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WDM – Komponenten und Systeme

SeminarAusgewählte Themen in Hardwareentwurf und Optik

WS 2003 / 2004

Bastian TrauterTechnische Informatik, 7. Semester

WDM – Komponenten und Systeme 2

Definition

WDM = wavelength division multiplexing

Gleichzeitige Übertragung von Signalen unterschiedlicher Wellenlänge („Farbe“) über eine einzelne Glasfaser

Quelle: [28]


Übersicht

• Einführung, Motivation• Bandbreite einer Glasfaser• Komponenten eines WDM-Systems• Standards für WDM, WDM-Systeme• Netze mit WDM, Einsatz von WDM• Ausblick• Quellen


Motivation

• Der Bedarf an Bandbreite verdoppelt sich alle 6-12 Monate

• Nur ca. 10 % der Weltbevölkerung nutzen das Internet

• Herkömmliche Verfahren nutzen nur einen Bruchteil der Bandbreite von Glasfasern

• Vorteile der optischen Datenübertragung


Motivation

• Multiplexverfahren

Quelle: [14]

SDM – Erhöhung der Kapazität durch zusätzliche Kabel, FasernTDM – Mehrere Signale mit niedriger Übertragungsrate werden „geschachtelt“FDM – Jedes Signal hat einen eigenen FrequenzbereichCDM – Signale werden durch unterschiedliche Codewörter dargestelltWDM – Variante des FDM Frequenzen entsprechen optischen Wellenlängen: λ = c / f


Grundlagen

• Aufbau einer Glasfaser

Totalreflektion:

Das Licht wird an den Grenzflächen von Kern und Mantel reflektiert

Quelle: [11]


Bandbreite einer Glasfaser

Wie groß ist die Bandbreite einer Glasfaser?

Zwei „Störeffekte“:

• Dispersion

Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium:

v = c / n n = n(λ)!

Verschiedene Wellenlängen breiten sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in der Faser aus

Folge: Ein Puls verbreitert sich



Standardfaser: Dispersionsminimum bei ca. 1300 nm

Quelle: [11]



• Dämpfung (Absorption, Streuung)

Absorption

intrinsisch: Wechselwirkung mit dem Material selbst

extrinsisch: durch Verunreinigungen im Material

Streuung

Ursache: Inhomogenitäten, Indexschwankungen

Quelle: [11]



Gesamtdämpfung

Quelle: [14]

3 Dämpfungsminima: mögliche Übertragungsfenster



1550 nm Fenster in 3 Bänder eingeteilt:S(hort)-, C(onvential)-, L(ong)-Band

Bsp.: C-Band: 1530 – 1565 nm

∆λ = 35 nm ∆f = ≈ 4,4 · 1012 Hz

Datenübertragung mit 10 Gbit / s: Benötigte Bandbreite ca. 20 GHz

4,4 THz / 20 GHz je Kanal = 220 Kanäle

∆λ / 220 ≈ 0,16 nm

λ1 · λ2

c · ∆λ


Prinzipieller WDM Aufbau

• Prinzipieller Aufbau einer Punkt zu Punkt-WDM-Verbindung:

MU

X

DE

MU

X

S E

S

S

S E

E

E

λ1λ1

λ2 λ2Faserλ1, λ2, λ3, λ4λ3 λ3

λ4 λ4

Sender Empfänger

Verstärker


Sender

• Sender- kleine spektrale Breite wird benötigt- Stabilität

Quelle: [11]


Sender

LED, Laserdiode (LD): zu große spektrale Breite, schlechtes Temperaturverhalten

Temperaturverhalten: LED: ca. 0,3 nm / °CLD: ca. 0,5 nm / °CDFB: ca. 0,1 nm / °C

Quelle: [9]

DFB („distributed feedback“ Laserdiode)


Sender

• Prinzipielle Funktionsweise eines Lasers

Quelle: [14]

Wechselwirkungen von Licht und Atomen:Absorption: Photon hebt ein Elektron in ein höheres Energieniveau

spontane Emission: Elektron geht in ein niedrigeres Energieniveau und sendet ein Photon aus

stimuliere Emission: Ein Photon stimuliert ein Elektron zum Übergang in ein niedrigeres Energieniveau, es entsteht ein neues Photon mit gleicher Wellenlänge und gleicher Phase


LaserdiodeLaserdiode:

- Diode in Durchlassrichtung gepolt

- Elektronen und Löcher rekombinieren in der Zwischenschicht spontane Emission

- Licht koppelt nur teilweise aus der aktiven Schicht aus,Endflächen wirken als teildurchlässige Spiegel

- Atome in der aktiven Schicht werden zur stimulierte Emission angeregt es entstehen viele Photonen gleicher Phase und gleicher Wellenlänge

Quelle: [22]


DFB - Laserdiode

DFB - Laserdiode

Quelle: [11]

„normale“ Laserdiode mit Bragg-Gitter in der aktiven Schicht


Bragg Gitter

Interferenz:

- Periodische Brechzahländerungen im Wellenleiter

- wirken als teildurchlässige Spiegel

- Konstruktive Interferenz wenn optischer Weg = λ / 2 (Oder Vielfaches)

neff · Λ = λ / 2

λB = 2 · neff · Λ

Quelle: [11]

Λ: Periodenlänge (Bild: Λ = 2 · d)


Bragg Gitter

Quelle: [5]

- Die Bragg-Wellenlänge λB wird reflektiert, die anderen transmittiert

- Im DFB-Laser: Die Bragg-Wellenlänge wird verstärkt


Muliplexer / Demultiplexer

zunächst Demultiplexer:

- Mehrere Wellenlängen sollen getrennt werden

- Wellenlängen dicht beieinander große Auflösung ( A = λ / ∆λ ) notwendig

- 25 GHz Kanäle ∆λ = 0,2 nm A = 1550 nm / 0,2 nm = 7.750

- Idee: Prisma (Dispersion)- Auflösung ca. 1.000 ungeeignet

- Gitter (Beugung)- Auflösung ca. 10.000- prinzipiell geeignet, aber für WDM eher ungeeignet, da unhandlich

Quelle: [24]


Demultiplexer: AWG

• Arrayed Waveguide Grating (AWG)Eingangssignal verteilt sich auf mehrere Fasern unterschiedlicher Länge

Durch unterschiedliche Länge, unterschiedliche Phase

Am Ende Interferenz Jede Wellenlänge interferiert unter anderem Winkel Quelle: [9]


Arrayed Waveguide Grating

• Prinzip wie FIR (finite impulse response) – Filter:z-1 z-1 z-1

τ τ τu

y

Impulsantwort:

t

T

τ τ τ

comb(t / τ) · rect(x / T) comb(t / τ) = δτ(t)



comb(t / τ) · rect(x / T) τ · comb(ω · τ) * T · sinc(T · ω)

ω

1 / τ

· · ·· · ·Übertragungsfunktion des AWG



Quelle: [19]

Quelle: [9]

Wichtige Aussage: Optische Wege sind umkehrbar!

AWG ist in umgekehrter Richtung ein Multiplexer!


Verstärker

• Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)Aufbau:

Quelle: [16]


EDFAFunktionsweise:

Quelle: [8]

Quelle: [11]

-Pumpen hebt Er3+-Ionen auf E3- fallen schnell wieder zurück auf E2 (nichtstrahlend)- gelegentlich spontane Emission- „vorbeifliegende“ Photonen regen stimulierte Emission an


EDFA

EDFA verstärkt im Bereich 1525 – 1570 nm

C-Band: 1530 – 1565 nm

Quelle: [13]

Problem: ASE (Amplified SpontaneousEmission) – Rauschen

Auch die Photonen, die durch die spontane Emission entstehen, werden verstärkt

Quelle: [11]


Koppler

Wenn die Fasern sehr eng zusammen sind: Kopplung über ihre evaneszenten Felder

Energieübertragung ähnlich wie bei gekoppeltem Pendel

Quelle: [15]


Koppler• Elektrisch Schaltbar über elektrooptischen Effekt

• Lithium Niobat (LiNbO3) ändert Brechungsindex beim Anlegen einer Spannung

• Einsetzbar als 2 x 2 - Schalter

Quelle: [9]


Add / Drop - Multiplexer

Quelle: [17]

Einzelne Wellenlängen werden aus der Faser aus- und eingekoppelt

Realisierung mit Bragg-Gittern:

3dB - Koppler: Aufteilung 50:50

reflektiertes Signal geht bei günstiger Phasenlage nur in einen „Arm“ des Aus- bzw. Eingangs

Quelle: [15]


Add / Drop Multiplexer

• ADM aus AWGs

Quelle: [10]


Empfänger

• Photodiode• Vortrag CMOS-Kameras


WDM Systeme

• WDM seit 1994: 2 Signale auf einer Faser (1310 nm und 1550 nm)

• Inzwischen Standards der ITU (International Telecommunication Union)

• festgelegtes Wellenlängen- (bzw. Frequenz-) Raster• z.B. für 50 GHz:

f = 193,1 THz ± m · 0,05 THz (m = 1,2,3,…)

Quelle: [11]


CWDM und DWDM

• 2 Varianten des WDM• CWDM (Coarse WDM)

– großer Kanalabstand (∆λ > 10 nm)– wenige Kanäle– Billigere Technologie

• DWDM (Dense WDM)– kleiner Kanalabstand– viele Kanäle


unidirektional vs. bidirektional

• Prinzipiell beides möglich• Unidirektionale Übertragung meist

einfacher realisierbar• Es wird selten nur eine einzelne Faser

verlegt, sondern sehr viele in einem Kabel


Netze mit WDM, Einsatz von WDM

• Mit ADMs sind Ringstrukturen möglich (aber Anzahl Wellenlängen ist begrenzt)

• WDM wird zur Zeit hauptsächlich in Weitverkehrsnetzen eingesetzt

• Transatlantikkabel• Vermittlung erfolgt meist noch elektrisch• Übertragung über Zwischenschichten

(siehe nächste Folie)


Übertragungshierarchie

Übertragung über mehrere Zwischenschichten

Quelle: [7]


Kommerzielle Systeme

• Lucent LambdaXtreme Transport– 64 Kanäle à 40 GBit / s– Insgesamt 2,56 TBit/s– Bis zu 1000 km Reichweite

• Technisch gibt es noch mehr Möglichkeiten, aber momentan kein Bedarf


Ausblick

• „Einstellbare“ Komponenten• Optische 3R-Regeneratoren (Verstärkung,

Form- und Taktkorrektur)• Reine Optische Netze (Optically Switched)• Optische Paketvermittlung


QuellenBücher[1] Brenner, K.-H., Skript zur Vorlesung Grundlagen der Optik. Universität Mannheim, 2003[2] Bludau, W. Lichtwellenleiter in Sensorik und optischer Nachrichtentechnik. Springer, 1998[3] Buchold, B. Integriert-optische Wellenlängenmultiplexer in Glas für WDM-Systeme. VDI Verlag, 1998[4] Chrétien, G. Optische Komponenten für das neue Jahrtausend. Alcatel Telecom Rundschau, Ausgabe 3/2000[5] Eberlein, D. Bragg-Gitter. Arbeitsblätter Lichtwellenleiter-Technik. Funkschau, Ausgabe 3/1999[7] Fey, D. Optik in der Rechentechnik. Photonisches VLSI und optische Netzwerke. Teubner, 2002[8] Kauffels. Optische Netze. mitp, 2002[9] Kiefer, R., Winterling, P. DWDM, SDH & Co. Technik und Troubleshooting in optischen Netzen. Hüthig, 2002[10] Kostrzewa, C. Design und Optimierung von wellenlängenselektiven integriert optischen Add/Drop-Multiplexern auf Polymerbasis. VDI Verlag, 1999[11] Krauss, O. DWDM und Optische Netze. Eine Einführung in die Terabit-Technologie. Siemens / PublicisCorporate Publishing, 2002[12] Kufner, M. Skript zur Vorlesung Bauelemente der Optoelektronik, Universität Mannheim, 2002[13] Mukherjee, B. Optical Communication Networks. McGraw-Hill, 1997[14] Späth, J. Entwurf und Verfahren zur Verkehrslenkung in WDM-Netzen. Universität Stuttgart, 2002[15] Voges, E., Petermann K. (Hrsg.). Optische Kommunikationstechnik. Handbuch für Wissenschaft und Industrie. Springer, 2002[16] Kiefer R., Winterling, P. Optische Netze. Technik, Trends und Perspektivenc’t Ausgabe 02/2003[17] Späth, J. Mehr Licht! Photonische Netze: die Zukunft der Kommunikationsnetzec’t Ausgabe 01/1999


QuellenWWW[18] Acterna White Paper - Acterna guide to 40 Gigabit. Challenges, test methods and solutions.http://www.acterna.com/CommEx/CommEx_PDF_Win/index.html?PDF=/germany/technical_resources/technology_documents/whitepaper/Optical__General__whitepaper4_en.pdf[19] ASIP White Paper – Integrated Optoelectronics in InP technologyhttp://www.asipinc.com/pdf/ASIP_WP_integrated.pdf[20] Force, Incorporated. Dense Wavelength-division Multiplexing.http://www.fiber-optics.info/articles/dwdm.htm[21] Grolla, S. Seminar Rechner- und Betriebssysteme: Wavelegnth Division Multiplex. 2000 http://www.uni-weimar.de/~grolla/docs/wdm/[22] Hanne, F. Skript zur Vorlesung 'Laser - Grundlagen und Anwendungen'.http://www.uni-muenster.de/Physik/PI/Hanne/Laser.html[23] Lucent LambdaXtreme Transporthttp://www.lucent.com/minds/lambdaxtreme/[24] Ogdal B., Persson E. WDM - Wavelength Division Multiplexing. Linköping Universityhttp://www.ifm.liu.se/Matephys/AAnew/teaching/optosite/Projects2003/WDM.pdf[25] Ryan, G. Dense Wavelength Division Multiplexing. http://www.urec.cnrs.fr/hd/DWDM/CIENA/dwdm_ciena.pdf[26] Scharf, A. tecChannel: Dense Wavelength Division Multiplexing. Express per Glasfaser. 2001http://www.tecchannel.de/netzwerk/networkworld/infrastructure/484/index.html[28] IEC - Online Education: Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)http://www.iec.org/online/tutorials/dwdm/

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