مدولاسیون موج اجازه می دهد تا سیگنال های آنالوگ یا دیجیتال را تا چند گیگاهرتز (GHZ) یا گیگابیت بر ثانیه (Gbps) بر روی یک حامل با فرکانس بسیار بالا، معمولاً 186 تا 196 تراهرتز، انتقال دهد. در واقع، با استفاده از چندین امواج حامل که بدون برهم­کنش قابل توجهی روی یک فیبر منتشر می ­شوند، می­توان نرخ بیت را به مراتب افزایش داد. بدیهی است که هر فرکانس مربوط به طول موج متفاوتی است. مولتی پلکس طول موج متراکم (DWDM[1]) برای فاصله فرکانسی بسیار فشرده و نزدیک رزرو شده است. در اینجا به مقدمه­ های بر تکنولوژی DWDM و اجزای سیستم آن را می­ پردازیم.

معرفی تکنولوژی DWDM

تکنولوژی DWDM توسعه­ای برای شبکه­ های نوری است. دستگاه­ های DWDM (مولتی پلکسر-Mux) خروجی چندین فرستنده نوری را برای انتقال از طریق یک فیبر نوری ترکیب می­کنند. در هنگام دریافت، یک دستگاه DWDM دیگر (دی مولتی پلکسر -Demux) سیگنال ­های نوری ترکیبی را جدا کرده و هر کدام از آنها را به گیرنده نوری مربوطه ارسال می­کند. فقط یک فیبر نوری بین دستگاه های DWDM (در هر جهت انتقال) استفاده می شود. به جای نیاز به یک فیبر نوری برای هر جفت فرستنده و گیرنده، DWDM به چندین کانال نوری اجازه می­ دهد تا یک کابل فیبر نوری را اشغال کنند.

یک مزیت کلیدی DWDM این است که پروتکل و نرخ بیت مستقل است. شبکه­ های مبتنی بر DWDM می ­توانند داده­ ها را در IP، ATM، SONET، SDH و Ethernet انتقال دهند؛ بنابراین، شبکه‌های مبتنی بر DWDM قادرند انواع مختلفی از ترافیک ­ها را با سرعت‌های متفاوت در یک کانال نوری حمل کنند. ارسال صوت، ایمیل، ویدئو و داده ­های چند رسانه ه­ای تنها نمونه هایی از سرویس­ هایی هستند که می توانند به طور هم‌زمان در سیستم­ های DWDM منتقل شوند. سیستم‌های DWDM دارای کانال‌هایی در طول موج‌های با فاصله­ گذاری 0.4 یا 0.8 نانومتر فاصله می ­باشند.

DWDM نوعی از مولتی پلکس تقسیم فرکانسی (FDM) است. لیزرها قادر به ایجاد پالس­ های نور با طول موج بسیار دقیق هستند. هر طول موج نور می ­تواند کانال متفاوتی از اطلاعات را نشان دهد. با ترکیب پالس­ های نوری طول موج­ های مختلف، کانال­ های زیادی را می ­توان به طور هم‌زمان از یک فیبر منفرد منتقل کرد. سیستم­ های فیبر نوری از سیگنال ­های نوری در باند مادون قرمز (طول موج 1 میلی­متر تا 750 نانومتر) طیف الکترومغناطیسی استفاده می­کنند. فرکانس های نور در محدوده نوری طیف الکترومغناطیسی معمولاً با طول موج آنها شناسایی می شوند، اگرچه فرکانس شناسایی خاص تری را ارائه می دهد.

لطفاً مقاله "ماکسپوندر در مقابل ترانسپوندر: تفاوت آنها در شبکه OTN چیست؟ " را مطالعه بفرمایید.

مولفه­ های سیستم DWDM

یک سیستم DWDM به طور کلی از پنج مؤلفه تشکیل شده است: فرستنده/گیرنده­ های نوری، فیلترهای DWDM Mux/DeMux، مولتی ­پلکسرهای Add/Drop نوری (OADMs)، تقویت­ کننده ­های نوری، ترانسپوندرها (مبدل های طول موج).

فرستنده/گیرنده­ های نوری

فرستنده­ ها به عنوان یکی از اجزای DWDM تعریف می ­شوند زیرا سیگنال­ های منبع را فراهم کرده که سپس مالتی پلکس می­شوند. ویژگی ­های فرستنده­ های نوری مورد استفاده در سیستم ­های DWDM برای طراحی سیستم بسیار مهم است. چندین فرستنده نوری به عنوان منبع نور در یک سیستم DWDM استفاده می شود. بیت ­های داده الکتریکی دریافتی (0 یا 1) مدولاسیون یک جریان نور را تحریک می­کنند (به عنوان مثال، فلش نور=1، عدم وجود نور=0). لیزر پالس های نور ایجاد می کند. هر پالس نوری دارای طول موج دقیق (لامبدا) است که در نانومتر (nm) بیان می­شود. در یک سیستم مبتنی بر حامل نوری، جریانی از اطلاعات دیجیتال به یک دستگاه لایه فیزیکی ارسال می‌شود که خروجی آن منبع نور (LED یا لیزر) است که با کابل فیبر نوری ارتباط برقرار می‌کند. این دستگاه سیگنال دیجیتال ورودی را از الکتریکی (الکترون) به فرم نوری (فوتون) (الکتریکی به نوری، E-O) تبدیل می ­کند. یک­ ها و صفرهای الکتریکی منبع نوری را فعال می­ کنند که نوری (مثلاً نور = 1، نور کم یا بدون نور = 0) را به درون هسته فیبر می تاباند. تبدیل E-O تأثیری بر ترافیک ندارد. فرمت سیگنال دیجیتال اصلی بدون تغییر باقی می­ماند. پالس­های نور از طریق انعکاس درونی در فیبر منتشر می­ شوند. در پایانه دریافت، یک سنسور نوری دیگر (فتودیود) پالس­ های نور را تشخیص داده و سیگنال نوری ورودی را به شکل الکتریکی تبدیل می­کند. یک جفت فیبر معمولاً هر دو دستگاه (یک فیبر ارسال، یکی فیبر دریافت) را به هم متصل می­ کند.

سیستم­ های DWDM به طول موج­ های بسیار دقیق نور نیاز دارند تا بدون اعوجاج بین کانالی یا تداخل کار کنند. معمولاً چندین لیزر جداگانه برای ایجاد کانال‌های مجزا در یک سیستم DWDM استفاده می‌شود. هر لیزر در طول موج اندک متفاوتی عمل می­کند. سیستم­ های مدرن با فاصله بین کانالی 50، 100 و 200 گیگاهرتز کار می کنند. سیستم های جدیدتری که از فاصله 25 گیگاهرتز و فاصله 12.5 گیگاهرتز پشتیبانی می کنند در حال بررسی هستند. به طور کلی، ترنسیور DWDM (DWDM SFP، DWDM SFP+، DWDM XFP و غیره) که در فرکانس‌های 100 و 50 گیگاهرتز کار می‌کنند، امروزه در بازار یافت می‌شوند.

فیلترهای DWDM Mux/Demux

طول موج­ های مختلف (همه در باند 1550 نانومتر) ایجاد شده توسط فرستنده ­های مختلف و کار بر روی فیبرهای متفاوت، به وسیله یک فیلتر نوری (فیلتر Mux) روی یک فیبر ترکیب می­شوند. سیگنال خروجی مالتی ­پلکسر نوری به عنوان سیگنال ترکیبی شناخته می­شود. در پایانه دریافت، یک فیلتر نوری دراپ (فیلتر DeMux) تمام طول موج‌های جداگانه سیگنال ترکیبی را به فیبرهای مجزا جدا می‌کند. فیبرهای منفرد، طول موج­ های دی مالتی پلکس شده را به همان تعداد گیرنده نوری ارسال می ­کنند. به طور معمول، اجزای Mux و Demux (ارسال و دریافت) در یک محفظه واحد قرار می­گیرند. تجهیزات نوری Mux/DeMux می ­توانند پسیو باشند. سیگنال­ های تکی به صورت نوری و نه به صورت الکترونیکی مالتی پلکس و دی مالتی پلکس می­شوند، بنابراین هیچ منبع تغذیه خارجی مورد نیاز نیست. شکل زیر عملیات DWDM دو طرفه است. N پالس نور از N طول موج­های مختلف که توسط N فیبر مختلف حمل می ­شود توسط یک DWDM Mux ترکیب می ­شوند. N سیگنال­ روی یک جفت فیبر نوری مالتی پلکس می ­شوند. یک DWDM Demux سیگنال ترکیبی را دریافت کرده و هر یک از N سیگنال را جدا می­کند و هر کدام را به یک فیبر می­ دهد. فلش­ های سیگنال ارسالی و دریافتی نشان دهنده تجهیزات سمت مشتری است. در این مثال نیاز به استفاده از یک جفت فیبر نوری وجود دارد. یکی برای ارسال و دیگری برای دریافت.

مالتی ­پلکسرهای نوری Add/Drop

مالتی ­پلکسرهای نوری Add/Drop (به عنوان مثال OADM) در مقایسه با فیلترهای Mux/Demux عملکرد متفاوت «Add/Drop» را دارند. شکل زیر عملکرد یک DWDM OADM تک کاناله را نشان می­ دهد. این OADM فقط برای افزودن یا خارج کردن سیگنال ­های نوری با طول موج خاص طراحی شده است. از چپ به راست، یک سیگنال ترکیبی ورودی به دو قسمت خروجی (Drop) و عبوری(Pass-through) تقسیم می شود. OADM فقط جریان سیگنال نوری قرمز را حذف می­کند. جریان سیگنال خارج­شده به گیرنده دستگاه مشتری ارسال می­شود. سیگنال‌های نوری باقی‌مانده که از OADM عبور می‌کنند با یک جریان سیگنال افزوده جدید مالتی پلکس می‌شوند. OADM یک جریان سیگنال نوری قرمز جدید اضافه می کند که در همان طول موج سیگنال خارج ­شده عمل می­ کند. جریان سیگنال نوری جدید با سیگنال ­های عبوری ترکیب می شود تا یک سیگنال ترکیبی جدید را شکل دهد.

OADM برای عملکرد در طول موج­ های DWDM که DWDM OADM نامیده می ­شود، طراحی شده است؛ در حالی که عملکرد در طول موج ­های CWDM، CWDM OADM نامیده می­شود. هر دوی آنها اکنون در بازار یافت می­ شوند.

تقویت کننده­های نوری

تقویت‌کننده‌های نوری با تحریک مستقیم فوتون‌های سیگنال با انرژی اضافی، دامنه را تقویت می‌کنند یا بهره سیگنال‌های نوری را که از فیبر عبور می‌کنند، افزایش می‌دهند. تقویت کننده­ های نوری سیگنال­ های نوری را در طیف وسیعی از طول موج ­ها تقویت می­ کنند. این برای کاربرد سیستم DWDM بسیار مهم است. تقویت کننده­ های فیبر اربیوم اندود شده (EDFA) رایج ­ترین نوع تقویت­ کننده­ های فیبر نوری هستند. EDFAهای مورد استفاده در سیستم های DWDM در مقایسه با مواردی که در سیستم های CATV یا SDH استفاده می شوند، گاهی اوقات DWDM EDFA نامیده می­شوند. برای افزایش مسافت ارسال سیستم DWDM خود، می­توانید از بین انواع تقویت کننده­ های نوری، از جمله DWDM EDFA، CATV EDFA، SDH EDFA، EYDFA و Raman Amplifier و غیره انتخاب کنید. شکل زیر عملکرد یک DWDM EDFA را نشان می ­دهد.

ترنسپوندرها (مبدل ­های طول موج) / OEO

ترنسپوندرها سیگنال­ های نوری را از یک طول موج ورودی به طول موج خروجی دیگری مناسب برای کاربردهای DWDM تبدیل می­کند. ترنسپوندرها مبدل­ های طول موج نوری - الکتریکی - نوری (O-E-O) هستند. یک ترانسپوندر یک عملیات O-E-O را برای تبدیل طول موج­ های نور انجام می دهد، بنابراین برخی افراد آنها را به اختصار "OEO" نامیدند. در سیستم DWDM، یک ترانسپوندر سیگنال نوری مشتری را دوباره به سیگنال الکتریکی (O-E) تبدیل می‌کند و سپس عملکردهای 2R (تقویت مجدد، شکل­دهی مجدد) یا 3R (تقویت مجدد، شکل­دهی مجدد و زمان­بندی مجدد) را انجام می‌دهد. شکل زیر عملکرد ترنسپوندر دوجهته را نشان می­دهد. یک ترنسپوندر WDM بین یک دستگاه مشتری و یک سیستم DWDM قرار می­گیرد. از چپ به راست، ترنسپوندر یک جریان بیت نوری را دریافت می­کند که در یک طول موج خاص (به طور مثال 1310 نانومتر) کار می­کند. ترنسپوندر طول موج کاری جریان بیت ورودی را به طول موج مطابق با ITU تبدیل کرده و خروجی خود را به یک سیستم DWDM منتقل می­کند. در سمت دریافت (راست به چپ)، روند برعکس است. ترنسپوندر یک جریان بیتی مطابق با ITU دریافت کرده و سیگنال­ها را به طول موج مورد استفاده دستگاه مشتری تبدیل می­کند.

ترنسپوندرها به طور کلی در سیستم­های WDM (2.5 تا 40 گیگابیت بر ثانیه) مورد استفاده قرار می­ گیرند، نه تنها سیستم ­های DWDM بلکه سیستم­ های CWDM و ترنسپوندهای WDM (مبدل‌های OEO) می‌توانند با پورت‌های ماژول مختلفی (SFP به SFP، SFP+ به SFP+، XFP به XFP و غیره) ارائه شوند.

چگونه مولفه­ های سیستم DWDM با تکنولوژی DWDM کار می­کنند؟

از آنجایی که یک سیستم DWDM از این پنج جزء تشکیل شده است، چگونه با هم کار می کنند؟ مراحل زیر پاسخ را نشان می ­دهد (همچنین می توانید کل ساختار یک سیستم DWDM اساسی را در شکل زیر مشاهده کنید):

1) ترانسپوندر ورودی را به صورت یک پالس لیزری استاندارد تک مد یا چند مد می­پذیرد. ورودی می­تواند از مدیاهای فیزیکی مختلف و پروتکل­ ها و ترافیک ­های متفاوت باشد.

2) طول موج سیگنال ورودی ترنسپوندر به طول موج DWDM نگاشت می ­شود.

3) طول موج­های DWDM از ترنسپوندر با سیگنال ­هایی از اینترفیس­های دیگر مالتی پلکس می­ شوند تا یک سیگنال نوری ترکیبی را تشکیل دهند که بر روی فیبر ارسال می­ شود.

4) یک تقویت کننده پسین (تقویت کننده بوستر) قدرت سیگنال نوری را با خروج از مالتی پلکسر افزایش می­دهد.

5) یک OADM در یک مکان دور برای خارج و اضافه کردن جریان بیت با طول موج خاص استفاده می­ شود.

6) در صورت نیاز می­توان از تقویت­ کننده­ های نوری اضافی در طول دهانه فیبر (تقویت­ کننده خطی) استفاده کرد.

7) یک پیش تقویت­ کننده سیگنال را قبل از ورود به دی مالتی‌پلکسر تقویت می­کند.

8) سیگنال دریافتی به طول موج­ های جداگانه DWDM تبدیل می­شود.

9) لامبداهای مجزا DWDM یا به نوع خروجی مورد نیاز به وسیله ترانسپوندر نگاشت شده یا مستقیماً به تجهیزات سمت مشتری ارسال می ­شوند.

با استفاده از تکنولوژی DWDM، سیستم­ های DWDM پهنای باند را برای مقادیر زیادی داده فراهم می­کنند. در واقع، ظرفیت سیستم‌های DWDM با پیشرفت فناوری‌هایی که فاصله بین کانالی کوچک‌تر و در نتیجه تعداد طول‌موج‌ بیشتر را ممکن می‌سازد، در حال افزایش است. اما DWDM همچنین در حال حرکت فراتر از انتقال است تا به اساس شبکه­ های تمام نوری با تأمین طول موج و حفاظت مبتنی بر مش تبدیل شود. سوئیچینگ در لایه فوتونیک این تحول را ممکن می‌سازد، همان‌طور که پروتکل‌های مسیریابی که به مسیرهای نور اجازه می‌دهند شبکه را به همان روشی که مدارهای مجازی امروزی انجام می‌دهند، طی کنند. با توسعه تکنولوژی‌ها، سیستم‌های DWDM ممکن است به مولفه­های پیشرفته‌ تری برای بهره ­مندی از مزایای بیشتر نیاز داشته باشند.

[1] Dense Wavelength Division Multiplexing