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NETZE UND NETZTECHNIK
Technologien für optische Netzwerke
D
ie optische Übertragung ist in
der Telekommunikation Alltag
geworden. Sie kommt nicht nur
bei den Telecom-Unternehmen zum
Einsatz, sondern auch immer mehr
bei größeren Benutzern, wie öffentlichen Organisationen und privaten
Unternehmen. Der Beitrag befasst
sich mit einigen ausgewählten Technologien, die – ähnlich den Mikroprozessoren, Kontrollern und Speicherelementen für die Informatik –
Schlüsselbausteine der optischen
Netzwerke sind.
Mehrere technologische Entwicklungen
haben zur Entstehung der optischen
Netzwerke beigetragen. Doch zwei Erfindungen haben sie entscheidend beeinflusst: der Laser und der Lichtwellenleiter.
Die Erfindung des Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) um 1958 hat sich als bahnbrechend
erwiesen. Mit dem Laser ist erstmals eine
wirtschaftlich vertretbare und praktische
Lösung für die Erzeugung von hochfokussierten, monochromatischen und
kohärenten Lichtstrahlen entstanden.
Wegen der vielen Applikationsmöglichkeiten des Lichtstrahls mit hoher Energiedichte wird die Lasertechnologie
heute in verschiedensten Bereichen eingesetzt, von der Metallurgie über Medizin, Messtechnik, Telekommunikation
und Militär bis hin zu Konsumgütern.
Obschon das Prinzip des elektromagnetischen Wellenleiters bereits 1934 erfunden wurde, konnten die ersten Lichtwellenleiter (LWL) erst 1966 produziert werden. Sie hatten eine Dämpfung von nicht
weniger als 1 dB pro Meter oder 1000 dB
pro Kilometer(!). Aber bereits 1970
konnten verbesserte Glasfasern produziert werden, mit denen über eine Strekke von 1 km ohne Zwischenverstärkung
noch 1% der Lichtenergie die Empfangsseite erreichte. Dies entspricht einer
Dämpfung von 20 dB/km. Nach jahrelangen Forschungsarbeiten können heute
LWL derart präzise, aus so reinem Glas
hergestellt werden, dass die Dämpfung
im Bereich von 0,2 dB/km liegt, was einer
weiteren Verbesserung um den Faktor
100 entspricht.
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Lichtwellenleiter und ihre
Eigenschaften
Die LWL bestehen aus zwei ineinander
geschachtelten reinen Glaszylindern:
dem Kern und einem ihn umfassenden
Mantel (Cladding). Zum Schutz werden
mehrere Schichten (Coating) nach innen
aus weichem Kunststoff und nach außen
aus härteren Materialien verwendet. Die
Lichtenergie des Sende-Lasers wird an
einem Ende des LWL in den Glaskern
gestrahlt und dort durch Reflexion an der
Wand des Kerns gehalten (Abb.1). Die
Der Kerndurchmesser der Single ModeLWL hingegen ist derart klein, dass das
Licht praktisch in der zentralen Achse des
Glaskerns bleibt. Es gibt nur einen einzigen Verbreitungsmodus, ohne Reflexionen. Trotz des wesentlich kleineren Kerndurchmessers (oder gerade deswegen)
sind die Single Mode-LWL für die Übertragung von grösseren Informationsmengen auf längeren Distanzen besser
geeignet als die Multimode-LWL. Der
Grund dafür ist, dass die Single ModeLWL den zeitlichen Ablauf und die Inten-
Abb.1, Multimode und Single Mode LWL
Reflexion entsteht wegen der unterschiedlichen Brechindexe von Kern und
Mantel.
Es gibt zwei Grundkategorien von LWL:
Multimode und Single Mode. Als erstes
wurden die technologisch weniger
anspruchsvollen Multimode LWL eingeführt. Beim Multimode LWL, mit einem
Kerndurchmesser von 50 oder 62,5 mm,
breiten sich die Lichtstrahlen mit wiederholten Reflexionen an der Wand des
Kerns aus. Da die Reflexionshäufigkeit
vom Eintrittswinkel der Lichtstrahlen abhängig ist und die Eintrittswinkel der einzelnen Strahlkomponenten im Lichtbündel des Lasers verschieden sind, verbreiten sich auch die einzelnen Lichtstrahlen
unterschiedlich. Deswegen die Bezeichnung «Multimode» LWL.
sität der optischen Signale wesentlich
weniger verändern als der andere Fasertyp. Die Lichtübertragungseigenschaften
der LWL sind von der Wellenlänge abhängig. Auch in der besten Glasfaser gibt
es leichte Inhomogenitäten und Verunreinigungen, da absolut perfekte amorphe Materialien nicht hergestellt werden
können. Ein kleiner Teil der Energie des
Lichtstrahls wird von den Unregelmässigkeiten des Materials zerstreut, wie die
Sonnenstrahlen in einem rauchgefüllten
Raum. Dieses Phänomen, bekannt als
Raleigh Scattering, tritt bei kürzeren Wellenlängen stärker auf (Abb. 2). Bei längeren Wellenlängen macht sich die InfrarotAbsorption bemerkbar.
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Abb. 2, Dämpfungscharakteristik von Single Mode LWL
Dr. Ing. Georges E. Mityko
Senior Consultant
Intercai (Schweiz) AG
[email protected]
Dr. Ing. Georges Mityko ist seit vielen Jahren in verschiedenen Bereichen der Daten- und Sprachkommunikation tätig. Er hat unter anderem in der Forschung
und Normierung von Netzwerktechnologien und in der
Entwicklung von Telecom-Produkten gearbeitet.
Nach dem Addieren der verschiedenen
Faktoren resultiert eine Kurve der
Gesamtdämpfung, welche ihr Minimum
im Bereich der Wellenlängen von 1200
bis 1700 nm hat. In diesem Bereich wurden für die optische Übertragung sechs
sogenannte «Fenster» (Windows) um
850, 1300, 1400, 1550, 1575 und 1660
nm definiert2 (Tabelle 1). Das Fenster um
850 nm liegt mit einer theoretischen
Dämpfung von ca. 2 dB/km ausserhalb
des optimalen Bereichs und wird deshalb
hauptsächlich für Verbindungen über
kurze Strecken und mit kostengünstigeren Lasern oder auch mit LED verwendet.
Die Lichtsignale erleiden während der
Ausbreitung im LWL nicht nur eine
Dämpfung, sondern auch eine Verzerrung. Rechteckig ausgesendete Lichtimpulse treffen beim Empfänger verschwommen ein. Dies erklärt sich durch
die leicht unterschiedlichen Verzögerungen, welche die Lichtkomponenten des
Signals für ihre Verbreitung benötigen.
Die Streuung wächst mit der Distanz. Je
Abb. 3, Einfache optische Übertragung
höhere Frequenzen die Lichtimpulse aufweisen, desto stärker fällt diese Streuung
ins Gewicht. Die zeitliche Streuung limitiert das maximal erreichbare Produkt Signalbandbreite x Distanz. Im MultimodeLWL sind die verschiedenen Reflexionswinkel und damit die unterschiedlich langen Reisewege der Hauptgrund der zeitlichen Streuung. Auch die Single ModeLWL sind nicht ganz streuungsfrei. Die
Streuungsursachen liegen in mehreren
physikalischen Phänomenen, auf die hier
nicht eingegangen wird.
Übertragung in den optischen
Netzwerken
Für die Übertragung wird im einfachsten
optischen Netzwerk sendeseitig ein von
einem Laser generierter Lichtstrahl durch
ein elektrisches Nutzsignal in Amplitude
l [nm] HLRS
„Band“ Bezeichnung
1st window
850
--
2nd window
1260-1360
O (old) band
5th window
1350-1460
E (extendend) band
1460-1530
S (short) band
1530-1565
C (conventional) band
„Window“Bezeichnung
3rd window
unterteilt in:
1530-1544
C blue subband
1547-1565
C red subband
4th window
1565-1625
L (long) band
6th window
1625-1675
U (ultra long) band
moduliert. Nach Verstärkung wird der Strahl in
den LWL geleitet (Abb. 3). An der Empfangsseite
verstärkt ein Vorverstärker zuerst die gedämpfte
Energie des Lichtsignals, dann wird dieses zum
Fotodetektor geführt, wo das Nutzsignal extrahiert wird.
Die Kapazität eines solchen Systems lässt sich
durch eine gleichzeitige Übertragung von mehreren modulierten Lichtstrahlen im gleichen LWL
wesentlich erhöhen (Abb. 4). Die Lichtstrahlen
(«optische Träger») mit unterschiedlicher Wellenlänge einer bestimmten Anzahl Sender (Tx) werden optisch zusammenmultipliziert und in den
LWL eingespeist. An der Empfangsseite werden
die Lichtstrahlen zuerst durch selektive Farbfilter
getrennt und dann zu den einzelnen Empfängern
(Rx) weitergeleitet. Diese Übertragungsmethode
ist unter dem Namen «Wave Division Multiplexing» (WDM) bekannt.
Die Gesamtkapazität der WDM-Übertragung ist
von der Anzahl verwendeter Wellenlängen und
von der Bandbreite der auf einzelnen Trägern
modulierten Nutzsignale abhängig. Der Unterschied zwischen den Wellenlängen einzelner Träger kann sehr gering sein. Er liegt zwischen 0,8
(gemäss der ITU G.692-Empfehlung) und 20 nm
oder mehr bei sog. Lowcost-Lösungen. Die Technologie, welche mit 0,8 nm arbeitet, wird «Dense
WDM» (DWDM) genannt. Sie muss Laser mit äusserst engem Frequenzspektrum und mit hoher Frequenzpräzision und -stabilität verwenden. An der
Empfangsseite erfolgt die Trennung der Träger
durch extrem selektive Farbfilter. Typische DWDMDFN Mitteilungen 65 - 6 / 2004
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Abb. 4, Wave Division Multiplexing
a) Der Cross Connect (oder Switching
Matrix) ist das eigentliche Schaltelement
der optischen Träger.
b) Der Wellenlängenkonverter (oder
«Lambda Converter») wird bei Bedarf für
die Umsetzung der Wellenlängen der
optischen Träger zugeschaltet.
Systeme arbeiten mit 40 bis 80 Kanälen
(Träger), mit Bitraten von 1, 2,5 oder 10
Gbit/s per Kanal. Produkte mit 40 Gbit/s
per Kanal sind in der Phase der kommerziellen Einführung.
Funktionen des DWDM-Netzknotens
Die Abb. 5 zeigt einen generischen
DWDM-Netzknoten (Knoten 1), der mit
drei anderen Netzknoten verbunden ist.
Beim selben Knoten wird lokal auch ein
Teil der optischen Verbindungen terminiert. Der DWDM Knoten hat die folgenden Grundfunktionen:
Abb. 5, Struktur eines generischen
DWDM Netzknoten
• Regenerierung der empfangenen und
Verstärkung der zu sendenden optischen
Träger.
• Optische Multiplexierung/Demultiplexierung für die Zusammenführung bzw.
Trennung der einzelnen optischen Träger.
• Einspeisung bzw. Herauskopplung der
modulierten optischen Träger (die Add/
Drop-Funktion).
• Schaltung im «Lambda Switch» der
optischen Kanäle. Dieser besteht aus 2
Teilen:
Regenerierung der optischen Signale
Wie bereits erwähnt, werden die Lichtsignale in langen LWL Strecken gedämpft
und verzerrt. Für die Überbrückung grösserer Distanzen müssen die Lichtsignale
regeneriert werden. Es wird unter 3
Typen von Signalregeneration unterschieden (Abb. 6):
• „1R“ - Reamplify
• „2R“ - Reamplify, Reshape
• „3R“ - Reamplify, Reshape, Retime
Reshaping und Retiming erfolgen nach
opto/elektrischer Umwandlung mittels
elektronischen Schaltungen. Für die Verstärkung der optischen Signale gibt es
auch reine optische Lösungen. Solche
sind: Erbium-dopierte Glasfaserverstärker, Raman Verstärker und Halbleiter
optische Verstärker (SOA – Semiconductor Optical Amplifier).
Verbreitet ist der Verstärker mit Erbiumdopierten Glasfasern (EDFA – Erbiumdoped Fiber Amplifier, Abb. 7). Erbium,
eine Seltene Erde, wird in den Siliziumkern einer Faser von einigen Metern
Länge in kleiner Konzentration beigemischt. Die Erbium-Ionen werden durch
eine externe Quelle, den Pumplaser, mit
Energie geladen. Da der geladene
Zustand instabil ist, lösen Photonen vom
eintreffenden Lichtsignal die Entladung
der Erbium-Ionen aus. Die Entladung ist
in Lichtform und erfolgt für Erbium im
Silizium mit der Wellenlänge des Eingangssignals, im Bereich von 1500 nm.
Diese Energie summiert sich mit derjenigen des Eingangssignals und verstärkt es.
Die Energie des Pumplasers kann an
einem der beiden Enden des Erbiumdopierten Faserstücks eingeführt werden
Abb. 6, Typen der
Signalregeneration
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Abb. 7, EDFA Verstärker
(A oder B). Die Pumplaser arbeiten mit
Wellenlängen von 980 oder 1475 nm.
Optische Entkoppler beseitigen störende
Strahlungen des Systems.
Die EDFA-Technologie kann als Endverstärker, mit hoher Ausgangsleistung (15
dBm) und geringerem Verstärkungsfaktor, oder als Vorverstärker, mit hoher
Empfindlichkeit für schwache Eingangssignale und hohem Verstärkungsfaktor
(30 dB), implementiert werden.
Ein Schlüsselmerkmal der optischen Verstärker ist die Linearität der Verstärkung
mit der Wellenlänge bzw. Frequenz. Da
der skizzierte Verstärkungsmechanismus
stark wellenlängenabhängig ist, war es
eine technische Herausforderung, die für
DWDM notwendige Frequenzlinearität
zu erreichen. Innegalitäten stören insbesondere bei längeren Strecken, wo mehrere Verstärker kaskadiert sind. Eine
zufrieden stellende Frequenzlinearität
kann heute durch die Wahl und Dosierung der verwendeten Dopierungselemente sowie durch die Verwendung spezieller Korrekturfilter erreicht werden.
Optische Cross Connects
Die optischen Cross Connects sind das
zentrale Element für die Steuerung der
Verbindungen innerhalb des DWDM
Netzes. Die durch den Lambda Demultiplexer getrennten Lichtstrahlen werden
in kurzen LWL zum Cross Connect
geführt, wo sie individuell oder in Bün-
deln auf die geforderten Ausgangs-LWL
gelenkt und, nach Lambda Multiplexierung, an den nächsten DWDM-Knoten
weitergesendet werden. Die räumliche
Anordnung der optischen Schaltelemente ist 3- oder 2-dimensional, je nach verwendeter Technologie. Für die Ablenkung der Lichtstrahlen werden folgende
Technologien eingesetzt:
• Neigbare Mikrospiegel
• Mikroblasen (Bubbles)
• Flüssigkristalle
• Thermooptische Elemente
Neigbare Mikrospiegel
Ein Anwendungsbeispiel dieser Technologie ist der WaveStarTM Lambda Router
von Lucent Technologies. Die Abb. 8 illustriert das Funktionsprinzip des Lambda
Routers.
Die von der Fasergruppe links austretenden Lichtstrahlen, welche im Switch eintreffen, werden auf ein Feld von 256
mikroskopischen Spiegeln projiziert.
Durch Neigung zweier Achsen der einzelnen Spiegel kann die Eintreffstelle der
Lichtstrahlen auf das zweite Spiegelfeld
und von dort auf die Ausgangsfaser eingestellt werden. Die Spiegel werden elektronisch in weniger als 10 ms in vorbestimmte Positionen gesteuert. Diese Spiegelmodule sind nonblocking, d.h. sie
können gleichzeitig alle RoutenkombinaAbb. 8, Funktionsprinzip des Lambda Routers
tionen herstellen. Sie sind weitgehend
unabhängig und schalten gleichzeitig
eine oder mehrere Träger per Spiegel um.
Die maximale Bandbreite per Lichtstrahl
beträgt 40 Gbit/s. Für eine hohe Betriebssicherheit wurde das Spiegelmodul
redundant, mit Reservespiegeln, ausgestattet. Die Abb. 9 zeigt die Grösse der
Mikrospiegel im Vergleich zu einem
Nadelöhr.
Die Mikrospiegel-Lösung des Lambda
Routers ist technologisch besonders aufwendig. Da jeder Mikrospiegel eine hohe
Anzahl Positionen aufnehmen soll, sind
für eine gute Treffsicherheit wiederholte
Kalibrierungen erforderlich. Für die 3dimensionale Schaltung der 256 Lichtstrahlen braucht es insgesamt 512 Mikrospiegel (ohne Redundanz).
Eine neue Generation von Mikrospiegeln
wird auf Grund der Technologie von SiliAbb. 9, Mikrospiegel Feld
kon-Mikromaschinen (MEMS – Mikroelektromechanische Systeme) gebaut.
MEMS können verschiedene physische
Funktionen, wie elektrische, mechanische
und thermische, ausführen.
Die Silikon-Mikromaschinen werden ähnlich der integrierten Halbleiterschaltungen hergestellt. Durch die Auftragung
mehrerer Polysilikon-Schichten auf ein
Silikon-Substrat werden die Bestandteile
der Mikromaschine gebildet. Die überflüssigen Materienteile werden durch
Ätzen entfernt, die mobilen Komponenten beweglich gemacht und die Mikromaschine bekommt die endgültige Form.
Die Steuerung der mobilen Teile erfolgt
durch elektrische oder magnetische Felder.
Die neuen DWDM Cross Connects in der
MEMS-Ausführung sind noch kleiner,
kostengünstiger und verbrauchen noch
weniger Energie. Diese Module müssen
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aber funktionell anders konzipiert werden, da jeder Mikrospiegel in nur wenige
Positionen bewegt werden kann.
• Ein Lichtstrahl muss bis zu N Rinnen
kreuzen, was zu beachtlicher optischer
Dämpfung und Verzerrung führen kann.
Mikroblasen
Ein Schaltmodul mit Mikroblasen wird
mit einem flüssigen LWL gebildet. In der
Flüssigkeit kann eine Blase produziert
werden, welche die Verbreitung des
Lichtstrahls verändert. Agilent Technologies hat unter der Bezeichnung «Photonic Switching Platform» ein MikroblasenSchaltmodul entwickelt (Abb. 10).
Das Schaltmodul besteht aus einer dünnen Glasplatte, in der mit Flüssigkeit
gefüllte Rinnen sind. Der Lichtstrahl
durchquert die Rinnen unter einem spitzen Winkel. Da das Glas und die Flüssig-
Flüssigkristalle
Die Flüssigkristalle (LCD) sind als Elemente der Flachbildschirme für Computer
bekannt. Die Funktionsweise der Flüssigkristall-Schaltelemente basiert auf der
Änderung der Polarisierungsrichtung des
Lichts in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal. Der polarisierte Lichtstrahl
des Flüssigkristall-Elementes wird durch
weitere, passive Polfilter geführt. Je nach
Richtung der Polarisierung wird der Lichtstrahl durchgelassen oder ausgelöscht.
Abb. 10, Funktionsprinzip eines Mikroblasen
Schaltmoduls
Wellenlängenkonverter
Die technologischen Lösungen für Wellenlängenkonverter sind weniger ausge-
keit in den Rinnen den gleichen Brechindex haben, verbreitet sich der Lichtstrahl
geradlinig. Wenn am Kreuzpunkt des
Lichtstrahls in der Rinne eine Blase produziert wird, erfährt der Strahl wegen des
geänderten Brechindexes eine totale
Reflexion und wird umgelenkt. Die Blasen
werden durch Heizung, durch thermische
Elemente (wie in einem InkJet-Drucker),
produziert. Ein «Photonic»Schaltmodul
besteht aus einer Glasplatte mit mehreren Rinnen, welche Heizpunkte für die
Blasen haben. Vorteilhaft in dieser Lösung sind die relativ einfache Technologie
und die Tatsache, dass keine beweglichen mechanischen Teile benötigt werden. Durch die 2-dimensionale Anordnung dieses Schaltmoduls entstehen aber
zwei wesentliche Nachteile:
• Für eine nichtblockierende Schaltung
werden N x N Schaltpunkte3 benötigt,
wesentlich mehr als in der 3-dimensionalen Anordnung.
Thermooptische Schaltelemente
Bei diesen Elementen kommt die Änderung des Brechindexes in Abhängigkeit
der Temperatur zum Einsatz. Der eintretende Lichtstrahl wird durch das thermooptische Glaselement, das elektrisch
geheizt und gekühlt wird, geführt (Abb.
11). Der Lichtstrahl wird durch die Änderung des Brechindexes des Glases mehr
oder weniger gebogen und trifft in Ausgang 1 oder 2 ein. Bei diesem Typ von
Schaltelement müssen noch die Umschaltzeiten reduziert werden.
Abb. 11, Funktionsprinzip der thermooptischen Schaltelemente
reift als diejenigen der Cross Connects.
Heute wird eine hybride Lösung verwendet. Der zu konvertierende optische Träger wird demoduliert und das gewonnene elektrische Signal steuert einen neuen
optischen Träger an, der mit einem in der
Wellenlänge abstimmbaren Laser generiert wird. In der Entwicklung befinden
sich auch weitere Lösungen, wie z. B. der
interferometrische Mach-Zehnder Wellenlängenkonverter, die in der «Halbleiter optischer Verstärker»Technologie
hergestellt werden.
Dynamisches optisches Switching
Da die gegenwärtigen Lambda Switches
im besten Fall Schaltzeiten in der Grösse-
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nordnung der Millisekunde haben, arbeiten die DWDM-Netzwerke mit einer statischen Zuteilung der Kapazität der optischen Träger. Die Lage ist ähnlich den
klassischen Time Division MultiplexSystemen, wo die Bandbreiten der einzelnen Kanäle, ungeachtet ihrer tatsächlichen Nutzung, reserviert sind. Eine
wesentliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit der optischen Telekommunikationssysteme lässt sich durch die dynamische Nutzung der Trägerkapazitäten erreichen. Zu diesem Zweck müssen die
Schaltzeiten um mehrere Grössenordnungen gekürzt werden. Wie in einem
Daten Router soll der Weg der optischen
Information Paketswitching-ähnlich, dynamisch, in Funktion der in dieser Information enthaltenen Netzwerkadressen
gesteuert werden. Lösungen für dynamisches optisches Switching sind gegenwärtig in der Entwicklung. Es müssen
aber noch technologische Herausforderungen gelöst werden. Eine davon ist die
ungeheure Schnelligkeit, mit welcher die
Erkennung und Auswertung der Netzadresse jedes einzelnen optischen Paketes
sowie der Steuerung des Lambda Switches erfolgen muss. Für alle diese Aufgaben stehen Zeiten in der Grössenordnung der Nanosekunde (10-9 s) zur Verfügung, was die Möglichkeiten der gegenwärtigen Spitzentechnologien überschreitet. Als ein Schritt in Richtung des
dynamischen Switching kann eine hybride, opto/elektronische Lösung die Effizienz des optischen Netzes erhöhen. Um
mit den längeren Schaltzeiten arbeiten
zu können, werden an der Grenze des
optischen Netzes mehrere für die gleiche
Zieladresse bestimmte Informationspakete in einem «Makropaket» zusammengesetzt. Dann wird das Makropaket,
nach einmaliger Einstellung des Weges
im optischen Netz, in einem Zug übertragen (Optical Burst Switching). Die suboptimalen Schaltzeiten fallen im Vergleich
mit der längeren Dauer der Übertragung
des Makropaketes weniger ins Gewicht.