DWDM: Prinzipien des Multiplexens und der Verstärkung

So funktioniert DWDM: Von der Multiplexung bis zur Rauschkompenzierung

DWDM nutzt mehrere Wellenlängen (Lambda) im transparenten Bereich von Glasfasern, um Signale gleichzeitig zu übertragen. Siliziumdioxid-Fasern minimieren Verluste in den 1310 nm- und 1550 nm-Bändern (C- und L-Band). Der ITU-T-Standard G.694.1 definiert ein dichtes Wellenlängengitter, das bis zu 40–80 Lambda-Kanäle mit Abständen von 50 oder 100 GHz ermöglicht – die Kapazität steigt ohne Neulage von Kabeln.

Faserstandards definieren die Kompatibilität

• G.652: Standardfaser mit Dispersion-Kompensation im C-Band.
• G.655: Optimiert für Hochgeschwindigkeits-DWDM-Kanäle bei 10 Gbps.
• G.654: Niedrigster Dämpfungswert für Langstreckennetze im Backbone.

Systemkomponenten: MUX, DEMUX und SFP-Module

Ein DWDM-Multiplexer (MUX/DEMUX) ist ein passives Gerät, das Signale nach Wellenlänge kombiniert oder trennt – unabhängig von der Datenrate. An der MUX-Eingangsstelle ist ein farbcodierter DWDM-SFP erforderlich, um ein Signal mit fester Wellenlänge zu erzeugen.

Integrationsmöglichkeiten mit Client-Geräten:

• Direkte Verbindung: Ein farbcodierter SFP wird in Switch oder Router eingesteckt, ein Patchkabel führt direkt zum MUX. Ideal für Geräte, die DWDM-Module unterstützen.
• Über Transponder (OTU): Ein grauer SFP (z. B. 10G-LR bei 1310 nm) wird in eine DWDM-Wellenlänge umgewandelt. Der Transponder regeneriert das Signal, verarbeitet es elektronisch und gibt es über einen farbcodierten SFP aus.

Damit lässt sich ältere Ausrüstung nahtlos in DWDM-Netze integrieren.

Rate-unabhängige Signalübertragung

Passive MUX-Geräte unterstützen beliebige Datenraten (10G, 100G, 400G) innerhalb des Spektralbandes einer Wellenlänge. Vorteile:

• Flexibilität: Mischen von 10G- und 100G-Modulen in einem einzigen MUX.
• Upgrade-Pfad: Austausch von SFPs gegen kohärente 100G-Module ohne Entfernung des MUX.

Einschränkung: Die Kanalabstände müssen Überlappungen vermeiden. Frequenzberechnung: Frequenz = c / λ, wobei c ≈ 200.000 km/s (Lichtgeschwindigkeit in Faser).

Kohärente Modulation für Hochgeschwindigkeitsverbindungen

Kohärente Systeme nutzen Phase, Polarisation und Amplitude des Lichts, um 100 Gbps in einen 50 GHz-Kanal (0,4 nm) zu packen. DSP-Chips kompensieren chromatische Dispersion und Nichtlinearitäten und ermöglichen Übertragungen über 1.500 km ohne Regeneration.

Hybridbetrieb: Ein MUX unterstützt sowohl NRZ-10G- als auch DP-QPSK-100G-Kanäle.

Verstärkung und Rauschmanagement

Die Dämpfung in der Faser beträgt etwa 0,2 dB/km im C-Band. Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) verstärken alle Wellenlängen gleichzeitig.

Faktoren, die die Reichweite begrenzen:

• Ansammelung von ASE-Rauschen (verstärkte spontane Emission).
• OSNR (optisches Signal-Rausch-Verhältnis): Schwellenwert für 100G liegt bei ca. 12–14 dB.
• Verluste in MUX/DEMUX und Splicen (~1–2 dB pro Filter).

Die Abstände zwischen Verstärkern liegen zwischen 50 und 170 km, je nach Fasertyp und OSNR-Marge.

Praktische Aspekte bei der Implementierung

Praktische SFPs haben Spektralbreiten >0,4 nm; MUX-Filter schneiden die Ränder ab, was 1–2 dB Verlust und reduzierte Reichweite verursacht. Flex-Grid fügt Pufferbänder für Temperaturdrift und Alterung hinzu.

Maßnahmen zur Fehlerreduktion:

• Leistungsreserve von 3–6 dB.
• FEC im DSP zur Fehlerkorrektur bei niedrigem OSNR.
• Digitale Dispersion-Kompensation.
• Kanal-Leistungs-Ausgleich.
• Spektrum-Monitoring mittels OSA.
• Nutzung von geraden/ungeraden Kanälen als Pufferbänder.

Wichtige Erkenntnisse

• DWDM erhöht die Kapazität von Fasern ohne neue Kabelverlegung durch dichte Wellenlängengitter.
• Passive MUX/DEMUX-Geräte sind datenratenunabhängig und ermöglichen flexible Erweiterungen.
• Kohärente Module bringen über 100 Gbps in standardmäßige 50 GHz-Gitter mit DSP-basierter Kompensation.
• OSNR und ASE begrenzen die Reichweite; FEC und Puffer verlängern Spannen auf bis zu 170 km.
• Transponder ermöglichen die Integration von grauen SFPs in DWDM-Netze.

— Editorial Team