WDM Komponenten und Systeme Seminar Ausgewählte Themen in Hardwareentwurf und Optik WS 2003 / 2004 Bastian Trauter Technische Informatik, 7. Semester
Definition WDM = wavelength division multiplexing Gleichzeitige Übertragung von Signalen unterschiedlicher Wellenlänge ( Farbe ) über eine einzelne Glasfaser Quelle: [28] WDM Komponenten und Systeme 2
Übersicht Einführung, Motivation Bandbreite einer Glasfaser Komponenten eines WDM-Systems Standards für WDM, WDM-Systeme Netze mit WDM, Einsatz von WDM Ausblick Quellen WDM Komponenten und Systeme 3
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 WDM Komponenten und Systeme 4
Motivation Multiplexverfahren Quelle: [14] SDM Erhöhung der Kapazität durch zusätzliche Kabel, Fasern TDM Mehrere Signale mit niedriger Übertragungsrate werden geschachtelt FDM Jedes Signal hat einen eigenen Frequenzbereich CDM Signale werden durch unterschiedliche Codewörter dargestellt WDM Variante des FDM Frequenzen entsprechen optischen Wellenlängen: λ = c / f WDM Komponenten und Systeme 5
Grundlagen Aufbau einer Glasfaser Totalreflektion: Das Licht wird an den Grenzflächen von Kern und Mantel reflektiert Quelle: [11] WDM Komponenten und Systeme 6
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 WDM Komponenten und Systeme 7
Bandbreite einer Glasfaser Standardfaser: Dispersionsminimum bei ca. 1300 nm Quelle: [11] WDM Komponenten und Systeme 8
Bandbreite einer Glasfaser Dämpfung (Absorption, Streuung) Absorption intrinsisch: Wechselwirkung mit dem Material selbst extrinsisch: durch Verunreinigungen im Material Streuung Ursache: Inhomogenitäten, Indexschwankungen WDM Komponenten und Systeme 9 Quelle: [11]
Bandbreite einer Glasfaser Gesamtdämpfung 3 Dämpfungsminima: mögliche Übertragungsfenster Quelle: [14] WDM Komponenten und Systeme 10
Bandbreite einer Glasfaser 1550 nm Fenster in 3 Bänder eingeteilt: S(hort)-, C(onvential)-, L(ong)-Band Bsp.: C-Band: 1530 1565 nm c λ λ = 35 nm f = 4,4 10 12 Hz λ 1 λ 2 Datenübertragung mit 10 Gbit / s: Benötigte Bandbreite ca. 20 GHz 4,4 THz / 20 GHz je Kanal = 220 Kanäle λ / 220 0,16 nm WDM Komponenten und Systeme 11
Prinzipieller WDM Aufbau Prinzipieller Aufbau einer Punkt zu Punkt- WDM-Verbindung: λ 1 S E λ 1 λ 2 S Faser E λ 2 MUX λ S λ 1, λ 2, λ 3, λ 4 3 E λ 3 DEMUX λ 4 S E λ 4 Sender Empfänger Verstärker WDM Komponenten und Systeme 12
Sender Sender - kleine spektrale Breite wird benötigt - Stabilität Quelle: [11] WDM Komponenten und Systeme 13
Sender LED, Laserdiode (LD): zu große spektrale Breite, schlechtes Temperaturverhalten Temperaturverhalten: LED: ca. 0,3 nm / C LD: ca. 0,5 nm / C DFB: ca. 0,1 nm / C Quelle: [9] DFB ( distributed feedback Laserdiode) WDM Komponenten und Systeme 14
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 WDM Komponenten und Systeme 15
Laserdiode Laserdiode: - Diode in Durchlassrichtung gepolt Quelle: [22] - 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 WDM Komponenten und Systeme 16
DFB - Laserdiode DFB - Laserdiode Quelle: [11] normale Laserdiode mit Bragg-Gitter in der aktiven Schicht WDM Komponenten und Systeme 17
Bragg Gitter Interferenz: - Periodische Brechzahländerungen im Wellenleiter - wirken als teildurchlässige Spiegel Quelle: [11] - Konstruktive Interferenz wenn optischer Weg = λ / 2 (Oder Vielfaches) n eff Λ = λ / 2 λ B = 2 n eff Λ Λ: Periodenlänge (Bild: Λ = 2 d) WDM Komponenten und Systeme 18
Bragg Gitter - Die Bragg-Wellenlänge λ B wird reflektiert, die anderen transmittiert Quelle: [5] - Im DFB-Laser: Die Bragg-Wellenlänge wird verstärkt WDM Komponenten und Systeme 19
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] WDM Komponenten und Systeme 20
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] WDM Komponenten und Systeme 21
Arrayed Waveguide Grating Prinzip wie FIR (finite impulse response) Filter: u z -1 z -1 z -1 τ τ τ y Impulsantwort: T comb(t / τ) rect(x / T) comb(t / τ) = δ τ (t) τ τ τ t WDM Komponenten und Systeme 22
Arrayed Waveguide Grating comb(t / τ) rect(x / T) τ comb(ω τ) * T sinc(t ω) 1 / τ Übertragungsfunktion des AWG ω WDM Komponenten und Systeme 23
Arrayed Waveguide Grating Quelle: [19] Quelle: [9] Wichtige Aussage: Optische Wege sind umkehrbar! AWG ist in umgekehrter Richtung ein Multiplexer! WDM Komponenten und Systeme 24
Verstärker Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) Aufbau: Quelle: [16] WDM Komponenten und Systeme 25
EDFA Funktionsweise: 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 WDM Komponenten und Systeme 26
EDFA EDFA verstärkt im Bereich 1525 1570 nm C-Band: 1530 1565 nm Quelle: [13] Problem: ASE (Amplified Spontaneous Emission) Rauschen Auch die Photonen, die durch die spontane Emission entstehen, werden verstärkt Quelle: [11] WDM Komponenten und Systeme 27
Koppler Wenn die Fasern sehr eng zusammen sind: Kopplung über ihre evaneszenten Felder Energieübertragung ähnlich wie bei gekoppeltem Pendel Quelle: [15] WDM Komponenten und Systeme 28
Koppler Elektrisch Schaltbar über elektrooptischen Effekt Quelle: [9] Lithium Niobat (LiNbO 3 ) ändert Brechungsindex beim Anlegen einer Spannung Einsetzbar als 2 x 2 - Schalter WDM Komponenten und Systeme 29
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] WDM Komponenten und Systeme 30
Add / Drop Multiplexer ADM aus AWGs Quelle: [10] WDM Komponenten und Systeme 31
Empfänger Photodiode Vortrag CMOS-Kameras WDM Komponenten und Systeme 32
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] WDM Komponenten und Systeme 33
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 WDM Komponenten und Systeme 34
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 WDM Komponenten und Systeme 35
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) WDM Komponenten und Systeme 36
Übertragungshierarchie Übertragung über mehrere Zwischenschichten Quelle: [7] WDM Komponenten und Systeme 37
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 WDM Komponenten und Systeme 38
Ausblick Einstellbare Komponenten Optische 3R-Regeneratoren (Verstärkung, Form- und Taktkorrektur) Reine Optische Netze (Optically Switched) Optische Paketvermittlung WDM Komponenten und Systeme 39
Quellen Bücher [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 / Publicis Corporate 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 Perspektiven c t Ausgabe 02/2003 [17] Späth, J. Mehr Licht! Photonische Netze: die Zukunft der Kommunikationsnetze c t Ausgabe 01/1999 WDM Komponenten und Systeme 40
Quellen WWW [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/technolog y_documents/whitepaper/optical General whitepaper4_en.pdf [19] ASIP White Paper Integrated Optoelectronics in InP technology http://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.uniweimar.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 Transport http://www.lucent.com/minds/lambdaxtreme/ [24] Ogdal B., Persson E. WDM - Wavelength Division Multiplexing. Linköping University http://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. 2001 http://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/ WDM Komponenten und Systeme 41