der Vierwellenmischung (FWM) werden reduziert, wenn die chromatische Dispersion ungleich Null ist. Sind alle vier Wellenlängen gleich, wird dies als entartete Vierwellenmischung (Degenerated Four Wave Mixing) bezeichnet.

Chromatische Dispersion

Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der verschiedenen Wellenlängen eines Signals führen zu einer Verbreiterung des Impulses. Durch diesen, als Dispersion bezeichneten Effekt, wird die Übertragungsreichweite eines Lichtwellenleiters (LWL) begrenzt. Da die Dispersion von der Wellenlänge (Farbe) abhängig ist, spricht man von chromatischer Dispersion. Diese lässt sich durch verschiedene Verfahren kompensieren.

Chromatische Dispersion und der Einsatz des Faser-Bragg-Gitters zu deren Kompensation

Die chromatische Dispersion lässt sich durch verschiedene Verfahren u.a. den Einsatz eines Faser-Bragg-Gitters kompensieren. Bei Verwendung eines Faser-Bragg-Gitters ändert sich mit der Eindringtiefe des Lichtes der Brechungsindex des Gitters. Bei einem ankommenden verbreiterten Impuls legen die unterschiedlichen spektralen Anteile verschieden lange Wege zurück. Die daraus resultierende Zeitverzögerung führt zu einer Verschmälerung des Pulses und damit zu einer Kompensation der chromatischen Dispersion.

Faser-Bragg-Gitter zur Kompensation der Chromatische Despersion

Weitere Informationen

Referenzen