Wellenlängen-Multiplexing

Bandbreite in der Kommunikation ist wie Stauraum in Ihrem Zuhause – Sie können nie genug haben. Und der Internetverkehr lässt den Bedarf an Kommunikationskapazität schneller wachsen als der Kleiderschrank eines Teenagers mit einer unbegrenzten Kreditkarte. Bandbreitenfressende Megabyte animierter Grafiken ersetzen kompakte E-Mail-Nachrichten. Daten-, Video- und Sprachsignale drängen sich in Übertragungssystemen auf, die noch vor wenigen Jahren ausreichend Platz hatten. Die Kommunikationsbranche braucht Luft zum Atmen.

Genau das bringt eine neue Generation der Glasfasertechnologie in Netzwerke wie das treffend benannte Project Oxygen. Neil Tagare, Gründer der CTR Group in Woodcliff Lake, N.J., wählte diesen Namen für das globale Netzwerk, weil er die enorme Bandbreite, die die neue Technologie bietet, für die Telekommunikation genauso wichtig hielt wie Sauerstoff für das Leben selbst. Durch das Senden von Signalen bei 16 verschiedenen Wellenlängen durch jedes der vier Glasfaserpaare wird Project Oxygen 640 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) über ganze Ozeane transportieren. Das entspricht 10 Millionen gleichzeitigen Telefongesprächen – genug für jede Person in Ungarn oder Belgien, um gleichzeitig die Vereinigten Staaten anzurufen.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom März 1999



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Die Technologie, die diese neue Bandbreite ermöglicht, wird als Wellenlängenmultiplex (WDM) bezeichnet und stellt die zweite große Glasfaserrevolution in der Telekommunikation dar. Die erste kam in den 1980er Jahren, als Telefongesellschaften die Vereinigten Staaten und andere Länder mit Glasfasern verbanden, um ein globales Rückgrat von Informationspipelines zu schaffen, die viel mehr Daten übertragen konnten als die Kupferdrähte und Mikrowellenverbindungen, die sie ersetzten. WDM nutzt diesen Vorteil noch einen großen Schritt weiter, indem es die potenzielle Kapazität jeder Faser vervielfacht, indem sie nicht nur mit einer, sondern mit vielen Lichtwellenlängen gefüllt wird, von denen jede ein separates Signal übertragen kann.

Das Wellenlängen-Multiplexing hat sich recht günstig entwickelt, als ältere Glasfaserkabel immer mehr gefüllt wurden, sagt Richard Mack, Vice President bei KMI Corp., einem Marktanalyseunternehmen mit Sitz in Newport, R.I., das sich auf Glasfaser spezialisiert hat. Durch die Nutzung von WDM konnten Fernverkehrsnetzbetreiber wie AT&T und MCI das Verlegen teurer neuer Kabel vermeiden; Stattdessen pumpen sie einfach zusätzliche Wellenlängen durch vorhandene Fasern.

Die WDM-Revolution ist mit unerwarteter Geschwindigkeit angekommen. Vor einem Jahrzehnt, so Mack, sagten die Leute, es gebe ein Überangebot an Ballaststoffkapazitäten. Um Raum für Expansion zu schaffen, hatten Telefongesellschaften Kabel mit 24 bis 36 Fasern verlegt, von denen viele als Dark Fibers in Reserve gehalten wurden. Jede Faser transportiert Hunderte von Megabit pro Sekunde bei einer einzigen Wellenlänge. Seitdem haben Carrier die Datenraten auf 2,5 Gbit/s erhöht und die meisten Dark Fibers beleuchtet. Aber die enorme Zunahme des Verkehrs hat diese Kabel, die einst so voluminös erschienen, überfüllt. Die Kleiderschränke, so scheint es, werden rasend schnell bis auf die Dachsparren vollgestopft – und Sachen rieseln auf den Boden. Die Telefonnutzung ist für einen gewissen Anstieg verantwortlich, einschließlich der Verbreitung von Faxgeräten und Mobiltelefonen. Das dramatischste Wachstum war jedoch der Internetverkehr, der sich jedes Jahr ungefähr verdoppelt.

Klar ist auch, dass ein Ende der stark steigenden Nachfrage nicht in Sicht ist, insbesondere wenn, wie viele Experten meinen, die bidirektionale Videokommunikation immer häufiger wird. Die Kommunikationsbranche befindet sich in einem Umbruch, der uns in wenigen Jahren digitales Video für den täglichen Gebrauch zu Hause und am Arbeitsplatz bringen wird, sagt Shahab Etemad, der die WDM-Übertragungsentwicklung bei Bell Communications Research mit Sitz in Morristown, New Jersey, oder Bellcore leitet. (Anfänglich der Forschungszweig der lokalen und regionalen Telefongesellschaften, agiert Bellcore heute als Beratungsunternehmen für Netzwerkmanagement mit einer Vielzahl von Firmenkunden.) Etemad erwartet, dass der Wechsel von der Sprachtelefonie zu digitaler, datenintensiver Videoübertragung eine Vervielfachung der Backbone-Übertragungskapazität um etwa erfordert einen Faktor von 200 - und er besteht darauf, dass WDM die führende Rolle bei der Befriedigung dieser erweiterten Nachfrage spielen muss.

Dank der Fortschritte bei den WDM-Methoden hat Glasfaser gute Arbeit geleistet, um mit dieser explosionsartigen Nachfrage Schritt zu halten. Laut David Clark, Senior Research Scientist am MIT's Laboratory for Computer Science, wächst die Fähigkeit, Bits durch eine Faser zu bekommen, schneller als das Mooresche Gesetz, das eine Verdoppelung der Rechenleistung alle 18 Monate vorhersagt. Im Moment, so Clark, verdoppelt sich die Tragfähigkeit von Ballaststoffen alle 12 Monate.

Machen Sie es mit Erbium

Wann wurden Schwarze Löcher zum ersten Mal theoretisiert?

Der Begriff Wellenlängen-Multiplexing riecht nach technischem Jargon, aber das Konzept ist einfach: gleichzeitig getrennte Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen durch dieselbe Faser senden. Im Wesentlichen die gleiche Idee bildet die Grundlage des Rundfunks und des Fernsehens, bei dem jeder Sender sein Signal auf einer zugewiesenen Wellenlänge im Hochfrequenzspektrum aussendet. Natürlich denken die meisten Menschen stattdessen in Frequenzen, aber die beiden Werte sind untrennbar durch ihr Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit verbunden. (Beispielsweise entsprechen 100 Megahertz auf dem FM-Zifferblatt einer Wellenlänge von etwa 3 Metern.)

Die gleichen Prinzipien funktionieren für das Licht, das durch eine optische Faser geht, wie für Funkwellen, die durch die Luft übertragen werden. Optische Fasern übertragen am besten bei den unsichtbaren Wellenlängen des nahen Infrarotlichts zwischen 1,3 und 1,6 Mikrometern – etwa der doppelten Wellenlänge von rotem Licht.

Wenn WDM sowohl unkompliziert als auch eine bekannte Idee ist – warum ist es erst seit kurzem praktisch? Das größte Hindernis war das Fehlen geeigneter Verstärker. Lichtsignale, die selbst durch die transparentesten Glasfasern wandern, verblassen nach einigen hundert Kilometern auf nicht mehr wahrnehmbare Werte. Die meiste Zeit über gab es Glasfasern, die einzige Möglichkeit, Fasern länger zu überspannen, als das Signal durch einen optoelektronischen Prozess zu regenerieren: Ein Photodetektor würde den Strom abgeschwächter Lichtimpulse in ein Spannungssignal umwandeln, das elektronisch verstärkt werden könnte ; dieses verstärkte Signal modulierte einen Lasersender.

Das Problem ist, dass Lichtdetektoren nicht zwischen Wellenlängen unterscheiden – sie verwürfeln Signale in verschiedenen Farben, ähnlich wie Ihre Ohren Schwierigkeiten haben, zu erkennen, was gesagt wird, wenn zwei Personen gleichzeitig sprechen. Damit optoelektronische Systeme mit mehreren Wellenlängen arbeiten können, müssen sie die Wellenlängen optisch trennen können, indem Filter oder ähnliche Elemente verwendet werden, damit jedes Signal seinen eigenen Regenerator passieren kann. Das hat sich bis vor kurzem jedoch als unpraktisch erwiesen.

Diese Einschränkung wurde mit der Erfindung einer Technik zur direkten Verstärkung der Signallichtintensität ohne die Notwendigkeit eines elektronischen Zwischenschritts beseitigt. Das Schlüsselstück der Technologie ist ein sogenannter Erbium-dotierter Faserverstärker. Diese Ende der 1980er Jahre entwickelten Geräte ermöglichten die WDM-Revolution.

Im Gegensatz zu einem Regenerator arbeitet ein Faserverstärker direkt mit Licht. Licht im schwachen Eingangssignal stimuliert angeregte Erbiumatome in der Faser, mehr Licht bei der gleichen Wellenlänge zu emittieren. Ketten optischer Verstärker können kombiniert werden, um Signale durch Tausende von Kilometern Glasfaserkabel an Land oder unter dem Meer zu übertragen – ohne Regeneratoren. Da sie die Wellenlänge der optischen Signale beibehalten, können Erbium-Fasergeräte mehrere verschiedene Wellenlängenkanäle gleichzeitig verstärken, ohne sie zu verwürfeln. Erbium-Verstärker funktionieren gut im nahen Infrarotbereich des Spektrums, in dem faseroptische Systeme arbeiten.

An Land und im Meer

Langstreckentelefongesellschaften waren die ersten, die erkannten, dass Wellenlängen-Multiplexing die Kosten für die Bandbreite senken kann. Verglichen mit der Alternative, neue Glasfasern hinzuzufügen, bietet die WDM-Technologie laut Dana Cooperson, Optical Network Analyst bei RHK Inc., einem Marktberatungsunternehmen in South San Francisco, eine viel effektivere Möglichkeit, Kapazitäten zu erhöhen. Das Verlegen neuer Kabel ist teuer und zeitaufwendig. Und das Vergraben neuer Kabel entlang derselben Trasse, die bereits von einem älteren Kabel belegt wurde, ist riskant – neue Ausgrabungen führen zu Kabelbrüchen, die das gesamte System außer Betrieb setzen könnten.

Der Wunsch der Telekommunikationsanbieter, Zeit und Geld zu sparen, hat eine rasante Entwicklung der WDM-Techniken vorangetrieben. Mitte der 1990er Jahre begannen die Carrier-Unternehmen, Systeme zu verwenden, die bei vier Wellenlängen sendeten, und erhöhten die Zahl bald auf acht. Die Entwickler haben das Spektrum schnell noch feiner geschnitten, um 16 Wellenlängenkanäle durch eine einzige Faser für das sogenannte dichte WDM zu quetschen.

Als die Spediteure den Bedarf erkannten, erkannten auch die Hersteller den Markt. Lucent Technologies aus Murray Hill, N.J., adaptierte Technologie, die in seiner Tochtergesellschaft Bell Labs entwickelt wurde. Ciena, ein 1992 gegründetes Unternehmen in Linthicum, Md., stürmte schneller voran und lieferte 1996 sein erstes kommerzielles 16-Kanal-System - fast zeitgleich mit der Ausgliederung von AT&T. Andere Telekommunikationsgiganten auf der ganzen Welt folgten, darunter Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu und Ericsson. In den letzten zwei bis drei Jahren haben mehrere Unternehmen - darunter Ciena, Lucent und Nortel aus Saint-Laurent, Que. - damit begonnen, Systeme auf den Markt zu bringen, die das Erbium-Verstärker-Spektrum in 32 oder 40 Streifen von jeweils nur 0,8 Nanometer Breite schneiden. Im vergangenen September lieferte Lucent sein erstes 80-Kanal-System an AT&T. Pirelli Cable aus Lexington, S.C., versprach eine 128-Kanal-Version, hatte aber Mitte Januar noch keine Hardware geliefert.

Telekommunikationsanbieter benötigen heute nicht alle diese Kanäle – und dank der inhärenten Modularität von WDM müssen sie keine weiteren Kanäle kaufen, bis sie bereit sind. Ein Netzbetreiber, der ein WDM-System installiert, kann nur mit den Sendern und Empfängern beginnen, die für die wenigen anfänglichen Kanäle benötigt werden. Später, wenn die Nachfrage nach Kapazität wächst, können zusätzliche Geräte angeschlossen werden, um neue Wellenlängen zu erschließen.

Um die Vorteile von WDM voll auszuschöpfen, müssen häufig ältere Kabel aktualisiert werden, indem Komponenten hinzugefügt werden, die einen störenden Effekt kompensieren, der als chromatische Dispersion bezeichnet wird. Dies bezieht sich auf die Tendenz eines kurzen Lichtpulses, sich beim Durchlaufen einer Faser auszudehnen, da einige Wellenlängen schneller wandern als andere. Dispersion verschmiert Lichtimpulse zusammen und begrenzt daher die Übertragungsgeschwindigkeit. Dieses Phänomen zu vermeiden ist besonders wichtig bei Seekabeln, bei denen Lichtsignale mehrere Tausend Kilometer Glasfaser von Land zu Land durchlaufen müssen. Neue Installationen können Fasern nutzen, die für optimale WDM-Leistung ausgelegt sind und kürzlich sowohl von Lucent als auch von Corning (Corning, N.Y.) entwickelt wurden.

Im vergangenen Jahr begann das erste große Unterseekabel, das für den Betrieb mit mehreren Wellenlängen entwickelt wurde, mit dem Namen Atlantic Crossing 1, 2,5 Gbit/s auf vier Wellenlängenkanälen auf jedem seiner vier Faserpaare zu senden. Die Kapazität dieses Systems kann bei dieser Geschwindigkeit auf 16 Wellenlängen pro Faser aufgerüstet werden, sagt Patrick R. Trischitta, Direktor für technisches Marketing bei Tyco Submarine Systems Laboratories in Holmdel, NJ. Das verspricht insgesamt 160 Gbit/s über das Kabel, a Schleife, die die Vereinigten Staaten mit Großbritannien, den Niederlanden und Deutschland verbindet.

Project Oxygen legt die Messlatte höher. Neuere WDM-Technologie wird 10 Gbit/s bei jeder der 16 Wellenlängen in vier Faserpaaren über den Ozean übertragen, eine Gesamtkapazität von 640 Gbit/s pro Kabel. Das ist mehr als das 1.000-fache der Kapazität des ersten transatlantischen Glasfaserkabels, das erst vor einem Jahrzehnt in Betrieb genommen wurde. Das gesamte System wird schließlich 168.000 Kilometer Kabel umfassen – genug, um viermal die Erde zu umrunden. Andere Konzerne planen weitere Seekabelsysteme, allerdings ist keine so ambitioniert. Es ist kein Wunder, dass Clark vom MIT voraussagt: Wir werden in Fasern ertrinken.

An Land haben regionale Telefongesellschaften gerade damit begonnen, Wellenlängen-Multiplexing einzuführen. Im vergangenen Jahr begann Bell Atlantic, WDM an einem 35 Kilometer langen Kabel zwischen Brunswick und Freehold, New Jersey, zu testen, sagt Robert A. Gallo, der für den Versuch verantwortliche Ingenieur von Bell Atlantic. Vier Kanäle übertragen jeweils Signale mit Geschwindigkeiten von bis zu 2,5 Gbit/s – der Spitzenrate zwischen den Vermittlungsstellen von Unternehmen – und das von Ciena gebaute System verfügt über Steckplätze für bis zu 16 Wellenlängenkanäle. Bell South testete drei von 16 Kanälen in einem ähnlichen System auf einem 80 Kilometer langen Kabel zwischen Grenada und Greenwood, Miss. Die Wirtschaftlichkeit ist klar: Es ist billiger, WDM-Kapazität hinzuzufügen, als neue Glasfasern hinzuzufügen, sagt RHK-Analyst Cooperson.

Für die kürzeren Kabel von Vermittlungsstellen zu großen Geschäftskunden gelten andere Regeln. Hier, im sogenannten Metro-Markt, spielen die Kosten für die Erhöhung der Faseranzahl keine so große Rolle, weil die Laufstrecken so viel kürzer sind, erklärt Cooperson. Dennoch verbessert WDM die Signalübertragung auf andere wichtige Weise. Eine besteht darin, Signale in ihren ursprünglichen digitalen Formaten zu übertragen, anstatt sie in die digitale Kodierung umzuwandeln, die innerhalb des Telefonnetzes verwendet wird. Da eine solche Umwandlung kostspielige Elektronik erfordert, kann es billiger sein, eine Wellenlänge für die Ende-zu-Ende-Übertragung im Originalformat bereitzustellen.

Die Möglichkeit, Signale nach Wellenlänge zu sortieren, sollte den Betrieb zukünftiger Glasfasernetze rationalisieren. Traditionell organisieren Telefongesellschaften digitale Signale in einer Bitratenhierarchie und verschmelzen viele Nebenflüsse mit niedriger Bitrate zu mächtigen digitalen Flüssen, die Gigabit pro Sekunde transportieren. Dies packt Bits effizient auf Übertragungsleitungen, erfordert jedoch das Entpacken des gesamten Bitstroms, um einzelne Signale zu extrahieren. Wenn die Signale jedoch nach Wellenlängen organisiert sind, kann eine einfache Optik den gewünschten Wellenlängenkanal herauskitzeln, ohne die anderen zu stören. Ingenieure sprechen davon, dem Telekommunikationssystem eine neue optische Schicht hinzuzufügen. Kunden können eine Wellenlänge in dieser optischen Schicht mieten, anstatt das Recht zur Übertragung mit einer bestimmten Datenrate zu leasen. Ein Fernsehsender könnte zum Beispiel eine Wellenlänge von seinem Studio für seinen Sender und eine andere für die örtliche Kabelgesellschaft reservieren – und beide Signale in digitalen Videoformaten übertragen, die im Telefonnetz nicht verwendet werden.

Der ultimative Squeeze

Da der Bandbreitenbedarf nicht nachlässt, überlegen die Entwickler von WDM-Systemen bereits, mehr Wellenlängen in dieselbe Faser zu packen. Derzeit werden zwei grundsätzliche Ansätze untersucht – und für beide sind Grenzen erkennbar.

Ein Ansatz besteht darin, den Abstand zwischen den Wellenlängen zu verringern, indem Wellenlängen gewählt werden, die näher beieinander liegen, um die Vielzahl von Signalen zu übertragen. Wellenlängen näher zu packen funktioniert bis zu einem gewissen Punkt gut, aber es kollidiert letztendlich mit der grundlegenden Physik. Mit steigenden Bitraten werden optische Pulse kürzer, und diese Verkürzung zwingt das Lichtsignal – gemäß den Vorgaben des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips – dazu, sich über einen breiteren Wellenlängenbereich auszubreiten. Diese Ausbreitung kann eine Interferenz zwischen eng beabstandeten Kanälen verursachen. Das System mit der höchsten Kapazität von Lucent verarbeitet 10 Gbit/s auf Wellenlängenkanälen, die um 0,8 Nanometer getrennt sind, aber nur 2,5 Gbit/s, wenn der Kanalabstand halbiert wird. Und nur wenige Experten glauben, dass Kanäle viel enger gedrängt werden können. Unter den großen Anbietern spricht nur Hitachi Telecom aus Norcross, Georgia, über die Modulation einzelner Kanäle mit 40 Gbit/s – und räumt ein, dass diese Signale nur begrenzte Distanzen überspannen könnten.

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Besser stehen die Aussichten für die zweite Option: die Erweiterung des Bereichs der Übertragungswellenlängen. Pirelli zum Beispiel verwendet drei Erbium-Faser-Verstärker, die für separate Bänder zwischen 1.525 und 1.605 Nanometer optimiert sind, um 128 Wellenlängenkanäle mit jeweils 10 Gbit/s in eine einzelne Faser zu quetschen. Lucent hat im Labor Erbium-Verstärker demonstriert, die einen ähnlichen Bereich abdecken, und im vergangenen Jahr eine neue Glasfaser vorgestellt, die einen lange vernachlässigten Block des Spektrums um 1400 Nanometer erschließt. Für andere Wellenlängen gibt es noch keine guten optischen Verstärker.

Damit WDM sein volles Potenzial entfalten kann, ist jedoch mehr erforderlich, als nur zusätzliche Wellenlängen einzupacken. Es wird auch notwendig sein, bessere Geräte zum Umschalten und Manipulieren der verschiedenen Wellenlängen zu entwickeln, nachdem das Signal aus dem optischen Rohr austritt. Optische Schalter nähern sich den praktischen kommerziellen Anwendungen, sagt Analyst Mack von KMI. Er fügt jedoch hinzu, dass Sie Wellenlängen neu zuweisen und zuweisen müssen, um vollständig zu emulieren, was bei digitalen Cross-Connects passiert. Es ist unmöglich, einem Kunden im gesamten System dieselbe Wellenlänge zuzuweisen, da das riesige Netzwerk weit mehr Kunden als Wellenlängen hat.

Die folgende Abbildung zeigt, wie Signale von San Francisco und Cupertino in Palo Alto auf derselben Wellenlänge ankommen, beide Richtung San Jose. Der Palo Alto-Knoten muss für die letzte Etappe seiner Reise ein Signal in eine andere Wellenlänge umwandeln, damit die Nachrichten, die sie übertragen, nicht hoffnungslos durcheinander geraten. Die Wellenlängenumwandlung muss jetzt den gleichen Brute-Force-Ansatz wie bei Regeneratoren verwenden und das optische Signal in ein elektronisches umwandeln, das einen Sender bei der Ausgangswellenlänge ansteuern kann. Rein optische Umwandlungsansätze müssen zwar im Labor demonstriert werden, müssen aber noch kommerzielle Praxistauglichkeit erreichen.

Doch selbst wenn diese technischen Probleme gelöst sind, reicht das nicht aus, damit die Technologie ihre Flügel wirklich ausbreitet. Dafür muss auch der Preis sinken – eine Entwicklung, die Insidern zufolge bereits erkennbar ist. Adel Saleh, Leiter der Forschungsabteilung für Breitbandzugang bei AT&T Labs in Red Bank, NJ, werden Projekte, deren Kosten pro Netzwerkknoten alle fünf Jahre um den Faktor 10 sinken werden, beginnend bei 1 Million US-Dollar im Jahr 1995. In den nächsten ein oder zwei Jahren werden Er sagt, WDM wird nur für Backbone-Netzwerke wirtschaftlich sein. Sobald die Kosten auf 100.000 US-Dollar pro Knoten sinken, wird die Technologie für städtische und regionale Netzwerke sinnvoll sein, beginnend mit dem Service für große Unternehmen. Saleh geht davon aus, dass der Zugang zu Wohngebäuden in großen Mehrfamilienhäusern folgen wird, nachdem die Kosten im Jahr 2005 auf 10.000 US-Dollar pro Knoten gesunken sind, wobei WDM einzelne Häuser erreicht, sobald die Kosten auf etwa 1.000 US-Dollar im Jahr 2010 sinken.

Die wahre Stärke von WDM liegt darin, wie es die optischen Atemwege erweitert, sodass jeder mehr Sauerstoff der Information einatmen kann. Zu Beginn des Radiozeitalters schrie jeder Sender über das gesamte Funkspektrum und blockierte andere Signale für die Dauer seiner Sendung. Dann lernten die Ingenieure, Schaltungen zu bauen, die jeden Sender auf seine eigene Frequenz abstimmten und das Funkspektrum für die vielen Sender öffnen, die wir heute hören können. In ähnlicher Weise ersetzt WDM einen einzelnen Strom von Schwarz-Weiß-Bits durch eine Vielzahl unterschiedlich gefärbter Signale.

WDM erstellt riesige neue Informationspipelines, die einen besseren Service zu geringeren Kosten bieten. Aber die wahre Informationsrevolution wird nicht kommen, bis billige WDM-Pipelines die einzelnen Wohnungen erreichen. Heutige Modemverbindungen bleiben Engpässe und zwingen uns, die Datenflut durch das elektronische Äquivalent eines dünnen Plastikstrohhalms zu schlürfen. Aber machen Sie sich bereit: Wenn die Glasfaser das Haus erreicht, könnte Ihre ganz eigene Wellenlänge eine sprudelnde Fontäne aus Bits liefern.

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