Optoelektronik ermöglichen die Realisierung

Norbert Hahn

Die Kapazität heutiger kommerzieller Übertragungssysteme beträgt pro Glasfaser ein Terabit pro Sekunde. Diese Kapazität läßt sich jedes Jahr verdoppeln. Damit stehen bis zum Jahr 2010 so große Kapazitäten zur Verfügung, das für jeden Menschen auf der Erde eine Übertragungsbandbreite von 100 Mbit/s vorhanden ist. Dies ist die Übertragungskapazität von hochauflösendem Fernsehen für mehr als sechs Milliarden Menschen.

Neue Anwendungen benötigen mehr Bandbreite

Der Aufbau dieses Meganetzes ist dringend notwendig, denn bereits heute werden in den USA täglich 7,3 Milliarden kommerzielle E-Mails verschickt. Die Zahl der Internet-Nutzungen verdoppelt sich alle120 Tage und jeden Tag werden 65 Millionen Kurznachrichten verschickt. Auch der E-Commerce wird die Netzinfrastruktur immer stärker belasten. Somit sind für die Telekommunikationssysteme neue und immer kompaktere und leistungsfähigere Technologien notwendig. Da alle steuerbaren Geräte, wie Thermostate, Druckmesser, Schadstoffmelder, Kameras, Alarmanlagen und Haushaltsgeräte, an das Netz anschließbar sind, ist die Abfrage des Kühlschrankinhalts, der Wohnzimmertemperatur oder der Kontostand von jedem beliebigen Ort möglich.

Elektronik - Optik

Bei der Realisierung optischer Netze spielen die unterschiedlichen Geschwindigkeiten bei elektronischen und bei optischen Technologieentwicklungen eine wichtige Rolle. In der Optik nimmt sie pro Jahr um den Faktor 2 zu, in der Elektronik nur um den Faktor 1,5. Damit nehmen die elektronischen Engstellen zeitlich immer häufiger zu. Da es bereits heute keine elektronischen Baugruppen mit Datenübertragungsraten im Terabit Bereich gibt, gewinnt die Wellenlängen-Multiplexer-Technik immer mehr an Bedeutung.

Wege aus dem Datenengpass

Aufgrund des ständig zunehmenden Wachstums von Diensteangeboten und Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit, sind die Anforderungen an globale Telekommunikations-Infrastrukturen noch nie so hoch gewesen. Die Netzbetreiber müssen die Kapazitäten ihrer Übertragungsnetze erweitern, denn der Bedarf an Übertragungskapazität steigt pro Jahr um 50 Prozent.

Zur Realisierung dieser zusätzlichen Kapazitäten bieten sich drei Möglichkeiten an:

• Die Installation zusätzlicher Glasfaserverbindungen. Hierbei handelt es sich um eine kostspielige Alternative. Lucent bietet dafür aber leistungsfähigere Glasfaser an.
• Der Einsatz von TDM-Systemen der nächsten Generation. Diese traditionelle Methode der Kapazitätserhöhung bedeutet den Schritt von 10 Gbit/s auf 40 Gbit/s. Dieser wird von Lucent realisiert.
• Wellenmultiplex-Systeme (WDM) als Grundlage für TDM-Systeme. Mit WDM (Wavelength Division Multiplexing) lassen sich die Transportkapazitäten bestehender Glasfasernetze auf wirtschaftliche Weise erhöhen. Durch die Nutzung optischer Multiplexer und Verstärker werden beim WDM mehrere optische Signale miteinander kombiniert, als Gruppe verstärkt und zum Zwecke der Kapazitätssteigerung gemeinsam über eine einzige Glasfaser übertragen. Ein WDM-basiertes System ermöglicht diese Steigerung unter Beibehaltung der Leistung, Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems.

Die Glasfaser als Übertragungsmedium

Die Glasfaser begrenzt auf Grund von Nichtlinearitäten und Dispersionen die überbrückbaren Entfernungen für optische Übertragungssysteme. Hierbei besteht ein enger Zusammenhang mit der Übertragungsrate. Zur Realisierung höherer Übertragungsbandbreiten werden schon seit einigen Jahren verstärkt NZDF Fasern (Non-Zero-Dispersion-Shifted Fiber) genutzt. Mit ihnen lassen sich hochkanalige Wellenmultiplexsysteme realisieren.

• Bessere Nutzung

Die TrueWave RS -Faser wurde als weltweit erste Einmodenfaser speziell für hochbitratige Fernverkehrsnetze mit optischen Verstärkern, die im dritten und vierten Fenster des Faserspektrums arbeiten, entwickelt. Das von den Bell Laboratories entwickelte System führt im Bereich von 1530nm bis 1620nm zu einer starken Verringerung der Dispersion (35 bis 55 Prozent geringer), so dass sich zusätzliche Wellenlängen nutzen lassen.

• Erweiterter Übertragungsbereich

Bei der Fertigung von Glasfasern blieb immer ein bestimmter Anteil an Wasser in Form von Hydroxylionen in der Faser zurück. So konnten aufgrund von Absorption bestimmte Wellenlängen im Faserspektrum nicht genutzt werden. Mit Hilfe eines patentierten Reinigungsverfahrens entfernt Lucent bei der AllWave-Glasfaser praktisch alle Wasseranteile (Hydroxylionen) aus der Glasfaser. Damit entfällt die Absorbsion im Wellenlängenbereich um 1385nm, und es stehen 100 Nanometer mehr nutzbare Wellenlänge zur Verfügung. Erstmals ist das gesamte Faserspektrum nutzbar.

Optische Verstärker

Mit dem Aufkommen von breitbandigen Glasfasernetzen hat die Bedeutung der optischen Verstärker sehr stark zugenommen. Da die meisten Wellenlängen-Add/Drop-Elemente passiv sind und daher Verluste bewirken, muß der optische Verstärker diese im Glasfasernetz kompensieren und außerdem eine zusätzliche Leistungsverstärkung erbringen, um die durch diese Bauelemente bewirkten Verluste auszugleichen. Der neue, in den Bell Labs entwickelte WaveStar-L-Band-Verstärker ermöglicht die Übertragung von Daten, Sprache und Bilder im 4. Optischen Fenster, dem L-Band. Dieser Wellenlängenbereich zwischen 1565 und 1620 nm wird zur Zeit nicht genutzt. Heutige Wellenlängenmultiplex-Systeme (DWDM = Dense Wave Division Multiplexing) arbeiten im 3. optischen Fenster zwischen 1530 und 1565 nm (C-Band) .

Für große Übertragungsstrecken kommt der Raman-Verstärker zum Einsatz.

Zeitmultiplex Technik (Time Division Multiplex = TDM)

Der Nachfrage nach mehr Übertragungskapazität begegnen die Systemhersteller für Übertragungsraten bis 40 Gbit/s mit der Zeitmultiplex Technik (Time Division Multiplex = TDM). Die hier zur Anwendung kommende Synchrone Digitale Hierarchie (SDH) wurde für weltweit einheitliche Übertragungsnetze konzipiert. SDH berücksichtigt auch die steigende Nachfrage nach mehr und flexiblerer Übertragungskapazität.

1988 wurde vom CCITT (Commité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique) ein Vorschlag der Studienkommission XVIII über eine Synchrone Digitale Hierarchie bestätigt. Damit hatte man die Voraussetzung für weltweit einheitliche optische Übertragungsnetze geschaffen.

Die SDH-Standardisierung wurde durch Vorschläge aus den USA angeregt, die auf dem in Amerika entwickelten SONET-Standard (Synchronous Optical Network) beruhen. Durch die Weiterentwicklung dieses Standards lassen sich alle europäischen Hierachieebenen innerhalb der Synchronen Digitalen Hierarchie übertragen. Damit ist die Zusammenarbeit mit den bestehenden plesiochronen Netzen möglich und eine kontinuierliche Weiterentwicklung der bestehenden digitalen Übertragungsnetze sichergestellt.

Mit den neuen SDH-Komponenten wie synchrone Leitungsausrüstungen, intelligente Add-/Drop-Multiplexer, flexible Multiplexer sowie Crossconnect-Systeme lassen sich in Verbindung mit Netzmanagementsystemen flexible Übertragungsnetze aufbauen. Flexible Netze gestatten, z.B. durch automatisches Schalten von Digitalisignal-Verbindungen und mit Hilfe der Leitungsersatzschaltetechnik, eine optimierte Nutzung der zur Verfügung stehenden Übertragungskapazitäten. Weitere Leistungsmerkmale von flexiblen Netzen sind die effiziente Netzüberwachung, das effiziente Netzmanagement sowie die verbesserten Wartungsmöglichkeiten zur Senkung von Netzkosten.

Bei den SDH-Systemen kann ein einzelner Kanal oder eine Gruppe von Kanälen in Datenströmen mit höheren Bitraten eingefügt oder abgezweigt werden, ohne das gesamte Summensignal in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen zu zerlegen um dann die Teilsignale wieder zu einem Gesamtsignal zu multiplexen. Mit einem 2,5-Gbit/s-SDH-System lassen sich rund 31.000 Telefongespräche mit je 64 kbit/s im Multiplexverfahren über eine Glasfaser übertragen. Auf der Basis der geltenden ITU-T-Empfehlungen und unter Berücksichtigung der Anforderungen von Netzbetreibern bietet Lucent Technologies SDH-Systeme in modularer Technik kostengünstig an. 40-Gbit/s-Systeme transportieren 40-Gbit/s-Signale über einen Kanal, d.h. über eine Wellenlänge. Dies ist die Datenmenge von etwa acht Millionen einseitiger E-Mails in der Sekunde.

Mit der 40-Gbit/s-TDM-Technologie von Lucent können bis zu 500.000 Telefongespräche gleichzeitig übertragen werden. Für Netzbetreiber bedeutet dies, daß sie über die vorhandenen Glasfasern einen höheren Datendurchsatz erreichen, und damit kosteneffizientere Datennetze, sowie weitere moderne Telekommunikationsdienste anbieten können. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist der geringe Platzbedarf in den Telekommunikationszentralen, da ein System die Kapazität von vier 10-Gbit/s-Systemen bietet. Weiterhin werden nur ein Viertel der Glasfasern benötigt, die bisher für vier 10-Gbit/s-Systeme erforderlich waren. Dies reduziert auch die Kosten pro transportiertem Bit.

Mehrfachnutzung der Glasfasern durch Wellenlängenmultiplexing

Für höhere Bitraten wird die in den Bell Labs entwickelten Wellenlängenmultiplex-Technologie (WDM) eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein optisches Multiplexverfahren, bei dem die einzelnen Kanäle über unterschiedliche Wellenlängen des genutzten optischen Übertragungssystems transportiert werden. Dies ist möglich, da sich Lichtwellen unterschiedlicher Länge gegenseitig nicht beeinflussen. Sie lassen sich gemeinsam und fehlerlos über eine Glasfaser übertragen.

Bei der WDM-Übertragung werden die elektrischen Signale zunächst in Lichtsignale einer bestimmten Wellenlänge (Lichtfarbe) umgewandelt. Hierfür verwendet man lichtemittierende Dioden oder Laser. Ein passives optisches Koppelelement (Sternkoppler) führt die wellenlängendiskreten Signale der einzelnen Kanäle zusammen und übertragt sie als optisches Multiplexersignal. Am Empfangsort erfolgt die Aufteilung in die einzelnen Kanalsignale durch wellenlängenabhängige passive Filter oder opto-elektrische Empfangselemente.

Für die Verwendung von WDM sprechen zwei Gründe. Zum einen läßt sich die Kapazität der zugrundeliegenden Basistechnologie, wie zum Beispiel SDH, erhöhen, indem man mehrere Wellenlängen über die Glasfaser überträgt. Die Elektronik kann also in jedem Kanal mit einer jeweils eigenen Geschwindigkeit arbeiten, die heute bei 10 Gbit/s und 40 Gbit/s liegt. Zum anderen lassen sich in Kombination mit optischen Verstärkern größere Strecken ohne Zwischenregeneratoren realisieren.

Schrittweises Wachstum

Mit WDM als Übertragungstechnologie läßt sich eine Infrastruktur aufbauen, die bedarfsgerecht erweiterbar ist. Außerdem sind die Übertragungskapazitäten in beliebigen Teilbereichen des Netzes ausbaubar. Dies ist ein Vorteil, den keine andere Technologie bietet.

Für die flexiblen rein optischen Netze entwickelt Lucent auch Add/Drop-Multiplexer bzw. Abzweigmultiplexer. Bei Add/Drop-Multiplexern wird bereits im Vorfeld bestimmt, welche Wellenlängen bei jedem Netzknoten abgezweigt werden und welche hinzukommen. Denn bestimmte Signale will man nicht über die gesamte Strecke übertragen.

Beispiel WaveStar 400 Gbit/s

Das WaveStar 400G-System von Lucent ist ein Optical-Line-System in DWDM-Technik. Das WaveStar-System basiert auf den patentierten Forschungsarbeiten der Bell Laboratories und kombiniert in einer einzigen Glasfaser bis zu 80 optische Kanäle mit einer Übertragungskapazität von je 2,5 Gbit/s. Dabei liefert das System höchste Übertragungsleistungen über Strecken von bis zu 640 Kilometer.

Im Vergleich zu bestehenden Systemen, die heute eine maximale Übertragungskapazität von 80 Gbit pro Sekunde über eine Glasfaser erlauben, stellt das 400-Gbit/s-System die nächste Entwicklungsstufe dar. Damit wurde aus der DWDM-Technik (Dense Wavelength Division Multiplexing) die UWDM-Technik (Ultra-Dense Wave Division Multiplexing).

Mit neuem 1.6-Tbit/s-System 320 Mio. E-Mails gleichzeitig über optisches Netz

Der WaveStar OLS 1.6T bietet eine skalierbare und flexible Lösung für Fernverkehrsanwendungen und baut auf der technologischen Plattform des OLS-800G-Systems auf. Dabei handelt es sich um ein DWDM-System, mit einer Übertragungsrate von 800 Gbit/s. Mit der DWDM-Technologie läßt sich die Kapazität von Netzen erhöhen, da sie Daten auf mehreren Wellenlängen über eine Glasfaser überträgt. Hierbei ist jeder Wellenlänge ein eigener Datenstrom zugeordnet. Der WaveStar OLS 800G überträgt bis zu 320 2,5-Gbit/s-Kanäle bzw. 80 10-Gbit/s-Signale. Das WaveStar OLS 800G läßt sich mit einem Compiler/Splitter so erweitern, das es sich für Übertragungsraten im Terabit-Bereich eignet.

Der WaveStar OLS 1.6T ermöglicht die Übertragung von bis zu 160 10-Gbit/s-Kanälen je Faser. Das entspricht der Übertragung von 320 Millionen einseitigen E-Mails pro Sekunde. Erreicht wird diese Kapazität mit dem optischen "L-Band"-Verstärker von Lucent, mit dem Netzbetreiber ihre Daten in vorher nicht genutzten Frequenzbereichen übertragen.

Lambda Router für rein optische Netze

Die erste rein optische Vermittlung , der WaveStar Lambda Router eröffnet die Ära der rein optischen Kommunikationsnetze. Das neue System hat eine Gesamtvermittlungskapazität von mehr als 10 Terabit pro Sekunde. Mikroskopische Spiegel lenken die optischen Signale verzögerungsfrei zwischen den Glasfasern eines Netzes. Da dieser Vorgang ohne Umwandlung in elektrische Signale stattfindet, lassen sich bis zu einem Viertel der Betriebskosten sparen.

Der Lambda Router basiert auf der MicroStar-Technologie der Bell Labs, dem Forschungs- und Entwicklungszentrum von Lucent. Trotz der enormen Leistungsfähigkeit dieser Technologie ist der Platzbedarf äußerst gering. In der Vermittlung sind winzige mikromechanische Spiegel so angebracht, das jeder einzelne von ihnen nur für eine Wellenlänge zuständig ist. Ausgangsseitig läßt sich dann durch entsprechendes Verstellen der Spiegel eine einzelne Wellenlänge zu einer beliebigen von bis zu 256 Glasfasern weiterleiten. Alle 256 Spiegel sind dabei auf einem Siliziumstück mit einer Größe von weniger als 6 cm² untergebracht. Im Vergleich mit heutigen elektrischen Systemen ermöglicht diese kompakte Struktur eine mehr als 32mal höhere Vermittlungsdichte.

MicroStar-Technologie

Das im Lambda Router eingesetzte Bandbreitenmanagement der optischen Schichten basiert auf der MicroStar-Technologie, die auf den mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) der Bell Labs aufbaut. Die MicroStar-Technologie ermöglicht den Aufbau von relativ großen Vermittlungsstrukturen mit Schaltgeschwindigkeiten im Sub-Millisekunden-Bereich. Die resultierenden Produkte zeichnen sich zudem durch ihre kompakten Abmessungen aus. MicroStar arbeitet mit Hunderten elektrisch ausgerichteter mikroskopischer Spiegel, die alle auf einem einzigen Substrat installiert sind und Lichtstrahlen gerichtet leiten können. Das Vermittlungskonzept basiert auf frei beweglichen Spiegeln, die um maschinell hergestellte Mikroscharniere drehbar gelagert sind. Alle optischen Verbindungen zu den Arbeits- und Ersatzspiegeln sind leicht zugänglich und können vor Ort rekonfiguriert werden.

Zusammenfassung

Im Zeitalter der Wissens- und Informationsgesellschaft nimmt die Netzinfrastruktur eine Schlüsselposition ein. Alle steuerbaren und an das Kommunikationsnetz anschließbaren Geräte beinhalten mikroelektronische Bauelemente. Durch die Komplexität der Anforderungen müssen immer mehr Funktionen auf immer engerem Raum Platz finden. Neben der erhöhten Packungsdichte ist auch dem immer größeren Datendurchsatz durch breitbandigere Systeme Rechnung zu tragen. Auch der erst am Anfang stehende Aufbau von rein optischen Netzen erfordert Neuentwicklungen von rein optischen Baugruppen, zu denen vor allem Abzweigmultiplexer gehören.

Dr. Norbert Hahn, Lucent Deutschland
http://www.lucent.de/