Multipleksowanie z podziałem długości fali

Przepustowość w komunikacji jest jak szafa w Twoim domu – nigdy nie masz dość. A ruch internetowy sprawia, że ​​zapotrzebowanie na przepustowość komunikacyjną rośnie szybciej niż garderoba nastolatka z kartą kredytową bez limitu. Zajmujące przepustowość megabajty animowanej grafiki zastępują kompaktowe wiadomości e-mail. Systemy transmisji danych, wideo i głosowych, które jeszcze kilka lat temu miały wystarczająco dużo miejsca, zapełniły się. Branża telekomunikacyjna potrzebuje miejsca, by odetchnąć.

Właśnie to wnosi nowa generacja technologii światłowodowej do sieci, takich jak trafnie nazwany Project Oxygen. Neil Tagare, założyciel CTR Group w Woodcliff Lake w stanie New Jersey, wybrał tę nazwę dla globalnej sieci, ponieważ uważał, że ogromna przepustowość oferowana przez nową technologię jest tak samo ważna dla telekomunikacji, jak tlen dla samego życia. Wysyłając sygnały o 16 różnych długościach fal przez każdą z czterech par światłowodów, Project Oxygen przeniesie 640 gigabitów na sekundę (Gbit/s) przez całe oceany. To równowartość 10 milionów jednoczesnych rozmów telefonicznych – wystarczy, aby każda osoba na Węgrzech lub w Belgii mogła jednocześnie zadzwonić do Stanów Zjednoczonych.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 1999 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Technologia, która umożliwia tę nową szerokość pasma, nazywa się multipleksowaniem z podziałem długości fali (WDM) i reprezentuje drugą dużą rewolucję światłowodową w telekomunikacji. Pierwsza miała miejsce w latach 80., kiedy firmy telekomunikacyjne połączyły Stany Zjednoczone i inne kraje światłowodami, aby stworzyć globalną sieć rurociągów informacyjnych, które mogłyby przenosić znacznie więcej danych niż zastąpione przez nie miedziane przewody i łącza mikrofalowe. WDM wykorzystuje tę zaletę o ogromny krok dalej, zwielokrotniając potencjalną pojemność każdego światłowodu, wypełniając je nie tylko jedną, ale wieloma długościami fali światła, z których każda może przenosić oddzielny sygnał.

Zwielokrotnianie z podziałem długości fal pojawiło się całkiem wygodnie, ponieważ starsze kable światłowodowe były zapełniane, mówi Richard Mack, wiceprezes KMI Corp., firmy analitycznej z Newport, RI, specjalizującej się w światłowodach. Korzystając z WDM, przewoźnicy dalekobieżni, tacy jak AT&T i MCI, byli w stanie uniknąć układania drogich nowych kabli; zamiast tego po prostu pompują dodatkowe długości fal przez istniejące włókna.

Rewolucja WDM nadeszła z nieoczekiwaną szybkością. Dziesięć lat temu, jak podkreśla Mack, ludzie mówili, że istnieje nadmiar pojemności włókien. Aby zapewnić miejsce na rozbudowę, firmy telekomunikacyjne ułożyły kable zawierające od 24 do 36 włókien, z których wiele trzymano w rezerwie jako włókna ciemne. Każde włókno przesyłało setki megabitów na sekundę przy jednej długości fali. Od tego czasu operatorzy podnieśli szybkość transmisji danych do 2,5 Gbit/s i oświetlili większość ciemnych włókien. Ale ogromny wzrost ruchu zatłoczył te kable, które kiedyś wydawały się tak obszerne. Wygląda na to, że szafy szybko pakują się po krokwie, a rzeczy wysypują się na podłogę. Do pewnego wzrostu przyczynia się korzystanie z telefonu, w tym rozpowszechnianie się faksów i telefonów komórkowych. Jednak najbardziej dramatyczny wzrost dotyczył ruchu internetowego, który z grubsza podwaja się każdego roku.

Jasne jest również, że nie widać końca rosnącemu popytowi, zwłaszcza jeśli, jak sądzi wielu ekspertów, dwustronna komunikacja wideo staje się bardziej powszechna. Branża komunikacyjna przechodzi transformację, która za kilka lat przyniesie nam cyfrowe wideo do codziennego użytku w domu i w pracy, mówi Shahab Etemad, który kieruje rozwojem transmisji WDM w Morristown, N.J. Bell Communications Research lub Bellcore. (Początkowo ramię badawcze lokalnych i regionalnych firm telefonicznych, Bellcore działa obecnie jako firma konsultingowa w zakresie zarządzania siecią z różnymi klientami korporacyjnymi). Etemad spodziewa się, że przejście z telefonii głosowej na dane cyfrowe obciążone wideo będzie wymagało zwielokrotnienia przepustowości sieci szkieletowej o około współczynnik 200 i, jak twierdzi, WDM musi odgrywać wiodącą rolę w zaspokajaniu tego zwiększonego popytu.

Dzięki postępom w metodach WDM, światłowód wykonał dobrą robotę, nadążając za tą eksplozją popytu. Według Davida Clarka, starszego naukowca w Laboratorium Informatyki MIT, zdolność do pobierania bitów światłowodu rośnie szybciej niż prawo Moore'a, które przewiduje podwojenie mocy obliczeniowej co 18 miesięcy. W tej chwili, jak zauważa Clark, nośność włókien podwaja się co 12 miesięcy.

Robimy to z erbem

Termin multipleksowanie z podziałem długości fali śmierdzi inżynierskim żargonem, ale koncepcja jest prosta: jednocześnie wysyłaj oddzielne sygnały przez to samo włókno o różnych długościach fal. Zasadniczo ta sama idea stanowi podstawę nadawania programów radiowych i telewizyjnych, w których każda stacja wysyła swój sygnał na przydzielonej długości fali w widmie częstotliwości radiowych. Oczywiście większość ludzi myśli w kategoriach częstotliwości, ale te dwie wartości są nierozerwalnie związane ich stosunkiem do prędkości światła. (Na przykład 100 megaherców na tarczy FM odpowiada długości fali około 3 metrów.)

Te same zasady działają w przypadku światła przechodzącego przez światłowód, jak w przypadku fal radiowych przesyłanych przez powietrze. Światłowody najlepiej transmitują w niewidzialnej, bliskiej podczerwieni długości fali od 1,3 do 1,6 mikrometra, czyli w przybliżeniu dwukrotnie dłuższej od długości fali światła czerwonego.

Jeśli WDM jest zarówno prosty, jak i pomysł, który istnieje, dlaczego dopiero niedawno stał się praktyczny? Największą przeszkodą był brak odpowiednich wzmacniaczy. Sygnały świetlne przechodzące przez nawet najbardziej przezroczyste światłowody po kilkuset kilometrach zanikają do poziomu niewykrywalnego. Przez większość czasu światłowody były na miejscu, jedynym sposobem na dłuższe rozciągnięcie włókien była regeneracja sygnału w procesie optoelektronicznym: fotodetektor przekształcał strumień osłabionych impulsów świetlnych w sygnał napięciowy, który można wzmocnić elektronicznie ; ten wzmocniony sygnał modulował nadajnik laserowy.

Problem polega na tym, że detektory światła nie rozróżniają długości fal — mieszają sygnały w różnych kolorach, podobnie jak twoje uszy mają problem z rozróżnieniem, co jest powiedziane, gdy dwie osoby rozmawiają jednocześnie. Aby systemy optoelektroniczne mogły pracować z wieloma długościami fal, muszą mieć możliwość optycznego oddzielenia długości fal za pomocą filtrów lub innych podobnych elementów, aby każdy sygnał mógł przejść przez własny regenerator. Jednak do niedawna okazało się to niepraktyczne.

Ograniczenie to zniknęło wraz z wynalezieniem techniki bezpośredniego zwiększania natężenia światła sygnalizacyjnego, bez konieczności stosowania pośredniego stopnia elektronicznego. Kluczowym elementem technologii jest coś, co nazywa się wzmacniaczem światłowodowym domieszkowanym erbem. Urządzenia te, opracowane pod koniec lat 80., umożliwiły rewolucję WDM.

W przeciwieństwie do regeneratora, wzmacniacz światłowodowy działa bezpośrednio na światło. Światło w słabym sygnale wejściowym stymuluje wzbudzone atomy erbu we włóknie do emitowania większej ilości światła przy tej samej długości fali. Łańcuchy wzmacniaczy optycznych mogą się łączyć, aby przenosić sygnały przez tysiące kilometrów kabla światłowodowego na lądzie lub pod oceanem – bez regeneratorów. Ponieważ zachowują długość fali sygnałów optycznych, urządzenia z włóknami erbowymi mogą wzmacniać kilka kanałów o różnych długościach fal jednocześnie bez ich kodowania. Wzmacniacze erbowe działają dobrze w obszarze bliskiej podczerwieni widma, w którym działają systemy światłowodowe.

Na lądzie i na morzu

Firmy telekomunikacyjne międzymiastowe jako pierwsze zdały sobie sprawę, że multipleksowanie z podziałem długości fali może obniżyć koszty przepustowości. Według Dany Cooperson, analityka sieci optycznych w RHK Inc., firmie konsultingowej z South San Francisco, w porównaniu z alternatywą polegającą na dodawaniu nowego światłowodu technologia WDM zapewnia znacznie bardziej efektywny sposób zwiększania przepustowości. Układanie nowego kabla jest kosztowne i czasochłonne. A zakopanie nowego kabla wzdłuż tej samej trasy, którą już zajmował starszy kabel, jest ryzykowne – nowe wykopy mogą powodować przerwy w kablach, które mogą spowodować wyłączenie całego systemu.

Dążenie operatorów telekomunikacyjnych do oszczędzania czasu i pieniędzy napędzało szybki rozwój technik WDM. W połowie lat 90. firmy telekomunikacyjne zaczęły używać systemów nadających na czterech długościach fal i wkrótce podniosły liczbę do ośmiu. Deweloperzy szybko pokroili widmo jeszcze dokładniej, aby ścisnąć 16 kanałów długości fali przez jedno włókno, co stało się znane jako gęsty WDM.

Kiedy przewoźnicy dostrzegli potrzebę, producenci równie szybko wyczuli rynek. Firma Lucent Technologies z Murray Hill, N.J., dostosowała technologię opracowaną w swojej filii Bell Labs. Ciena, firma z Linthicum w stanie Maryland, założona w 1992 roku, ruszyła szybciej, dostarczając swój pierwszy komercyjny 16-kanałowy system w 1996 roku — prawie w tym samym czasie, co wydzielona firma AT&T. W ślad za nimi poszli inni giganci telekomunikacyjni na całym świecie, w tym Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu i Ericsson. W ciągu ostatnich dwóch do trzech lat kilka firm, w tym Ciena, Lucent i Nortel z Saint-Laurent, Que., zaczęło sprzedawać systemy, które dzielą widmo wzmacniaczy erbowych na 32 lub 40 tafli, każdy o szerokości zaledwie 0,8 nanometra. We wrześniu ubiegłego roku Lucent dostarczył swój pierwszy 80-kanałowy system do AT&T. Pirelli Cable z Lexington, S.C., a następnie obiecało wersję 128-kanałową, ale nie dostarczyło sprzętu w połowie stycznia.

Operatorzy telekomunikacyjni nie potrzebują dziś wszystkich tych kanałów, a dzięki wrodzonej modułowości WDM nie muszą kupować większej liczby kanałów, dopóki nie będą gotowi. Operator instalujący system WDM może zacząć od tylko nadajników i odbiorników potrzebnych dla kilku początkowych kanałów. Później, w miarę wzrostu zapotrzebowania na przepustowość, można podłączyć dodatkowy sprzęt, aby uzyskać dostęp do nowych długości fal.

Pełne wykorzystanie WDM często wymaga modernizacji starszych kabli poprzez dodanie komponentów, które kompensują uciążliwy efekt zwany dyspersją chromatyczną. Odnosi się to do tendencji krótkiego impulsu świetlnego do rozciągania się podczas przechodzenia przez włókno ze względu na fakt, że niektóre długości fal przemieszczają się szybciej niż inne. Dyspersja rozmazuje razem impulsy świetlne i dlatego ogranicza prędkość transmisji. Unikanie tego zjawiska jest szczególnie ważne w przypadku kabli podmorskich, gdzie sygnały świetlne muszą przechodzić przez kilka tysięcy kilometrów światłowodu od brzegu do brzegu. Nowe instalacje mogą wykorzystywać włókna zaprojektowane pod kątem optymalnej wydajności WDM, opracowane ostatnio zarówno przez Lucent, jak i Corning (Corning, N.Y.).

W zeszłym roku pierwszy duży kabel podmorski zaprojektowany do pracy na wielu długościach fal, nazwany Atlantic Crossing 1, zaczął wysyłać 2,5 Gbit/s w czterech kanałach na każdej z czterech par światłowodów. Przepustowość tego systemu można zwiększyć do 16 długości fal na włókno przy tej prędkości, mówi Patrick R. Trischitta, dyrektor marketingu technicznego w Tyco Submarine Systems Laboratories w Holmdel, NJ. To obiecuje łącznie 160 Gbit/s przez kabel, a pętla łącząca Stany Zjednoczone z Wielką Brytanią, Holandią i Niemcami.

Projekt Oxygen podnosi poprzeczkę. Nowsza technologia WDM będzie przenosić 10 Gbit/s na każdej z 16 długości fal przez ocean w czterech parach światłowodów, co daje łączną przepustowość 640 Gbit/s na kabel. To ponad 1000 razy więcej niż przepustowość pierwszego transatlantyckiego kabla światłowodowego, który zaczął działać zaledwie dekadę temu. Cały system docelowo będzie obejmował 168 000 kilometrów kabli, co wystarczy, aby czterokrotnie okrążyć kulę ziemską. Inne grupy planują więcej podwodnych systemów kablowych, choć żadna nie jest tak ambitna. Nic dziwnego, że Clark z MIT przewiduje, że utoniemy w błonniku.

Na lądzie regionalne firmy telekomunikacyjne właśnie zaczęły stosować multipleksowanie długości fal. W zeszłym roku Bell Atlantic rozpoczął testowanie WDM na 35-kilometrowym kablu pomiędzy Brunswick i Freehold, NJ, mówi Robert A. Gallo, inżynier Bell Atlantic odpowiedzialny za próbę. Każdy z czterech kanałów przesyłał sygnały z szybkością do 2,5 Gbit/s — najwyższa szybkość między firmowymi biurami przełączania — a system zbudowany w Cienie ma gniazda na maksymalnie 16 kanałów o długości fali. Bell South przetestował trzy z 16 kanałów w podobnym systemie na kablu o długości 80 kilometrów między Grenadą i Greenwood, panienko. Ekonomia jest jasna: taniej jest dodać pojemność WDM niż dodać nowe światłowód, mówi Cooperson, analityk RHK.

Inne zasady dotyczą krótszych kabli łączących centrale z głównymi klientami biznesowymi. Tutaj, na tak zwanym rynku metra, koszt zwiększenia liczby włókien nie jest tak dużym problemem, ponieważ przejazdy są znacznie krótsze, wyjaśnia Cooperson. Mimo to WDM poprawia transmisję sygnału na inne ważne sposoby. Jednym z nich jest przesyłanie sygnałów w ich oryginalnych formatach cyfrowych, a nie przekształcanie ich w kod cyfrowy używany w sieci telefonicznej. Ponieważ taka konwersja wymaga kosztownej elektroniki, dedykowanie długości fali do transmisji typu end-to-end w oryginalnym formacie może być tańsze.

Możliwość sortowania sygnałów według długości fali powinna usprawnić działanie przyszłych sieci światłowodowych. Tradycyjnie firmy telefoniczne organizują sygnały cyfrowe w hierarchii przepływności, łącząc wiele dopływów o niskiej przepływności w potężne cyfrowe rzeki przenoszące gigabity na sekundę. To skutecznie pakuje bity do linii transmisyjnych, ale wymaga rozpakowania całego strumienia bitów w celu wyodrębnienia poszczególnych sygnałów. Jeśli jednak sygnały są uporządkowane według długości fali, prosta optyka może wydobyć kanał o pożądanej długości fali bez zakłócania pozostałych. Inżynierowie mówią o dodaniu nowej warstwy optycznej do systemu telekomunikacyjnego. Klienci mogą dzierżawić długość fali w tej warstwie optycznej zamiast dzierżawić prawo do transmisji z określoną szybkością transmisji danych. Na przykład stacja telewizyjna może zarezerwować jedną długość fali ze swojego studia dla swojego nadajnika, a drugą dla lokalnej firmy kablowej – i transmitować oba sygnały w cyfrowych formatach wideo, które nie są używane w sieci telefonicznej.

Ostateczne ściskanie

Ponieważ zapotrzebowanie na przepustowość nie wykazuje oznak spowolnienia, twórcy systemów WDM już zastanawiają się, jak upakować więcej długości fal w tym samym włóknie. W chwili obecnej badane są dwa podstawowe podejścia, a ograniczenia obu są oczywiste.

Jednym z podejść jest zmniejszenie przestrzeni między długościami fal poprzez wybór długości fal, które są bliżej siebie, aby przenosić wiele sygnałów. Upakowanie długości fal bliżej działa dobrze do pewnego momentu, ale ostatecznie koliduje z podstawową fizyką. Wraz ze wzrostem szybkości transmisji impulsy optyczne stają się krótsze i zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga to skrócenie wymusza rozproszenie sygnału świetlnego w szerszym zakresie długości fal. To rozprzestrzenianie się może powodować zakłócenia między blisko oddalonymi od siebie kanałami. System Lucenta o największej przepustowości obsługuje 10 Gb/s w kanałach o długości fali oddzielonych o 0,8 nanometra, ale tylko 2,5 Gb/s przy zmniejszeniu o połowę odstępu między kanałami. Niewielu ekspertów uważa, że ​​kanały można znacznie zacisnąć. Wśród głównych dostawców tylko Hitachi Telecom z Norcross w stanie Georgia mówi o modulowaniu poszczególnych kanałów z prędkością 40 Gbit/s i przyznaje, że sygnały te mogą obejmować tylko ograniczone odległości.

Perspektywy wyglądają lepiej dla drugiej opcji: rozszerzenia zakresu długości fal transmisyjnych. Pirelli, na przykład, wykorzystuje trzy wzmacniacze światłowodowe erbowe, zoptymalizowane pod kątem oddzielnych pasm od 1525 do 1605 nanometrów, aby ścisnąć 128 kanałów o długości fali z szybkością 10 Gbit/s każdy w jednym włóknie. Lucent zademonstrował w laboratorium wzmacniacze erbowe pokrywające podobny zakres, a w zeszłym roku wprowadził nowe światłowód, który otwiera długo zaniedbywany blok widma około 1400 nanometrów. Dobre wzmacniacze optyczne nie są jeszcze dostępne dla innych długości fal.

Aby WDM osiągnął swój pełny potencjał, będzie jednak potrzebne więcej niż tylko pakowanie w dodatkowe długości fal. Konieczne będzie również opracowanie lepszego sprzętu do przełączania i manipulowania różnymi długościami fal po wyjściu sygnału z rury optycznej. Przełączniki optyczne zbliżają się do praktycznych zastosowań komercyjnych, mówi analityk Mack z KMI. Dodaje jednak, że aby w pełni naśladować to, co dzieje się w cyfrowych cross-connect, trzeba ponownie przydzielić i ponownie przypisać długości fal. Niemożliwe jest przydzielenie tej samej długości fali jednemu klientowi w całym systemie, ponieważ ogromna sieć ma znacznie więcej klientów niż ma długości fal.

Poniższa ilustracja pokazuje, w jaki sposób sygnały z San Francisco i Cupertino docierają do Palo Alto na tej samej długości fali, oba skierowane do San Jose. Węzeł Palo Alto musi przekonwertować jeden sygnał na inną długość fali na ostatnim etapie swojej podróży, aby przesyłane przez niego komunikaty nie były beznadziejnie mylone. Konwersja długości fali musi teraz przyjąć tę samą brutalną siłę, co regeneratory, przekształcając sygnał optyczny na elektroniczny, który może sterować nadajnikiem na wyjściowej długości fali. Całkowicie optyczne konwersje, chociaż zademonstrowane w laboratorium, nie osiągnęły jeszcze komercyjnej użyteczności.

Jednak nawet jeśli te problemy techniczne zostaną rozwiązane, to nie wystarczy, aby technologia naprawdę rozwinęła skrzydła. W tym celu cena również będzie musiała spaść – trajektoria, która według wtajemniczonych stała się już widoczna. Adel Saleh, szef działu badań nad dostępem szerokopasmowym w AT&T Labs w Red Bank, NJ, projekty, których koszt na węzeł sieci spadnie dziesięciokrotnie co pięć lat, począwszy od 1 miliona dolarów w 1995 roku. mówi, WDM będzie ekonomiczny tylko dla sieci szkieletowych. Gdy koszt jednego węzła spadnie do 100 000 USD, technologia będzie miała sens dla sieci metropolitalnych i regionalnych, zaczynając od obsługi dużych firm. Saleh spodziewa się, że dostęp do mieszkań w dużych budynkach mieszkalnych nastąpi po tym, jak koszty spadną do 10 000 USD za węzeł w około 2005 r., a WDM dotrze do poszczególnych domów, gdy koszty spadną do około 1000 USD w 2010 r.

Prawdziwa siła WDM polega na tym, jak rozszerza optyczne drogi oddechowe, aby każdy mógł wdychać więcej tlenu z informacji. U zarania ery radiowej każdy nadajnik krzyczał w całym spektrum radiowym, blokując inne sygnały na czas emisji. Następnie inżynierowie nauczyli się budować obwody, które dostrajały każdy nadajnik do własnej częstotliwości, otwierając widmo radiowe na wiele stacji, które możemy dziś usłyszeć. W podobny sposób WDM zastępuje pojedynczy strumień czarno-białych bitów wieloma różnokolorowymi sygnałami.

WDM tworzy ogromne nowe potoki informacyjne, które zapewnią lepszą obsługę przy niższych kosztach. Ale prawdziwa rewolucja informacyjna nie nadejdzie, dopóki tanie rurociągi WDM nie dotrą do poszczególnych mieszkań. Dzisiejsze połączenia modemowe pozostają wąskimi gardłami, zmuszając nas do sączenia potoku danych przez elektroniczny odpowiednik cienkiej plastikowej słomki. Ale przygotuj się: gdy światłowód dotrze do domu, twoja własna długość fali może dostarczyć bulgoczącą fontannę bitów.

ukryć