Bølgelængde Division Multiplexing

Båndbredde i kommunikation er som skabsplads i dit hjem - du kan aldrig få nok. Og internettrafik får efterspørgslen efter kommunikationskapacitet til at vokse hurtigere end en teenagers garderobe med et no-limit kreditkort. Båndbredde-hogging megabyte af animeret grafik erstatter kompakte e-mail-beskeder. Data, video og stemmesignaler samler transmissionssystemer, der havde rigelig plads for blot et par år siden. Kommunikationsbranchen har brug for plads til at ånde.

Det er præcis, hvad en ny generation af fiberoptisk teknologi bringer til netværk som det passende navngivne Project Oxygen. Neil Tagare, grundlægger af CTR Group i Woodcliff Lake, N.J., valgte det navn til det globale netværk, fordi han anså den enorme båndbredde, som den nye teknologi tilbyder, for at være lige så vigtig for telekommunikation, som ilt er for selve livet. Ved at sende signaler med 16 forskellige bølgelængder gennem hvert af fire par optiske fibre, vil Project Oxygen bære 640 gigabit per sekund (Gbit/s) på tværs af hele oceaner. Det svarer til 10 millioner samtidige telefonsamtaler - nok til, at hver person i Ungarn eller Belgien kan ringe til USA på samme tid.

Denne historie var en del af vores marts 1999-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Teknologien, der gør denne nye båndbredde mulig, kaldes bølgelængdedelingsmultipleksing eller WDM, og den repræsenterer den anden store fiberoptiske revolution inden for telekommunikation. Den første kom i løbet af 1980'erne, hvor telefonselskaber fik USA og andre lande med fibre for at skabe en global rygrad af informationsrørledninger, der kunne bære langt flere data end de kobberledninger og mikrobølgeforbindelser, de erstattede. WDM tager denne fordel et kæmpe skridt videre og multiplicerer den potentielle kapacitet af hver fiber ved at fylde den med ikke kun én, men mange bølgelængder af lys, som hver er i stand til at bære et separat signal.

Bølgelængdedivisionsmultipleksing er opstået ganske bekvemt, efterhånden som ældre fiberkabler var ved at blive fyldt, siger Richard Mack, vicepræsident hos KMI Corp., et Newport, R.I.-baseret markedsanalytikerfirma med speciale i fiberoptik. Ved at drage fordel af WDM har langdistancetransportører som AT&T og MCI været i stand til at undgå at lægge dyre nye kabler; i stedet pumper de blot yderligere bølgelængder gennem eksisterende fibre.

WDM-revolutionen er ankommet med uventet hurtighed. For et årti siden, påpeger Mack, sagde folk, at der var en overflod af fiberkapacitet. For at give plads til udvidelse, havde telefonselskaber lagt kabler indeholdende 24 til 36 fibre, mange holdt i reserve som mørke fibre. Hver fiber transporterede hundredvis af megabit per sekund ved en enkelt bølgelængde. Siden da har transportører hævet datahastigheder til 2,5 Gbit/s og tændt de fleste mørke fibre. Men den enorme stigning i trafikken har overfyldt disse kabler, der engang virkede så omfangsrige. Skabene, ser det ud til, er hurtigt ved at blive pakket til spærene - og ting vælter ud på gulvet. Telefonbrug tegner sig for en vis stigning, herunder udbredelsen af ​​faxmaskiner og mobiltelefoner. Men den mest dramatiske vækst har været fra internettrafik, som omtrent fordobles hvert år.

Hvad der også er klart er, at der ikke er nogen ende i sigte på den stigende efterspørgsel, især hvis, som mange eksperter mener, to-vejs videokommunikation bliver mere almindelig. Kommunikationsindustrien gennemgår en omstilling, der om få år vil bringe os digital video til vores daglige brug i hjemmet og på arbejdet, siger Shahab Etemad, der leder WDM transmissionsudvikling hos Morristown, N.J.-baserede Bell Communications Research eller Bellcore. (Oprindeligt forskningsafdelingen af ​​de lokale og regionale telefonselskaber, Bellcore opererer nu som et netværksstyringskonsulentfirma med en række forskellige erhvervskunder.) Etemad forventer, at ændringen fra taletelefoni til digital data, der er tung med video, vil kræve en multiplikation af backbone-transmissionskapaciteten med ca. en faktor på 200 - og han insisterer på, at WDM skal spille den førende rolle i at imødekomme den øgede efterspørgsel.

Takket være fremskridt inden for WDM-metoder har fiber gjort et godt stykke arbejde med at holde trit med denne eksplosion i efterspørgsel. Ifølge David Clark, seniorforsker ved MIT's Laboratory for Computer Science, vokser evnen til at få bits ned af en fiber hurtigere end Moores lov, som forudsiger en fordobling af computerkraft hver 18. måned. I øjeblikket, bemærker Clark, fordobles bæreevnen af ​​fiber hver 12. måned.

Gør det med Erbium

Udtrykket bølgelængdedelingsmultipleksing oser af teknisk jargon, men konceptet er enkelt: Send samtidig separate signaler gennem den samme fiber ved forskellige bølgelængder. Grundlæggende danner den samme idé grundlaget for radio- og tv-udsendelser, hvor hver station sender sit signal ud på en tildelt bølgelængde i radiofrekvensspektret. De fleste tænker selvfølgelig i frekvens i stedet, men de to værdier er uløseligt bundet af deres forhold til lysets hastighed. (For eksempel svarer 100 megahertz på FM-skiven til en bølgelængde på omkring 3 meter.)

De samme principper fungerer for lyset, der går gennem en optisk fiber, som for radiobølger, der transmitteres gennem luft. Optiske fibre transmitterer bedst ved de usynlige, nær-infrarøde lys-bølgelængder mellem 1,3 og 1,6 mikrometer - omtrent det dobbelte af bølgelængden af ​​rødt lys.

Hvis WDM både er ligetil og en idé, der har eksisteret - hvorfor er det først for nylig blevet praktisk? Den største hindring har været manglen på passende forstærkere. Lyssignaler, der rejser gennem selv de mest gennemsigtige optiske fibre, falmer til uopdagelige niveauer efter et par hundrede kilometer. I det meste af tiden fiberoptik har været på plads, var den eneste måde at spænde fibre længere end det på at regenerere signalet gennem en optoelektronisk proces: En fotodetektor ville konvertere strømmen af ​​svækkede lysimpulser til et spændingssignal, der kunne forstærkes elektronisk ; dette forstærkede signal modulerede en lasersender.

Problemet er, at lysdetektorer ikke skelner mellem bølgelængder - de forvrider signaler i forskellige farver, ligesom dine ører har problemer med at skelne, hvad der bliver sagt, hvis to personer taler på én gang. For at optoelektroniske systemer kan arbejde med flere bølgelængder, skal de have en måde at adskille bølgelængderne optisk ved hjælp af filtre eller andre lignende elementer, hvilket gør det muligt for hvert signal at passere gennem sin egen regenerator. Indtil for nylig har det dog vist sig upraktisk.

Denne begrænsning forsvandt med opfindelsen af ​​en teknik til at booste signallysets intensitet direkte uden behov for et mellemliggende elektronisk trin. Det vigtigste stykke teknologi er noget, der kaldes en erbium-doteret fiberforstærker. Disse enheder, udviklet i slutningen af ​​1980'erne, gjorde WDM-revolutionen mulig.

I modsætning til en regenerator fungerer en fiberforstærker direkte på lys. Lys i det svage inputsignal stimulerer exciterede erbium-atomer i fiberen til at udsende mere lys ved samme bølgelængde. Kæder af optiske forstærkere kan kombineres for at bære signaler gennem tusindvis af kilometer fiberoptisk kabel på landjorden eller under havet uden regeneratorer. Fordi de bevarer bølgelængden af ​​de optiske signaler, kan erbiumfiberenheder forstærke flere forskellige bølgelængdekanaler samtidigt uden at forvrænge dem. Erbium-forstærkere fungerer godt på tværs af det nær-infrarøde område af det spektrum, hvor fiberoptiske systemer fungerer.

Til lands og i havet

Langdistancetelefonselskaber var de første til at indse, at bølgelængdedelingsmultipleksing kunne reducere omkostningerne til båndbredde. Sammenlignet med alternativet med at tilføje ny fiber giver WDM-teknologi en meget mere effektiv måde at tilføje kapacitet på, ifølge Dana Cooperson, optisk netværksanalytiker for RHK Inc., et markedskonsulentfirma i South San Francisco. At lægge nyt kabel er dyrt og tidskrævende. Og nedgravning af nyt kabel langs den samme rute, som allerede er optaget af et ældre kabel, er risikabelt - ny udgravning inviterer til kabelbrud, der kan sætte hele systemet ud af drift.

Teleselskabernes ønske om at spare tid og penge har drevet en rivende udvikling inden for WDM-teknikker. I midten af ​​1990'erne begyndte luftfartsselskaberne at bruge systemer, der transmitterede ved fire bølgelængder, og hurtigt øgede tallet til otte. Udviklere snittede hurtigt spektret endnu mere fint for at presse 16 bølgelængdekanaler gennem en enkelt fiber til det, der er blevet kendt som tæt WDM.

Da transportørerne så behovet, var producenterne lige så hurtige til at mærke markedet. Lucent Technologies fra Murray Hill, N.J., tilpasset teknologi udviklet i Bell Labs datterselskab. Ciena, en virksomhed fra Linthicum, Md., grundlagt i 1992, kom hurtigere frem og leverede sit første kommercielle 16-kanalssystem i 1996 - næsten samtidig med AT&T-spinoffet. Andre telegiganter rundt om i verden fulgte efter, herunder Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu og Ericsson. I løbet af de sidste to til tre år er adskillige virksomheder - inklusive Ciena, Lucent og Nortel fra Saint-Laurent, Que. - begyndt at markedsføre systemer, der opdeler erbium-forstærkerspektret i 32 eller 40 skiver, hver kun 0,8 nanometer bred. Sidste september leverede Lucent sit første 80-kanalssystem til AT&T. Pirelli Cable of Lexington, S.C., efterfulgt af at love en 128-kanals version, men havde ikke leveret hardware i midten af ​​januar.

Telekommunikationsselskaber har ikke brug for alle disse kanaler i dag - og takket være WDM's iboende modularitet behøver de ikke at købe flere kanaler, før de er klar. En transportør, der installerer et WDM-system, kan kun starte med de sendere og modtagere, der er nødvendige for de få indledende kanaler. Senere, efterhånden som efterspørgslen efter kapacitet vokser, kan yderligere udstyr tilsluttes for at åbne op for nye bølgelængder.

At drage fuld fordel af WDM kræver ofte opgradering af ældre kabler ved at tilføje komponenter, der kompenserer for en besværlig effekt kaldet kromatisk dispersion. Dette refererer til en kort lyspulss tendens til at strække sig ud, når den bevæger sig gennem en fiber på grund af det faktum, at nogle bølgelængder rejser hurtigere end andre. Dispersion smører lyspulser sammen og begrænser derfor transmissionshastigheden. At undgå dette fænomen er især vigtigt i søkabler, hvor lyssignaler skal rejse gennem flere tusinde kilometer fiber fra land til land. Nye installationer kan udnytte fibre designet til optimal WDM-ydeevne, for nylig udviklet både af Lucent og af Corning (Corning, N.Y.).

Sidste år begyndte det første store undersøiske kabel designet til multibølgelængdedrift kaldet Atlantic Crossing 1 at sende 2,5 Gbit/s ved fire bølgelængdekanaler på hvert af dets fire fiberpar. Kapaciteten af ​​dette system kan opgraderes til 16 bølgelængder per fiber ved den hastighed, siger Patrick R. Trischitta, direktør for teknisk marketing hos Tyco Submarine Systems Laboratories i Holmdel, NJ. Det lover i alt 160 Gbit/s gennem kablet, en sløjfe, der forbinder USA med Storbritannien, Holland og Tyskland.

Project Oxygen hæver barren. Nyere WDM-teknologi vil bære 10 Gbit/s ved hver af 16 bølgelængder over havet i fire fiberpar, en samlet kapacitet på 640 Gbit/s pr. kabel. Det er mere end 1.000 gange kapaciteten af ​​det første transatlantiske fiberoptiske kabel, som startede i drift for blot ti år siden. Hele systemet vil i sidste ende omfatte 168.000 kilometer kabel - nok til at cirkle rundt om kloden fire gange. Andre grupper planlægger flere undersøiske kabelsystemer, selvom ingen er helt så ambitiøse. Det er ikke underligt, at MITs Clark forudsiger, Vi kommer til at drukne i fiber.

På landjorden er regionale telefonselskaber lige begyndt at indføre bølgelængdemultipleksing. Sidste år begyndte Bell Atlantic at teste WDM på et 35-kilometer kabel mellem Brunswick og Freehold, N.J., siger Robert A. Gallo, Bell Atlantic-ingeniøren med ansvar for forsøget. Fire kanaler transporterede hver signaler med hastigheder til 2,5 Gbit/s - tophastigheden mellem firmaskifter - og det Ciena-byggede system har slots til op til 16 bølgelængdekanaler. Bell South testede tre ud af 16 kanaler i et lignende system på et kabel, der spænder over 80 kilometer mellem Grenada og Greenwood, Miss. Økonomien er klar: Det er billigere at tilføje WDM-kapacitet end at tilføje ny fiber, siger RHK-analytiker Cooperson.

Der gælder andre regler for de kortere kabler, der forbinder omstillingskontorer med større erhvervskunder. Her, på det såkaldte metromarked, er omkostningerne ved at øge fiberantallet ikke så stort et problem, fordi kørslerne er så meget kortere, forklarer Cooperson. Alligevel forbedrer WDM signaltransmissionen på andre vigtige måder. Den ene er ved at bære signaler i deres originale digitale formater i stedet for at konvertere dem til den digitale kodning, der bruges i telefonnettet. Fordi en sådan konvertering kræver dyr elektronik, kan det være billigere at dedikere en bølgelængde til ende-til-ende-transmission i det originale format.

Evnen til at sortere signaler efter bølgelængde bør strømline driften af ​​fremtidige fiberoptiske netværk. Traditionelt organiserer telefonselskaber digitale signaler i et hierarki af bithastigheder, og fusionerer mange bifloder med lav bithastighed til mægtige digitale floder, der transporterer gigabit pr. sekund. Dette pakker bits effektivt på transmissionslinjer, men kræver udpakning af hele bitstrømmen for at udtrække individuelle signaler. Hvis signalerne er organiseret efter bølgelængde, kan simpel optik imidlertid pirre den ønskede bølgelængdekanal uden at forstyrre de andre. Ingeniører taler om at tilføje et nyt optisk lag til telekommunikationssystemet. Kunder kan leje en bølgelængde i dette optiske lag i stedet for at leje retten til at transmittere med en bestemt datahastighed. En tv-station kunne for eksempel reservere en bølgelængde fra sit studie til sin sender og en anden til det lokale kabelselskab - og transmittere begge signaler i digitale videoformater, der ikke bruges på telefonnetværket.

The Ultimate Squeeze

Da efterspørgslen efter båndbredde ikke viser tegn på at blive langsommere, tænker udviklerne af WDM-systemer allerede på, hvordan de kan pakke flere bølgelængder ind i den samme fiber. I øjeblikket er der to grundlæggende tilgange, der undersøges - og grænserne for begge er tydelige.

En tilgang er at reducere mellemrummet mellem bølgelængder ved at vælge bølgelængder, der er tættere på hinanden for at bære mangfoldigheden af ​​signaler. At pakke bølgelængder tættere på fungerer godt op til et punkt, men det er i sidste ende i konflikt med grundlæggende fysik. Efterhånden som bithastigheder stiger, bliver optiske impulser kortere, og - i overensstemmelse med Heisenbergs usikkerhedsprincip - tvinger denne forkortelse lyssignalet til at sprede sig over et bredere bølgelængdeområde. Denne spredning kan forårsage interferens mellem tæt anbragte kanaler. Lucents system med højeste kapacitet håndterer 10 Gbit/s på bølgelængdekanaler adskilt af 0,8 nanometer, men kun 2,5 Gbit/s, når kanalafstanden er halveret. Og få eksperter mener, at kanaler kan presses meget strammere. Blandt større leverandører er det kun Hitachi Telecom fra Norcross, Ga., der taler om at modulere individuelle kanaler med 40 Gbit/s - og indrømmer, at disse signaler kun kunne spænde over begrænsede afstande.

Udsigterne ser bedre ud for den anden mulighed: at udvide rækken af ​​transmissionsbølgelængder. Pirelli, for eksempel, bruger tre erbium-fiber-forstærkere, optimeret til separate bånd mellem 1.525 og 1.605 nanometer, til at presse 128 bølgelængdekanaler med 10 Gbit/s hver ind i en enkelt fiber. Lucent har demonstreret erbium-forstærkere, der dækker et lignende område i laboratoriet, og introducerede sidste år en ny optisk fiber, der åbner op for en længe forsømt blok af spektret omkring 1.400 nanometer. Gode ​​optiske forstærkere er endnu ikke tilgængelige til andre bølgelængder.

For at WDM skal nå sit fulde potentiale, skal der dog mere til end blot at pakke yderligere bølgelængder ind. Det vil også være nødvendigt at udvikle bedre udstyr til at skifte og manipulere de forskellige bølgelængder, efter at signalet kommer ud af det optiske rør. Optiske switches nærmer sig praktiske kommercielle applikationer, siger analytiker Mack fra KMI. Han tilføjer dog, at for fuldt ud at efterligne, hvad der sker i digitale krydsforbindelser, skal du omfordele og omfordele bølgelængder. Det er umuligt at allokere den samme bølgelængde til én kunde gennem et helt system, fordi det enorme netværk har langt flere kunder, end det har bølgelængder.

Illustrationen nedenfor viser, hvordan signaler fra San Francisco og Cupertino ankommer til Palo Alto med samme bølgelængde, begge på vej mod San Jose. Palo Alto-knuden skal konvertere et signal til en anden bølgelængde for den sidste del af turen, så de meddelelser, de bærer, ikke er håbløst forvirrede. Bølgelængdekonvertering skal nu tage den samme brute-force-tilgang som regeneratorer, og konvertere det optiske signal til et elektronisk signal, der kan drive en sender ved udgangsbølgelængden. All-optiske konverteringstilgange, mens de er demonstreret i laboratoriet, har endnu ikke opnået kommerciel praktisk gennemførlighed.

Selvom disse tekniske problemer er løst, vil det dog ikke være nok til, at teknologien virkelig kan sprede sine vinger. For det skal prisen også komme ned - en bane, som insidere siger, allerede er blevet tydelig. Adel Saleh, leder af forskningsafdelingen for bredbåndsadgang hos AT&T Labs i Red Bank, NJ, projekterer, at prisen pr. netværksknude vil falde med en faktor 10 hvert femte år, startende ved 1 million dollars i 1995. Gennem det næste år eller to, han siger, WDM vil kun være økonomisk for backbone-netværk. Når omkostningerne falder til $100.000 pr. node, vil teknologien give mening for storby- og regionale netværk, begyndende med service til store virksomheder. Saleh forventer, at adgangen til boliger i store lejlighedsbygninger vil følge efter, at omkostningerne falder til $10.000 pr. node i omkring 2005, hvor WDM når individuelle hjem, når omkostningerne falder til omkring $1.000 i 2010.

Den virkelige styrke ved WDM ligger i, hvordan den udvider de optiske luftveje, så alle kan inhalere mere af informationens ilt. I begyndelsen af ​​radioæraen skreg hver sender over hele radiospektret og blokerede andre signaler under udsendelsens varighed. Derefter lærte ingeniører at bygge kredsløb, der indstillede hver sender til sin egen frekvens, hvilket åbnede radiospektret for de mange stationer, vi kan høre i dag. På nogenlunde samme måde erstatter WDM en enkelt strøm af sort-hvide bits med et væld af forskellige farvede signaler.

WDM skaber enorme nye informationspipelines, der vil give bedre service til lavere omkostninger. Men den virkelige informationsrevolution kommer ikke, før billige WDM-rørledninger når individuelle boliger. Dagens modemforbindelser forbliver flaskehalse, der tvinger os til at nippe til strømstrømmen af ​​data gennem det elektroniske svar på et tyndt plastikstrå. Men gør dig klar: Når fiber når hjemmet, kan din helt egen bølgelængde levere et boblende springvand af stumper.

skjule