DFN Mitteilungen 64_Druck
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DFN 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. 18 DFN Mitteilungen 65 - 6 / 2004 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. DFN NETZE UND NETZTECHNIK 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 19 DFN NETZE UND NETZTECHNIK 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 20 DFN Mitteilungen 65 - 6 / 2004 DFN NETZE UND NETZTECHNIK 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 DFN Mitteilungen 65 - 6 / 2004 21 DFN NETZE UND NETZTECHNIK 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- 22 DFN Mitteilungen 65 - 6 / 2004 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.
