Våglängdsmultiplexering

Bandbredd i kommunikation är som garderobsutrymme i ditt hem - du kan aldrig få nog. Och internettrafiken gör att efterfrågan på kommunikationskapacitet växer snabbare än garderoben för en tonåring med ett kreditkort utan begränsningar. Bandbreddskrävande megabyte av animerad grafik ersätter kompakta e-postmeddelanden. Data, video och röstsignaler trängs överföringssystem som hade gott om utrymme för bara några år sedan. Kommunikationsbranschen behöver utrymme att andas.

Det är precis vad en ny generation av fiberoptisk teknik ger nätverk som det passande namnet Project Oxygen. Neil Tagare, grundare av CTR Group i Woodcliff Lake, N.J., valde det namnet för det globala nätverket eftersom han ansåg att den enorma bandbredden som den nya tekniken erbjuder var lika viktig för telekommunikation som syre för livet självt. Genom att skicka signaler med 16 olika våglängder genom vart och ett av fyra par optiska fibrer kommer Project Oxygen att bära 640 gigabit per sekund (Gbit/s) över hela hav. Det motsvarar 10 miljoner samtidiga telefonsamtal – tillräckligt för att varje person i Ungern eller Belgien ska kunna ringa USA samtidigt.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 1999

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Tekniken som gör denna nya bandbredd möjlig kallas våglängdsmultiplexering, eller WDM, och den representerar den andra stora fiberoptiska revolutionen inom telekommunikation. Den första kom under 1980-talet, när telefonbolag spetsade USA och andra länder med fibrer för att skapa en global ryggrad av informationspipelines som kunde bära mycket mer data än de koppartrådar och mikrovågslänkar som de ersatte. WDM tar denna fördel ett gigantiskt steg ytterligare och multiplicerar den potentiella kapaciteten för varje fiber genom att fylla den med inte bara en utan många våglängder av ljus, var och en kan bära en separat signal.

Våglängdsmultiplexering har uppstått ganska bekvämt, eftersom äldre fiberkablar började fyllas, säger Richard Mack, vice VD på KMI Corp., ett Newport, R.I.-baserat marknadsanalytikerföretag som specialiserat sig på fiberoptik. Genom att dra fördel av WDM har långdistansoperatörer som AT&T och MCI kunnat undvika att lägga dyra nya kablar; istället pumpar de helt enkelt ytterligare våglängder genom befintliga fibrer.

WDM-revolutionen har anlänt med oväntad snabbhet. För ett decennium sedan, påpekar Mack, sa folk att det fanns en överflöd av fiberkapacitet. För att ge utrymme för expansion hade telefonbolagen lagt kablar innehållande 24 till 36 fibrer, många hölls i reserv som mörka fibrer. Varje fiber bar hundratals megabit per sekund på en enda våglängd. Sedan dess har operatörerna höjt datahastigheterna till 2,5 Gbit/s och tänt de flesta mörka fibrerna. Men den enorma trafikökningen har trängt dessa kablar som en gång verkade så omfattande. Det verkar som om garderoberna snabbt packas till takbjälken - och saker rinner ut på golvet. Telefonanvändningen står för en viss ökning, inklusive spridningen av faxar och mobiltelefoner. Men den mest dramatiska tillväxten har kommit från internettrafiken, som ungefär fördubblas varje år.

Vad som också är tydligt är att det inte finns något slut i sikte på den skyhöga efterfrågan, särskilt om, som många experter tror, ​​tvåvägsvideokommunikation blir vanligare. Kommunikationsbranschen genomgår en omställning som om några år kommer att ge oss digital video för vår dagliga användning hemma och på jobbet, säger Shahab Etemad, som leder WDM-överföringsutvecklingen på Morristown, N.J.-baserade Bell Communications Research, eller Bellcore. (Bellcore var ursprungligen forskningsgrenen för de lokala och regionala telefonbolagen, Bellcore fungerar nu som ett konsultföretag för nätverkshantering med en mängd olika företagskunder.) Etemad förväntar sig att förändringen från rösttelefoni till digital data tung med video kommer att kräva multiplicering av stamnätsöverföringskapaciteten med ca. en faktor på 200 - och, insisterar han, WDM måste spela den ledande rollen för att möta den ökade efterfrågan.

Tack vare framstegen inom WDM-metoder har fiber gjort ett bra jobb för att hålla jämna steg med denna explosion i efterfrågan. Enligt David Clark, senior forskare vid MIT:s laboratorium för datavetenskap, växer förmågan att få bitar av en fiber snabbare än Moores lag, som förutspår en fördubbling av datorkraft var 18:e månad. För närvarande, konstaterar Clark, fördubblas bärförmågan för fiber var 12:e månad.

Gör det med Erbium

Termen våglängdsmultiplexering stinker av teknisk jargong, men konceptet är enkelt: sänder samtidigt separata signaler genom samma fiber vid olika våglängder. Samma idé utgör grunden för radio- och tv-sändningar, där varje station sänder ut sin signal på en tilldelad våglängd i radiofrekvensspektrumet. De flesta tänker förstås i termer av frekvens istället, men de två värdena är oupplösligt bundna av deras förhållande till ljusets hastighet. (Till exempel motsvarar 100 megahertz på FM-ratten en våglängd på cirka 3 meter.)

Samma principer fungerar för ljuset som går genom en optisk fiber som för radiovågor som sänds genom luft. Optiska fibrer sänder bäst vid de osynliga, nära infraröda ljusvåglängderna mellan 1,3 och 1,6 mikrometer - ungefär dubbelt så mycket våglängd som rött ljus.

Om WDM är både okomplicerat och en idé som har funnits – varför har det först nyligen blivit praktiskt? Det största hindret har varit bristen på lämpliga förstärkare. Ljussignaler som färdas genom även de mest transparenta optiska fibrerna bleknar till oupptäckbara nivåer efter ett par hundra kilometer. Under större delen av den tid fiberoptik har funnits, var det enda sättet att spänna över fibrer längre än så att regenerera signalen genom en optoelektronisk process: En fotodetektor skulle omvandla strömmen av försvagade ljuspulser till en spänningssignal som kan förstärkas elektroniskt ; denna förstärkta signal modulerade en lasersändare.

Problemet är att ljusdetektorer inte skiljer mellan våglängder - de förvränger signaler i olika färger, ungefär som dina öron har svårt att urskilja vad som sägs om två personer pratar samtidigt. För att optoelektroniska system ska fungera med flera våglängder måste de ha ett sätt att separera våglängderna optiskt, med hjälp av filter eller andra liknande element, vilket gör att varje signal kan passera genom sin egen regenerator. Tills nyligen har det dock visat sig opraktiskt.

Denna begränsning försvann med uppfinningen av en teknik för att öka signalljusets intensitet direkt, utan behov av ett mellanliggande elektroniskt steg. Nyckeln i tekniken är något som kallas en erbiumdopad fiberförstärkare. Dessa enheter, som utvecklades i slutet av 1980-talet, gjorde WDM-revolutionen möjlig.

Till skillnad från en regenerator arbetar en fiberförstärkare direkt på ljus. Ljus i den svaga insignalen stimulerar exciterade erbiumatomer i fibern att avge mer ljus vid samma våglängd. Kedjor av optiska förstärkare kan kombineras för att transportera signaler genom tusentals kilometer av fiberoptisk kabel på land eller under havet - utan regeneratorer. Eftersom de bevarar våglängden för de optiska signalerna kan erbiumfiberenheter förstärka flera olika våglängdskanaler samtidigt utan att förvränga dem. Erbiumförstärkare fungerar bra över det nära-infraröda området av det spektrum där fiberoptiska system fungerar.

På land och i havet

Långdistanstelefonföretag var de första att inse att våglängdsmultiplexering kunde minska kostnaderna för bandbredd. Jämfört med alternativet att lägga till ny fiber ger WDM-tekniken ett mycket effektivare sätt att lägga till kapacitet, enligt Dana Cooperson, optisk nätverksanalytiker för RHK Inc., ett marknadskonsultföretag i South San Francisco. Att lägga ny kabel är dyrt och tidskrävande. Och att gräva ner ny kabel längs samma sträcka som redan är upptagen av en äldre kabel är riskabelt - ny grävning inbjuder till kabelbrott som kan sätta hela systemet ur drift.

Teleoperatörernas önskan att spara tid och pengar har drivit på en snabb utveckling av WDM-tekniker. I mitten av 1990-talet började transportföretagen använda system som sänder vid fyra våglängder och höjde snart antalet till åtta. Utvecklare skivade snabbt spektrumet ännu finare för att pressa 16 våglängdskanaler genom en enda fiber för vad som har blivit känt som tät WDM.

När transportörerna såg behovet var tillverkarna lika snabba att känna av marknaden. Lucent Technologies från Murray Hill, N.J., anpassad teknologi som utvecklats vid Bell Labs dotterbolag. Ciena, ett Linthicum, Md., företag som grundades 1992, laddade snabbare framåt och levererade sitt första kommersiella 16-kanalssystem 1996 - nästan samtidigt som AT&T spinoff. Andra telekomjättar runt om i världen följde efter, inklusive Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu och Ericsson. Under de senaste två till tre åren har flera företag - inklusive Ciena, Lucent och Nortel i Saint-Laurent, Que. - börjat marknadsföra system som delar upp erbiumförstärkarspektrumet i 32 eller 40 skivor, var och en endast 0,8 nanometer bred. I september förra året levererade Lucent sitt första 80-kanalssystem till AT&T. Pirelli Cable of Lexington, S.C., följt av att utlova en 128-kanalsversion, men hade inte levererat hårdvara i mitten av januari.

Telekommunikationsoperatörer behöver inte alla dessa kanaler idag - och tack vare WDM:s inneboende modularitet behöver de inte köpa fler kanaler förrän de är redo. En operatör som installerar ett WDM-system kan börja med endast de sändare och mottagare som behövs för de få initiala kanalerna. Senare, när efterfrågan på kapacitet ökar, kan ytterligare utrustning kopplas in för att öppna upp för nya våglängder.

Att dra full nytta av WDM kräver ofta uppgradering av äldre kablar genom att lägga till komponenter som kompenserar för en besvärlig effekt som kallas kromatisk dispersion. Detta hänvisar till tendensen hos en kort ljuspuls att sträcka sig ut när den färdas genom en fiber på grund av det faktum att vissa våglängder färdas snabbare än andra. Dispersion smetar ihop ljuspulser och begränsar därför överföringshastigheten. Att undvika detta fenomen är särskilt viktigt i undervattenskablar, där ljussignaler måste färdas genom flera tusen kilometer fiber från land till land. Nya installationer kan utnyttja fibrer designade för optimal WDM-prestanda, nyligen utvecklade både av Lucent och av Corning (Corning, N.Y.).

Förra året började den första stora undervattenskabeln designad för drift med flera våglängder, kallad Atlantic Crossing 1, skicka 2,5 Gbit/s med fyra våglängdskanaler på vart och ett av dess fyra fiberpar. Kapaciteten för det här systemet kan uppgraderas till 16 våglängder per fiber vid den hastigheten, säger Patrick R. Trischitta, chef för teknisk marknadsföring på Tyco Submarine Systems Laboratories i Holmdel, NJ. Det lovar totalt 160 Gbit/s genom kabeln, en slinga som förbinder USA med Storbritannien, Nederländerna och Tyskland.

Project Oxygen höjer ribban. Nyare WDM-teknik kommer att bära 10 Gbit/s vid var och en av 16 våglängder över havet i fyra fiberpar, en total kapacitet på 640 Gbit/s per kabel. Det är mer än 1 000 gånger kapaciteten för den första transatlantiska fiberoptiska kabeln, som började användas för bara ett decennium sedan. Hela systemet kommer i slutändan att omfatta 168 000 kilometer kabel som räcker för att cirkla runt jorden fyra gånger. Andra grupper planerar fler sjökabelsystem, även om ingen är så ambitiös. Det är inte konstigt att MIT:s Clark förutspår, Vi kommer att drunkna i fiber.

På land har regionala telefonbolag precis börjat använda våglängdsmultiplexering. Förra året började Bell Atlantic testa WDM på en 35 kilometer lång kabel mellan Brunswick och Freehold, N.J., säger Robert A. Gallo, Bell Atlantic-ingenjören som ansvarar för försöket. Fyra kanaler bar vardera signaler med hastigheter till 2,5 Gbit/s - den högsta hastigheten mellan företagsbyten - och det Ciena-byggda systemet har platser för upp till 16 våglängdskanaler. Bell South testade tre av 16 kanaler i ett liknande system på en kabel som sträcker sig 80 kilometer mellan Grenada och Greenwood, Miss. Ekonomin är klar: Det är billigare att lägga till WDM-kapacitet än att lägga till ny fiber, säger RHK-analytiker Cooperson.

Andra regler gäller för de kortare kablarna som länkar växelkontor till stora företagskunder. Här, på den så kallade tunnelbanemarknaden, är kostnaden för att öka fiberantalet inte lika stor fråga eftersom körningarna är så mycket kortare, förklarar Cooperson. Ändå förbättrar WDM signalöverföringen på andra viktiga sätt. En är genom att bära signaler i sina ursprungliga digitala format snarare än att konvertera dem till den digitala kodning som används inom telefonnätet. Eftersom en sådan omvandling kräver kostsam elektronik kan det vara billigare att dedikera en våglängd för änd-till-ände-överföring i originalformatet.

Möjligheten att sortera signaler efter våglängd bör effektivisera driften av framtida fiberoptiska nätverk. Traditionellt organiserar telefonbolag digitala signaler i en hierarki av bithastigheter och slår samman många bifloder med låg bithastighet till mäktiga digitala floder som bär gigabit per sekund. Detta packar bitar effektivt på transmissionsledningar, men kräver uppackning av hela bitströmmen för att extrahera individuella signaler. Om signalerna är organiserade efter våglängd kan dock enkel optik reta ut den önskade våglängdskanalen utan att störa de andra. Ingenjörer talar om att lägga till ett nytt optiskt lager till telekommunikationssystemet. Kunder kan hyra en våglängd i detta optiska lager istället för att hyra rätten att sända med en specifik datahastighet. En tv-station kan till exempel reservera en våglängd från sin studio till sin sändare och en annan till det lokala kabelbolaget - och sända båda signalerna i digitala videoformat som inte används i telefonnätet.

The Ultimate Squeeze

Eftersom efterfrågan på bandbredd inte visar några tecken på att sakta ner, funderar utvecklarna av WDM-system redan på hur man packar fler våglängder i samma fiber. För närvarande finns det två grundläggande tillvägagångssätt som undersöks - och gränserna för båda är uppenbara.

Ett tillvägagångssätt är att minska utrymmet mellan våglängderna, genom att välja våglängder som ligger närmare varandra för att bära mångfalden av signaler. Att packa våglängder närmare fungerar bra upp till en punkt, men det krockar i slutändan med grundläggande fysik. När bithastigheterna ökar blir optiska pulser kortare, och enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip tvingar denna förkortning ljussignalen att spridas över ett bredare våglängdsområde. Denna spridning kan orsaka interferens mellan tätt belägna kanaler. Lucents system med högsta kapacitet hanterar 10 Gbit/s på våglängdskanaler separerade med 0,8 nanometer men bara 2,5 Gbit/s när kanalavståndet halveras. Och få experter tror att kanaler kan pressas mycket tightare. Bland större leverantörer är det bara Hitachi Telecom i Norcross, Ga., som talar om att modulera enskilda kanaler med 40 Gbit/s - och medger att dessa signaler bara kan sträcka sig över begränsade avstånd.

Utsikterna ser bättre ut för det andra alternativet: att utöka utbudet av transmissionsvåglängder. Pirelli, till exempel, använder tre erbiumfiberförstärkare, optimerade för separata band mellan 1 525 och 1 605 nanometer, för att klämma in 128 våglängdskanaler med 10 Gbit/s vardera till en enda fiber. Lucent har demonstrerat erbiumförstärkare som täcker en liknande räckvidd i laboratoriet, och förra året introducerades en ny optisk fiber som öppnar upp ett länge försummat block av spektrumet runt 1 400 nanometer. Bra optiska förstärkare finns ännu inte tillgängliga för andra våglängder.

För att WDM ska nå sin fulla potential kommer det dock att behövas mer än att bara packa in ytterligare våglängder. Det kommer också att bli nödvändigt att utveckla bättre utrustning för att växla och manipulera de olika våglängderna efter att signalen kommer ut från det optiska röret. Optiska switchar närmar sig praktiska kommersiella tillämpningar, säger analytiker Mack på KMI. Han tillägger dock att för att helt efterlikna vad som händer i digitala korskopplingar måste du omfördela och omfördela våglängder. Det är omöjligt att allokera samma våglängd till en kund genom ett helt system eftersom det enorma nätverket har mycket fler kunder än det har våglängder.

Illustrationen nedan visar hur signaler från San Francisco och Cupertino anländer till Palo Alto med samma våglängd, båda på väg mot San Jose. Palo Alto-noden måste konvertera en signal till en annan våglängd för den sista delen av resan, så att meddelandena de bär inte blir hopplöst förvirrade. Våglängdsomvandling måste nu ta samma brute-force-tillvägagångssätt som regeneratorer, omvandla den optiska signalen till en elektronisk som kan driva en sändare vid den utgående våglängden. Helt optiska omvandlingsmetoder, medan de demonstreras i labbet, har ännu inte uppnått kommersiell praktisk tillämpning.

Även om dessa tekniska problem är lösta kommer det dock inte att räcka för att tekniken verkligen ska sprida sina vingar. För det måste priset också komma ner - en bana som insiders säger redan har blivit uppenbar. Adel Saleh, chef för forskningsavdelningen för bredbandsaccess vid AT&T Labs i Red Bank, NJ, projekterar att kostnaden per nätverksnod kommer att sjunka med en faktor 10 vart femte år, med start på 1 miljon dollar 1995. Under nästa år eller två, han säger, WDM kommer bara att vara ekonomiskt för stamnät. När kostnaden sjunker till 100 000 $ per nod, kommer tekniken att vara vettig för storstads- och regionala nätverk, från och med service till stora företag. Saleh förväntar sig att tillgång till bostäder i stora hyreshus kommer att följa efter att kostnaderna sjunkit till $10 000 per nod omkring 2005, med WDM som når enskilda hem när kostnaderna sjunker till omkring $1 000 under 2010.

Den verkliga styrkan med WDM ligger i hur det expanderar de optiska luftvägarna så att alla kan andas in mer av informationens syre. Vid radiotidens gryning skrek varje sändare över hela radiospektrumet och blockerade andra signaler under hela dess sändning. Sedan lärde sig ingenjörer att bygga kretsar som ställde in varje sändare till sin egen frekvens, vilket öppnade radiospektrumet för de många stationer vi kan höra idag. På ungefär samma sätt ersätter WDM en enda ström av svart-vita bitar med en mängd olika färgade signaler.

WDM skapar enorma nya informationspipelines som kommer att ge bättre service till lägre kostnad. Men den verkliga informationsrevolutionen kommer inte förrän billiga WDM-pipelines når enskilda bostäder. Dagens modemanslutningar förblir flaskhalsar, vilket tvingar oss att smutta på strömmen av data genom den elektroniska motsvarigheten till ett tunt plasthalm. Men gör dig redo: När fiber når hemmet kan din egen våglängd leverera en bubblande fontän av bitar.

Dölj