Multiplexování s dělením vlnových délek

Šířka pásma v komunikaci je jako prostor ve skříni u vás doma – nikdy nemáte dost. A internetový provoz způsobuje, že poptávka po komunikační kapacitě roste rychleji než šatník teenagera s kreditní kartou bez limitu. Přenosové megabajty animované grafiky nahrazují kompaktní e-mailové zprávy. Data, video a hlasové signály zaplňují přenosové systémy, které měly ještě před několika lety dostatek prostoru. Komunikační průmysl potřebuje prostor k dýchání.

To je přesně to, co nová generace technologie optických vláken přináší do sítí, jako je výstižně pojmenovaný Project Oxygen. Neil Tagare, zakladatel CTR Group ve Woodcliff Lake, NJ, zvolil toto jméno pro globální síť, protože považoval ohromnou šířku pásma, kterou nová technologie nabízí, za stejně zásadní pro telekomunikace, jako je kyslík pro život samotný. Vysíláním signálů na 16 různých vlnových délkách přes každý ze čtyř párů optických vláken přenese Project Oxygen 640 gigabitů za sekundu (Gbit/s) přes celé oceány. To je ekvivalent 10 milionů současných telefonních hovorů – dost na to, aby každý člověk v Maďarsku nebo Belgii zavolal ve stejnou dobu do Spojených států.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z března 1999

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Technologie, která umožňuje tuto novou šířku pásma, se nazývá vlnové multiplexování, neboli WDM, a představuje druhou velkou revoluci v oblasti optických vláken v telekomunikacích. První přišel v 80. letech 20. století, kdy telefonní společnosti protkaly Spojené státy a další země vlákny, aby vytvořily globální páteř informačních kanálů, které by mohly přenášet mnohem více dat než měděné dráty a mikrovlnné spoje, které nahradily. WDM dělá tuto výhodu obřím krokem dále – znásobuje potenciální kapacitu každého vlákna tím, že je naplňuje nejen jednou, ale mnoha vlnovými délkami světla, z nichž každá je schopna přenášet samostatný signál.

Multiplexování vlnových délek se objevilo docela pohodlně, protože starší optické kabely se zaplňovaly, říká Richard Mack, viceprezident společnosti KMI Corp., analytické firmy se sídlem v Newportu, R.I., která se specializuje na vláknovou optiku. Díky výhodám WDM se přepravci na dlouhé vzdálenosti, jako jsou AT&T a MCI, dokázali vyhnout pokládání drahých nových kabelů; místo toho jednoduše pumpují další vlnové délky přes stávající vlákna.

Revoluce WDM přišla s neočekávanou rychlostí. Před deseti lety, zdůrazňuje Mack, lidé říkali, že kapacita vlákniny je přebytek. Aby umožnily prostor pro expanzi, telefonní společnosti položily kabely obsahující 24 až 36 vláken, z nichž mnohé byly v záloze jako tmavá vlákna. Každé vlákno přenášelo stovky megabitů za sekundu na jediné vlnové délce. Od té doby operátoři zvýšili rychlost přenosu dat na 2,5 Gbit/s a rozsvítili většinu tmavých vláken. Ale ohromný nárůst provozu přeplnil tyto kabely, které se kdysi zdály tak objemné. Zdá se, že skříně jsou rychle narvané k prasknutí – a věci se sypou na podlahu. Používání telefonů představuje určitý nárůst, včetně rozšíření faxů a mobilních telefonů. Nejdramatičtější růst však zaznamenal internetový provoz, který se každý rok zhruba zdvojnásobuje.

Jasné je také to, že prudce rostoucí poptávka je v nedohlednu, zvláště pokud, jak se mnozí odborníci domnívají, se obousměrná video komunikace stane běžnější. Komunikační průmysl prochází přechodem, který nám za pár let přinese digitální video pro každodenní použití doma i v práci, říká Shahab Etemad, který vede vývoj WDM přenosů ve společnosti Morristown, Bell Communications Research nebo Bellcore se sídlem v New Jersey. (Bellcore, původně výzkumná pobočka místních a regionálních telefonních společností, nyní působí jako konzultační společnost pro správu sítě s řadou firemních klientů.) Etemad očekává, že přechod od hlasové telefonie k digitálním datům s velkým množstvím videa si vyžádá znásobení kapacity páteřního přenosu přibližně o faktor 200 – a trvá na tom, že WDM musí hrát vedoucí roli při uspokojování této rozšířené poptávky.

Díky pokrokům v metodách WDM odvedlo vlákno dobrou práci, aby drželo krok s touto explozí poptávky. Podle Davida Clarka, vedoucího vědeckého pracovníka z Laboratoře výpočetní techniky na MIT, schopnost dostat úlomky do vlákna roste rychleji než Mooreův zákon, který předpovídá zdvojnásobení výpočetního výkonu každých 18 měsíců. V současné době, jak poznamenává Clark, se nosnost vlákna každých 12 měsíců zdvojnásobuje.

Dělat to s Erbiem

Termín multiplexování s dělením vlnové délky zavání inženýrským žargonem, ale koncept je jednoduchý: současně posílat samostatné signály přes stejné vlákno na různých vlnových délkách. V podstatě stejná myšlenka tvoří základ rozhlasového a televizního vysílání, kde každá stanice vysílá svůj signál na přidělené vlnové délce v radiofrekvenčním spektru. Samozřejmě, že většina lidí místo toho přemýšlí z hlediska frekvence, ale tyto dvě hodnoty jsou nerozlučně spjaty jejich vztahem k rychlosti světla. (Například 100 megahertzů na číselníku FM odpovídá vlnové délce asi 3 metry.)

Pro světlo procházející optickým vláknem fungují stejné principy jako pro rádiové vlny přenášené vzduchem. Optická vlákna propouštějí nejlépe na vlnových délkách neviditelného, ​​blízkého infračerveného světla mezi 1,3 a 1,6 mikrometry, což je zhruba dvojnásobek vlnové délky červeného světla.

Pokud je WDM přímočarý a zároveň nápad, který existuje – proč se stal praktickým teprve nedávno? Největší překážkou byl nedostatek vhodných zesilovačů. Světelné signály procházející i těmi nejprůhlednějšími optickými vlákny po několika stovkách kilometrů slábnou na nedetekovatelnou úroveň. Po většinu času byla na místě vláknová optika, jediný způsob, jak překlenout vlákna delší než to, bylo regenerovat signál prostřednictvím optoelektronického procesu: Fotodetektor by přeměnil proud oslabených světelných pulsů na napěťový signál, který by mohl být elektronicky zesílen. ; tento zesílený signál moduloval laserový vysílač.

Problém je v tom, že detektory světla nerozlišují mezi vlnovými délkami – kódují signály v různých barvách, podobně jako vaše uši mají problém rozeznat, co se říká, když mluví dva lidé najednou. Aby optoelektronické systémy pracovaly s více vlnovými délkami, musí mít způsob, jak vlnové délky opticky oddělit pomocí filtrů nebo jiných podobných prvků, které umožní každému signálu procházet vlastním regenerátorem. Až donedávna se to však ukázalo jako nepraktické.

Toto omezení zmizelo s vynálezem techniky pro přímé zesílení intenzity signálního světla, bez potřeby mezilehlého elektronického kroku. Klíčovou součástí technologie je něco, čemu se říká erbiem dopovaný vláknový zesilovač. Tato zařízení, vyvinutá na konci 80. let, umožnila revoluci WDM.

Na rozdíl od regenerátoru funguje vláknový zesilovač přímo na světlo. Světlo ve slabém vstupním signálu stimuluje excitované atomy erbia ve vláknu, aby emitovalo více světla při stejné vlnové délce. Řetězce optických zesilovačů se mohou kombinovat a přenášet signály přes tisíce kilometrů optických kabelů na zemi nebo pod oceánem - bez regenerátorů. Protože zachovávají vlnovou délku optických signálů, mohou zařízení s erbiovými vlákny zesílit několik kanálů různých vlnových délek současně, aniž by je zakódovaly. Erbiové zesilovače fungují dobře v blízké infračervené oblasti spektra, ve které pracují systémy s optickými vlákny.

Na souši i na moři

Dálkové telefonní společnosti byly první, kdo si uvědomil, že multiplexování vlnovou délkou může snížit náklady na šířku pásma. Ve srovnání s alternativou přidání nového vlákna poskytuje technologie WDM mnohem efektivnější způsob, jak přidat kapacitu, podle Dany Cooperson, analytičky optických sítí společnosti RHK Inc., tržní poradenské společnosti v jižním San Franciscu. Položení nového kabelu je drahé a časově náročné. A zakopání nového kabelu ve stejné trase, kterou již zabírá starší kabel, je riskantní – nový výkop vede k přerušení kabelů, které by mohly vyřadit celý systém z provozu.

Touha telekomunikačních operátorů ušetřit čas a peníze vedla k rychlému rozvoji technik WDM. V polovině 90. let začaly přepravní společnosti používat systémy vysílající na čtyřech vlnových délkách a brzy počet zvýšily na osm. Vývojáři rychle rozřezali spektrum ještě jemněji, aby protlačili 16 kanálů vlnových délek jediným vláknem pro to, co se stalo známým jako husté WDM.

Když dopravci viděli potřebu, výrobci stejně rychle vycítili trh. Společnost Lucent Technologies z Murray Hill, N.J., přizpůsobila technologii vyvinutou ve své dceřiné společnosti Bell Labs. Ciena, společnost Linthicum, Md., založená v roce 1992, nabíjela rychleji a svůj první komerční 16kanálový systém dodala v roce 1996 – téměř ve stejnou dobu jako spinoff AT&T. Následovali další telekomunikační giganti po celém světě, včetně Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu a Ericsson. Během posledních dvou až tří let několik společností – včetně Ciena, Lucent a Nortel of Saint-Laurent, Que. – začalo uvádět na trh systémy, které rozdělují spektrum erbiových zesilovačů na 32 nebo 40 plátků, každý o šířce pouhých 0,8 nanometru. Loni v září dodal Lucent svůj první 80kanálový systém společnosti AT&T. Pirelli Cable z Lexingtonu, SC, následovala 128kanálová verze, ale do poloviny ledna nedodala hardware.

Telekomunikační operátoři dnes nepotřebují všechny tyto kanály – a díky vlastní modularitě WDM nemusí kupovat další kanály, dokud nejsou připraveni. Nosič, který instaluje systém WDM, může začít pouze s vysílači a přijímači potřebnými pro několik počátečních kanálů. Později, když poptávka po kapacitě roste, lze připojit další zařízení, aby se otevřely nové vlnové délky.

Plné využití výhod WDM často vyžaduje modernizaci starších kabelů přidáním komponent, které kompenzují nepříjemný efekt zvaný chromatická disperze. To se týká tendence krátkého světelného pulsu protáhnout se při průchodu vláknem kvůli skutečnosti, že některé vlnové délky se pohybují rychleji než jiné. Disperze rozmazává světelné pulsy dohromady a tím omezuje přenosovou rychlost. Vyhnout se tomuto jevu je zvláště důležité u podmořských kabelů, kde světelné signály musí projít několika tisíci kilometry vláken od břehu ke břehu. Nové instalace mohou využívat vlákna navržená pro optimální výkon WDM, nedávno vyvinutá společnostmi Lucent a Corning (Corning, N.Y.).

V loňském roce začal první velký podmořský kabel určený pro vícevlnný provoz s názvem Atlantic Crossing 1 posílat 2,5 Gbit/s na čtyřech kanálech vlnových délek na každém ze čtyř párů vláken. Kapacita tohoto systému může být upgradována na 16 vlnových délek na vlákno při této rychlosti, říká Patrick R. Trischitta, ředitel technického marketingu v Tyco Submarine Systems Laboratories v Holmdelu, NJ. To slibuje celkem 160 Gbit/s přes kabel, a smyčka spojující Spojené státy s Británií, Nizozemskem a Německem.

Project Oxygen zvyšuje laťku. Novější technologie WDM přenese 10 Gbit/s na každé z 16 vlnových délek přes oceán ve čtyřech párech vláken, celková kapacita 640 Gbit/s na kabel. To je více než 1000násobek kapacity prvního transatlantického kabelu z optických vláken, který začal fungovat teprve před deseti lety. Celý systém bude v konečném důsledku zahrnovat 168 000 kilometrů kabelu – dostačující na to, aby čtyřikrát obletěl zeměkouli. Jiné skupiny plánují více podmořských kabelových systémů, i když žádný není tak ambiciózní. Není divu, že Clark z MIT předpovídá, že se utopíme ve vláknině.

Na souši právě začaly regionální telefonní společnosti zavádět multiplexování vlnových délek. V loňském roce začala společnost Bell Atlantic testovat WDM na 35kilometrovém kabelu mezi Brunswickem a Freeholdem v New Jersey, říká Robert A. Gallo, inženýr společnosti Bell Atlantic odpovědný za zkušební provoz. Každý ze čtyř kanálů přenášel signály rychlostí až 2,5 Gbit/s – nejvyšší rychlost mezi firemními ústřednami – a systém postavený v Ciena má sloty až pro 16 kanálů vlnových délek. Bell South testoval tři ze 16 kanálů v podobném systému na kabelu o délce 80 kilometrů mezi Grenadou a Greenwoodem, slečno. Ekonomika je jasná: Je levnější přidat kapacitu WDM než přidat nové vlákno, říká analytik RHK Cooperson.

Odlišná pravidla platí pro kratší kabely spojující ústředny s velkými firemními zákazníky. Zde, na takzvaném trhu metra, nejsou náklady na zvýšení počtu vláken tak velkým problémem, protože trasy jsou mnohem kratší, vysvětluje Cooperson. Přesto WDM zlepšuje přenos signálu jinými důležitými způsoby. Jedním z nich je přenášení signálů v jejich původních digitálních formátech spíše než jejich převod do digitálního kódování používaného v telefonní síti. Protože taková konverze vyžaduje nákladnou elektroniku, může být levnější vyhradit vlnovou délku pro end-to-end přenos v původním formátu.

Schopnost třídit signály podle vlnové délky by měla zefektivnit provoz budoucích optických sítí. Tradičně telefonní společnosti organizují digitální signály v hierarchii bitových rychlostí a spojují mnoho nízkorychlostních přítoků do mohutných digitálních řek přenášejících gigabity za sekundu. To efektivně balí bity do přenosových linek, ale vyžaduje rozbalení celého bitového toku pro extrakci jednotlivých signálů. Jsou-li však signály organizovány podle vlnové délky, jednoduchá optika může vyslat požadovaný kanál vlnové délky, aniž by rušila ostatní. Inženýři hovoří o přidání nové optické vrstvy do telekomunikačního systému. Zákazníci si mohou pronajmout vlnovou délku v této optické vrstvě místo toho, aby si pronajali právo vysílat konkrétní datovou rychlostí. Televizní stanice by například mohla vyhradit jednu vlnovou délku ze svého studia svému vysílači a další místní kabelové společnosti – a přenášet oba signály v digitálních video formátech, které se nepoužívají v telefonní síti.

The Ultimate Squeeze

Vzhledem k tomu, že poptávka po šířce pásma nevykazuje žádné známky zpomalení, vývojáři systémů WDM již přemýšlejí o tom, jak do stejného vlákna zabalit více vlnových délek. V současné době se zkoumají dva základní přístupy – a limity obou jsou zřejmé.

Jedním z přístupů je zmenšit prostor mezi vlnovými délkami výběrem vlnových délek, které jsou blíže u sebe, aby přenesly množství signálů. Přiblížení vlnových délek funguje do určité míry dobře, ale nakonec je to v rozporu se základní fyzikou. Jak se přenosové rychlosti zvyšují, optické pulsy se zkracují a – v souladu s diktátem Heisenbergova principu nejistoty – toto zkrácení nutí světelný signál, aby se rozšířil do širšího rozsahu vlnových délek. Toto šíření může způsobit interferenci mezi těsně umístěnými kanály. Systém Lucent s nejvyšší kapacitou zvládá 10 Gbit/s na kanálech s vlnovou délkou oddělených 0,8 nanometru, ale pouze 2,5 Gbit/s, když je rozestup kanálů poloviční. A jen málo odborníků si myslí, že kanály lze zmáčknout mnohem těsněji. Mezi hlavními dodavateli pouze Hitachi Telecom z Norcross, Ga., mluví o modulaci jednotlivých kanálů rychlostí 40 Gbit/s-a připouští, že tyto signály by mohly překlenout pouze omezené vzdálenosti.

Vyhlídky vypadají lépe u druhé možnosti: rozšíření rozsahu přenosových vlnových délek. Pirelli například používá tři zesilovače z erbiových vláken, optimalizované pro samostatná pásma mezi 1 525 a 1 605 nanometry, k vtěsnání 128 kanálů vlnových délek rychlostí 10 Gbit/s každý do jediného vlákna. Lucent v laboratoři předvedl erbiové zesilovače pokrývající podobný rozsah a loni představil nové optické vlákno, které otevírá dlouho opomíjený blok spektra kolem 1400 nanometrů. Dobré optické zesilovače zatím nejsou dostupné pro jiné vlnové délky.

K tomu, aby WDM dosáhl svého plného potenciálu, však bude potřeba více, než pouhé balení dalších vlnových délek. Bude také nutné vyvinout lepší zařízení pro přepínání a manipulaci s různými vlnovými délkami poté, co signál vystoupí z optické trubky. Optické přepínače se blíží praktickým komerčním aplikacím, říká analytik Mack z KMI. Dodává však, že pro plnou emulaci toho, co se děje v digitálních křížových propojeních, musíte přerozdělit a znovu přiřadit vlnové délky. Je nemožné přidělit stejnou vlnovou délku jednomu zákazníkovi v celém systému, protože obrovská síť má mnohem více zákazníků, než má vlnové délky.

Obrázek níže ukazuje, jak signály ze San Francisca a Cupertina přicházejí do Palo Alto na stejné vlnové délce, oba míří do San Jose. Uzel Palo Alto musí v posledním úseku své cesty převést jeden signál na jinou vlnovou délku, aby zprávy, které přenášejí, nebyly beznadějně zmatené. Konverze vlnové délky nyní musí mít stejný přístup hrubé síly jako regenerátory, převádějící optický signál na elektronický, který může řídit vysílač na výstupní vlnové délce. Přístupy plně optické konverze, i když byly demonstrovány v laboratoři, teprve dosáhly komerční praxe.

I když se tyto technické problémy vyřeší, nebude to stačit k tomu, aby technologie skutečně roztáhla křídla. Kvůli tomu bude muset také klesnout cena – trajektorie, která se podle zasvěcených již ukázala. Adel Saleh, vedoucí oddělení výzkumu širokopásmového přístupu v AT&T Labs v Red Bank, New Jersey, projekty, které náklady na síťový uzel každých pět let klesnou o faktor 10, počínaje 1 milionem USD v roce 1995. Během příštího roku nebo dvou, říká, že WDM bude ekonomický pouze pro páteřní sítě. Jakmile náklady klesnou na 100 000 USD za uzel, bude mít tato technologie smysl pro metropolitní a regionální sítě, počínaje službami pro velké podniky. Saleh očekává, že rezidenční přístup ve velkých bytových domech bude následovat poté, co náklady klesnou na 10 000 USD za uzel přibližně v roce 2005, přičemž WDM se dostane do jednotlivých domů, jakmile náklady klesnou na přibližně 1 000 USD v roce 2010.

Skutečná síla WDM spočívá v tom, jak rozšiřuje optické dýchací cesty, takže každý může vdechovat více kyslíku informací. Na úsvitu rádiové éry každý vysílač křičel přes celé rádiové spektrum a blokoval další signály po dobu svého vysílání. Poté se inženýři naučili stavět obvody, které naladily každý vysílač na jeho vlastní frekvenci a otevřely rádiové spektrum mnoha stanicím, které dnes můžeme slyšet. V podstatě stejným způsobem WDM nahrazuje jeden proud černobílých bitů množstvím různobarevných signálů.

WDM vytváří obrovské nové informační kanály, které přinesou lepší služby za nižší náklady. Ale skutečná informační revoluce nepřijde, dokud levné WDM potrubí nedosáhnou jednotlivých rezidencí. Dnešní modemová připojení zůstávají úzkými hrdly a nutí nás usrkávat příval dat přes elektronický ekvivalent tenkého plastového brčka. Ale připravte se: Jakmile se vlákno dostane domů, vaše vlastní vlnová délka může vytvořit bublající fontánu kousků.

skrýt