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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 42 Wichtige Komponenten optischer Netze – Von der Faser zum DWDM-System

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Die Grundidee der Revolution durch optische Netze ist schnell auf den Punkt gebracht: Koexistenz vieler, jeweils einzeln modulierter Lichtwellenlängen („Farben“) auf einem Lichtwellenleiter. Für diesen Wellenlängenmultiplex benötigt man jedoch einige spezielle Komponenten und Entwicklungen. Diese sind heute Thema, bevor wir in der nächsten Folge mit strukturellen Fragen fortfahren.

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Die optische Datenübertragung im Detail; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Die optische Datenübertragung im Detail; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Der eigentliche Kern der Revolution durch optische Netze ist technisch gesehen relativ einfach auf den Punkt zu bringen. Bei der bisher meist benutzten Übertragung auf Lichtwellenleitern hat man eine einzige Lichtquelle mit der Information moduliert und dieses modulierte Licht reist dann über den Lichtwellenleiter zum Ziel.

Die einfachste Modulation kennen wir alle: das Lichtmorsen. In optischen Netzen ist das zwar nicht ganz so trivial, aber für den Moment reicht es, wenn Sie sich das genauso vorstellen. Aber es gibt ja Licht in unterschiedlichen Wellenlängen, die wir im sichtbaren Bereich auch als Farben bezeichnen. Auf einem Lichtwellenleiter können Lichtwellen unterschiedlicher Farben reisen, ohne sich gegenseitig zu stören. Also kann man auch jede Farbe einzeln mit Information modulieren. Dadurch entstehen auf einem Lichtwellenleiter viele parallele Informationskanäle und letztlich eine enorme mögliche Übertragungsleistung. Sehen wir uns das genauer an.

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Von der Faser zum DWDM-System

Bei einem konventionellen Glasfaser-Übertragungssystem gibt es eine Informationsquelle, deren Gehalt auf ein Sendesignal z.B. aus einem Laser, moduliert wird. Das Ergebnis wird dann über die Glasfaser übertragen und am Ende demoduliert.

Bei diesen konventionellen Systemen haben sich schnell zwei Untergruppen herausgebildet: ausgesprochen preisgünstige Systeme mit vergleichsweise geringer Leistung und teure Hochleistungssysteme. Erstere bestehen z.B. aus einer Leuchtdiode als Sender, einer Multimodefaser als Medium und einem einfachen Fototransistor als Empfänger. Sie werden z.B. in LANs eingesetzt. Hochwertige Systeme arbeiten grundsätzlich mit Lasern, meist mit Singlemodefasern und Avalanche-Fotodioden als Empfänger. Sie werden dort eingesetzt, wo hohe Übertragungsleistung und Qualität wichtiger sind als die Kosten der einzelnen Leitung.

Die Leistung dieser konventionellen Systeme war für die Begriffe der letzten Jahre schon relativ hoch. Deshalb hat man Informationen aus mehreren elektrischen Datenquellen vor der optischen Übertragungsstrecke gemultiplext und das elektronische „Summensignal“ dann als Grundlage für die Modulation des Lichtes genommen.

Die Informationen müssen in diesem Fall am Ende der Übertragungsstrecke nicht nur decodiert, sondern auch elektronisch demultiplext werden. Der Standard SONET/SDH ist die Zementierung dieser Art elektro/optischer Mehrkanalsysteme für den WAN- und Telefonie-Bereich.

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Wellenlängenmultiplex im Detail

Wellenlängenmultiplex bedeutet nun, dass für jede zu übertragene Information eine eigene Wellenlänge zur Verfügung steht. Wie bei einem einkanaligen System wird jede Information auf das Signal eines Lasers aufgeprägt. Diese modulierten Signale unterschiedlicher Wellenlängen werden dann durch einen passiven optischen Multiplexer zu einem Summensignal zusammengeführt, welches auf der Glasfaser übertragen wird. Am Ende der Glasfaser zerlegt zuerst ein passiver Wellenlängendemultiplexer das Licht-Summensignal in die Lichtsignale der einzelnen Kanäle. Diese werden dann decodiert.

Wegen der enormen Bandbreite der einzelnen Wellenlängenkanäle von bis zu 100 Gigabit/s. wird man ggf. verschiedene, vergleichsweise schmalbandige Informationsströme auf diese Kanäle wieder einzeln elektronisch multiplexen.

Optische Netze haben mit der Anwendung der WDM-Technik (Wavelength Division Multiplexing) begonnen, die auf herkömmlichen Glasfasern zusätzliche Kapazität bereitstellen kann. Heutige WDM-Systeme holen z.B. aus einer OC-3 Faser, die bspw. bisher mit 155 Mbps-ATM benutzt wurde, locker 40 Gigabit/s. heraus – ohne zusätzliche Zwischenverstärker auf Distanzen von bis zu 200 km.

Wie bei SONET bilden definierte Netzwerk-Elemente und Archtekturen die Basis des optischen Netzes. Im Gegensatz aber zu allen anderen Systemen, wo Bitraten und Frame-Strukturen als Grundbausteine angesehen werden, basiert das optische Netz auf Wellenlängen. Die Komponenten des optischen Netzes werden dadurch definiert, wie die Wellenlängen im Netz behandelt, übertragen oder implementiert werden. Sieht man das Telekommunikationsnetz im Rahmen einer schichtenorientierten Architektur, so verlangt das optische Netz die Hinzufügung einer optischen Schicht.

Optische Layer

Diese Layer sind allerdings etwas anders als im OSI-Modell. Die erste Schicht, der Services Layer, ist diejenige, wo die Dienste (bspw. Datenübertragung) das Telekommunikationsnetz „betreten“.

Die zweite Schicht, der SONET-Layer, sorgt für die Wiederaufbereitung von Signalen, Leistungsmonitoring und Übertragung. Er ist transparent für den Services Layer. Mit dem optischen Netz kommt nun eine dritte Schicht, der Optical Layer. Er wird von den Standardisierungsgremien zurzeit festgelegt, wird aber wahrscheinlich eine ähnliche Funktionalität wie der SONET-Layer haben, nur eben rein optisch.

Man stellt an das Optische Netz allerdings noch weitergehende Anforderungen: es soll auch optische Signale hoher Bitrate übertragen können, die nicht den SONET-Definitionen entsprechen, sodass der Optical Layer seinerseits wieder transparent gegenüber dem SONET-Layer sein muss. Der Optical Layer stellt individuelle Wellenlängen anstatt elektrischer SONET-Signale bereit. Hintergrund dieser Definitionen ist der unter anderem der Wunsch nach einer rein optischen Übertragung von IP-Signalen.

Im Rahmen der Implementierung eines optischen Netzes braucht man für diejenigen Wellenlängen, die an dieser Stelle Daten(verkehr) hineinbringen oder herausnehmen, entsprechende elektrooptische Umsetzer. Alle Wellenlängen, die Datenströme transportieren, die an dieser Stelle weder ankommen noch abgehen, können einfach durchgeschaltet werden und man benötigt keinerlei Konverter. Systematisch angewandt kann dies zu enormen Einsparungen im Equipment führen. Das Routen von Verkehr über Raumeinheiten und Wellenlängen spart die elektronischen Switches ein und vereinfacht die Verwaltung des Netzes.

Basis eines Optischen Netzes sind fortschrittliche optische Technologien, die die notwendigen Funktionen in rein optischer Technik realisieren. Wir werden jetzt hier die wichtigsten jeweils kurz erläutern.

weiter mit: Breitband WDM

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.

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Schmalband-Laser und VCSELs

Ohne eine schmale, stabile und kohärente Lichtquelle wären die ganzen anderen Komponenten in einem optischen Netz nutzlos. Laser mit schmalen Bandbreiten liefern die monochromatische Lichtquelle mit schmalem Wellenlängenbereich, die in einem optischen Netz einen Kanal repräsentiert.

Man unterscheidet zwischen Lasern, die extern moduliert werden und so genannten integrierten Laser-Technologien. Je nachdem, was man benutzt, kann der Präzisions-Laser Bestandteil des DWDM-Systems oder in ein SONET Netzwerk-Element eingebettet sein. In letztem Fall heißt dies eingebettetes System.

Wenn der Präzisions-Laser in einem Modul namens Transponder Teil des WDM-Equipments ist, wird dies als offenes System bezeichnet, weil jeder Billig-Laser-Transmitter auf dem SONET-Netzwerk als Input benutzt werden kann.

Weitere Verbesserungen hinsichtlich wesentlich engerer Packungsdichten und erweiterter Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich durch die integrierte optische Technologie, die vor allem die so genannte Vertikalemitter-Laserdioden hervorgebracht hat. Mit solchen VCSELs kann man z.B. sehr preiswerte Übertragungssysteme aufbauen, wie sie im LAN- und MAN-Bereich benötigt werden.

Ein 10 Gigabit Ethernet Adapter mit VCSELs kann so für weit unter 500 US$ gebaut werden, die Leistungsgrenze liegt momentan bei der Übertragung von ca. 40 Gigabit/s. auf einer Distanz von 310 m über preiswerte Multimodefasern. Derartige Systeme werden Verkabelung und Backbones interner Netze vollständig revolutionieren.

Fiber Bragg Gitter

Kommerziell verfügbare Fiber Bragg Gitter sind ganz wichtige Komponenten für WDM und optische Netze.

Ein Fiber Bragg Gitter ist eine kleine Fasersektion, die so modifiziert wurde, dass sie periodische Änderungen des Brechungsindexes der Faser hervorruft. In Abhängigkeit vom Abstand zwischen diesen Änderungen wird eine bestimmte Lichtfrequenz – mit der so genannten Bragg-Resonanz-Wellenlänge – zurückreflektiert, während alle anderen Wellenlängen durchgelassen werden. Diese wellenlängenspezifischen Eigenschaften des Gitters machen Fiber Bragg Gitter nützlich für den Aufbau von Ein- und Auskoppelstellen bzw. Multiplexern.

Bragg Gitter kann man aber auch für die Kompensation der Modendispersion und die allgemeine Signalfilterung benutzen. Mittlerweile gibt es auch integrierte Bragg Gitter, die unmittelbar mit anderen integrierten optischen Strukturen zusammenarbeiten.

Dünnfilmsubstrate

Wenn man ein dünnes Glas oder ein Polymer-Substrat mit einem dünnen Interferenzfilm dielektrischen Materials einhüllt, kann das Substrat dazu gebracht werden, nur eine spezifische Wellenlänge durchzulassen und alle anderen zu reflektieren.

Durch die Integration verschiedener derartiger Komponenten kann man viele optische Elemente kreieren, wie z.B. Multiplexer, Demultiplexer und Einrichtungen zur Ein- und Auskopplung von Signalen.