Optical-networks-optical-data-networking
光データネットワーキング
IP over WDMは、今日定義されているように、データネットワークと光ネットワークが提供できる機能の制限されたビューを課しています。 オプティカルレイヤでネットワーク機能を完全に使用することではなく、単一のプロトコルスタックによって導入される制約は、一部のネットワークアプリケーションに対して非常に制限されます。
上記のネットワークの傾向には、さまざまなプロトコルスタック、ネットワークアーキテクチャ、および保護と復元のオプションをクライアント信号に依存しない方法でサポートできる光ネットワークプラットフォームが必要です。 ポイントツーポイントWDMを介したPOSの選択は、高速データネットワークのネットワークアプリケーションの一部に最適ですが、すべてではありません。 また、これらの将来のデータネットワークを実装および展開するために選択された光プラットフォームは、新しい予期しないプロトコルスタックマッピングに容易に対応できることを保証する必要があり、中間プロトコル変換を必要とせずに光層ネットワークから同じネットワーク機能を受信できます。
光データネットワーキングは、プロトコルスタックとネットワークアーキテクチャの不均一性を低減しようとせず、不均一性を利用して特定のアプリケーションおよびネットワークプロバイダーセグメントごとにカスタマイズされたネットワークソリューションを提供する代替アプローチです。 光データネットワーキングは、サービス層とトランスポート層の両方でネットワーキング機能を組み合わせます。
光データネットワーキングの主要コンポーネント
OTNでサポートされるクライアント信号タイプの多様性に反映されるプロトコルスタックの多様性は、デジタルラッパーを使用することで対応できます。 真の光ネットワーク機能を使用すると、OChルーティング、障害およびパフォーマンスの監視、保護、復元を介して、柔軟性と堅牢性がさらに向上します。これらはすべて、OChごとに選択的に実行されます。 これらのすべての要素を組み合わせることで、将来性があり、データサービスプロバイダーの特定のビジョンに開かれた強力で柔軟なネットワークソリューションが実現します。
このテクノロジーは、費用対効果が高く、チャネル容量のアップグレード、チャネルの追加/削除、再ルーティングおよびトラフィック分散に対してより柔軟で、あらゆるタイプのネットワークトポロジと保護システムおよび同期をサポートします。 主なコンポーネントは次のとおりです-
- TP（トランスポンダー）
- VOA（可変光減衰器）
- MUX（マルチプレクサ）
- DEMUX（デマルチプレクサー）
- BA（ブースターアンプ）
- 回線（OFCメディア）
- LA（ラインアンプ）
- PA（プリアンプ）
- OSC（光監視チャネル）
トランスポンダ
このユニットは、STM-nワイドパルス光信号とMUX/DEMUX機器間のインターフェイスです。 この光信号は、同じ場所にあるか、さまざまな物理媒体、さまざまなプロトコル、およびトラフィックタイプから送信されます。 幅の広いパルス信号を、1.6 nmの間隔でナノメートル（nm）のオーダーの狭い波長（スポットまたは着色周波数）に変換します。 MUXに送信します。
逆方向では、DEMUXからのカラー出力がワイドパルス光信号に変換されます。 出力電力レベルは、両方向で+1〜-3 dBmです。 変換は、2Rまたは3R方式での光から電気および電気から光（OからEおよびEからO）です。
2Rでは、再生成と再整形が行われ、3Rでは、再生成、再整形、および再タイミングが実行されます。 TPは、両方の波長の色とビットレートに依存するか、調整可能です（高価で使用されません）。 ただし、2Rでは、任意のビットレート、PDH、STM-4、またはSTM-16がチャネルレートになる場合があります。 ユニットには、受信機の感度と過負荷点に関する制限があります。
中間の電気ステージにはアクセスできませんが、監視目的でSTN-nのオーバーヘッドバイトが利用されます。 このユニットは、ITU-T勧告G.957を介した光安全操作（ALS）もサポートしています。
可変光減衰器（VOA）
これは、システムにロードされているチャネルの数に関係なく、Muxユニットの個々のチャネルの光出力パワーが同じままになるように、EDFA帯域での信号レベルの均一な分布を調整するために必要なプリエンファシスのようなパッシブネットワークです。
光減衰器は、信号レベルを下げるために使用される単純なポテンショメータまたは回路に似ています。 減衰器は、たとえばリンクの信号レベルを変えることでビットエラーがどのように影響を受けるかを確認するために、パフォーマンステストを実行する必要がある場合に使用されます。 1つの方法は、図に示すように、光信号が異なる量の暗さでガラス板を通過してから光ファイバーに戻る、正確な機械的セットアップを行うことです。
ガラスプレートのグレー濃度は、一端が0％から他端が100％です。 プレートがギャップを横切って移動すると、多少の光エネルギーの通過が許可されます。 このタイプの減衰器は非常に正確で、あらゆる波長の光を処理できます（プレートは波長に関係なく同じ量の光エネルギーを減衰するため）が、機械的に高価です。
マルチプレクサー（MUX）およびデマルチプレクサー（De-MUX）
DWDMシステムは、単一のファイバーを介して複数のステーションから信号を送信するため、着信信号を結合する手段を含める必要があります。 これは、複数のファイバから光波長を取得してビームに収束するマルチプレクサの助けを借りて行われます。 受信側では、システムは光ビームの透過波長を分離して、それらを慎重に検出できる必要があります。
デマルチプレクサは、受信したビームを波長成分に分離し、個々のファイバに結合することにより、この機能を実行します。
マルチプレクサーとデマルチプレクサーは、設計上パッシブまたはアクティブのいずれかです。 パッシブデザインではプリズム、回折格子、またはフィルターを使用し、アクティブデザインではパッシブデバイスと調整可能なフィルターを組み合わせます。
これらのデバイスの主な課題は、クロストークを最小化し、チャネル分離（2つの隣接チャネル間の波長差）を最大化することです。 クロストークはチャンネルがどれだけうまく分離されているかを示す尺度であり、チャンネル分離は各波長を区別する能力を指します。
マルチプレクサー/デマルチプレクサーのタイプ
プリズムタイプ
プリズムを使用して、波長の多重化または逆多重化の単純な形式を実行できます。
多色光の平行ビームはプリズム表面に当たり、各成分の波長は異なって屈折します。 これは*虹効果*です。 出力光では、各波長は角度によって次から分離されます。 次に、レンズは各波長をファイバーに入る必要があるポイントにフォーカスします。 コンポーネントを逆に使用して、1つのファイバに異なる波長を多重化できます。
回折格子タイプ
別の技術は、回折と光学干渉の原理に基づいています。 多色光源が回折格子に当たると、各波長は異なる角度で、したがって空間の異なる点に回折されます。 次の図に示すように、レンズを使用して、これらの波長を個々のファイバーに集中させることができます。 *ブラッグ格子*は、波長選択ミラーとして使用でき、DWDMシステムでチャネルを追加およびドロップするために広く使用されている単純な受動部品です。
ブラッグ格子は、紫外線レーザービームを使用して、位相マスクを通してモノモードファイバーのコアを照射することによって作成されます。 ファイバーには、感光性を持たせるためにリン、ゲルマニウム、またはホウ素がドープされています。 光がマスクを通過した後、縞模様が生成され、ファイバに「印刷」されます。 これにより、ファイバーコアガラスの屈折率が恒久的に周期的に変調されます。 完成したグレーティングは、ブラッグ波長（高屈折率領域と低屈折率領域間の光学間隔の2倍に等しい）の光を反射し、他のすべての波長を透過します。
調整可能なブラッグ格子
ブラッグファイバーグレーティングは、圧電素子に接着できます。 素子に電圧を印加すると、素子が伸び、格子が伸び、ブラッグ波長がより長い波長にシフトします。 現在のデバイスは、150vの入力に対して2 nmのチューニング範囲を提供できます。
アレイ導波路回折格子
アレイ導波路回折格子（AWG）も回折原理に基づいています。 AWGデバイスは、光導波路ルーターまたは導波路回折格子ルーターとも呼ばれ、隣接するチャネル間の経路長に一定の差がある湾曲したチャネル導波路の配列で構成されます。 導波管は、入力および出力で空洞に接続されています。
光マルチプレクサ
光が入力キャビティに入ると、回折されて導波路アレイに入ります。 したがって、各導波路の光学的長さの差により、ファイバのアレイが結合されている出力キャビティに位相遅延が生じます。 このプロセスにより、出力ポートに対応するさまざまな場所で最大の干渉を持つさまざまな波長が得られます。
多層干渉フィルター
別の技術では、薄膜フィルターまたは多層干渉フィルターと呼ばれるデバイスで干渉フィルターを使用します。 光路に薄膜で構成されるフィルターを配置することにより、波長を逆多重化できます。 各フィルターの特性は、1つの波長を透過し、他の波長を反射するというものです。 これらのデバイスをカスケード接続することにより、多くの波長を逆多重化できます。
フィルタは、中程度のコストで良好な安定性とチャネル間の分離を提供しますが、高い挿入損失を伴います（AWGはフラットなスペクトル応答と低い挿入損失を示します）。 フィルターの主な欠点は、温度に敏感であり、すべての環境で実際に使用できるわけではないことです。 ただし、それらの大きな利点は、多重化操作と逆多重化操作を同時に実行するように設計できることです。
OMのカップリングタイプ
カップリングOMは、相互にはんだ付けされた2本以上の繊維と相互作用する表面です。 通常、これはOMに使用され、その動作原理は次の図に示されています。
カップリングOMは、低い製造コストでのみ多重化機能を実行できます。 その欠点は、高い挿入損失です。 現在、ZTWEのDWDM機器で使用されるOMは結合OMを採用しています。 ODはAWGコンポーネントを採用しています。
ブースターアンプ（光アンプ）
減衰のため、ファイバセグメントが信号を再生成する前に整合性を持って伝搬できる時間には制限があります。 光増幅器（OA）が到着する前に、送信されるすべての信号に対してリピーターが必要でした。 OAは、すべての波長を一度に増幅することを可能にし、光電気光学（OEO）変換なしで可能にしました。 （リピータとして）光リンクで使用されるほか、光増幅器は、多重化後または逆多重化前に信号パワーをブーストするためにも使用できます。
光増幅器の種類
すべての光経路で、光増幅器はシンプレックスモードのリピータとして使用されました。 1本のファイバは送信パスで使用され、2本目のファイバはリターンパスで使用されました。 最新の光増幅器は、同時に2方向に動作します。 2つの異なるビットレートが使用される場合、2つの方向で同じ波長を使用することもできます。 したがって、1本のファイバーを二重操作に使用できます。
また、光増幅器は、異なる波長で動作する信号範囲を通過させるのに十分な帯域幅を備えている必要があります。 たとえば、たとえば40 nmのスペクトル帯域幅を持つSLAは、約10の光信号を処理できます。
565 mb/sシステムでは、500 kmの光リンクの場合、83 kmの間隔で5つのSLA光増幅器が必要です。 各増幅器は約12 dBのゲインを提供しますが、システムにノイズを導入します（10-9のBER）。
SLAアンプには次の欠点があります-
- 温度変化に敏感
- 供給電圧の変化に敏感
- 機械的振動に敏感
- 信頼できない
- クロストークを起こしやすい
エルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA）
DWDMシステムでは、EDFAが使用されます。 エルビウムは、励起されるとDWDMで使用される光ファイバーの低損失波長である約1.54マイクロメートルの光を発する希土類元素です。 弱い信号がエルビウム添加ファイバーに入り、ポンプレーザーを使用して980 nmまたは1480 nmの光が注入されます。
この入射光はエルビウム原子を刺激し、蓄積されたエネルギーを追加の1550 nm光として放出します。 信号は強くなります。 EDFAの自然放出は、EDFAの雑音指数も追加します。 EDFAの一般的な帯域幅は100 nmであり、光ルートに沿って80〜120 kmの間隔で必要です。
EDFAは、隣接するチャネル間の非線形相互作用のため、「4波混合」と呼ばれる影響も受けます。 したがって、増幅器の電力を増やしてリピーター間の距離を増やすと、クロストークが増加します。
ラマン増幅器
既に説明したように、WDMでのSLAおよびEDFAアンプの使用は制限されており、最新のWDMシステムは約300 nmの帯域幅を持つラマン増幅に移行しています。 ここでは、ポンプレーザーはファイバの受信端にあります。 クロストークとノイズが大幅に削減されます。 ただし、ラマン増幅では、高ポンプレーザーを使用する必要があります。
ファイバ内の分散は、実際には「四光波混合」効果を最小限に抑えるのに役立ちます。 残念ながら、初期の光リンクでは、長距離の分散を最小限に抑えるために、これらの同じファイバがWDM信号を伝送するためにアップグレードされる場合、ゼロ分散ファイバを使用することがよくありました。広帯域光信号の理想的な媒体ではありません。
WDM用に特別なモノモードファイバが開発されています。 これらは正と負の分散ファイバーの交互セグメントを持っているため、合計分散はゼロになります。 ただし、個々のセグメントは分散を提供して、4波混合を防ぎます。
ラインアンプ
プリアンプ（PA）とブースターアンプ（BA）で構成される2ステージEDFAアンプです。 2段なしでは、EDFA原理で信号を最大33 dB増幅することはできません（自然放出によって生成されるノイズを回避するため）。 ラインアンプ（LA）は、長距離システムと超長距離システムのそれぞれで22 dBまたは33 dBのライン損失を補償します。 それは完全に光学ステージ装置です。
ライン（OFC）メディア
これは、DWDM信号が伝送される光ファイバメディアです。 減衰と分散は、伝送距離、ビットレート容量などを決定する主な制限要因です。 通常、22dBと33dBは、それぞれ長距離および超長距離システムのホップ長の回線損失と見なされます。
非常に長い長距離回線の波長は、リピーター（LA）なしで120 kmになります。 ただし、カスケード接続された複数のリピーターでは、長さは最大600 kmになることがあり、さらに分散補償モジュールを使用して最大1200 kmまで延長することができます。 そのような距離の後、光学ステージのみのリピーターではなく、電気ステージで再生成する必要があります。
プリアンプ（PA）
この増幅器のみが端末で使用され、DEMUXと遠隔局からの信号を受信するための回線を接続します。 したがって、減衰したライン信号は、DEMUXユニットに入る前に+3 dBm〜10 dBmのレベルに増幅されます。
光監視チャネル
追加のデータ（2 mbps：EOW、ユーザー固有のデータなど）を、光学的安全対策なしで、より低い光学レベルの別の波長（ITU-T勧告G-692による1480 nm）で送信する機能。メインSTM-n光トラフィック信号とは無関係に、OSCによって実行されます。 選択チャネルおよびオムニバスチャネルのEOW（0.3〜3.4 KHz）は、8ビットPCMコードで64 kbpsです。
光監視チャネル（OSC）は、LCTを使用して達成される障害の位置、構成、パフォーマンス、およびセキュリティの管理だけでなく、光回線デバイスの制御と監視にも役立ちます。
