شرکت فارس در این مطلب که مقدمه‌ای بر فناوری DWDM و اجزای سیستم DWDM است،عملکرد هر جزء را به صورت جداگانه مورد بحث قرار داده و کل ساختار یک سیستم DWDM را نیز در انتهای این مطلب تشریح نموده است.

معنای کلمات DWDM

DWDM مخفف Dense Wavelength Division Multiplexing است که اگر بصورت جداگانه واژه‌ها را ترجمه کنیم Dense به معنی تراکم و چگالی، Wavelength به معنی طول موج، Division به معنی تقسیم و Multiplexing به معنی سهمیه‌بندی یا انتقال چند پیام هم زمان خواهد بود.

تعریف DWDM

Multiplexing تقسیم طول موج متراکم (DWDM) یک فناوری مبتنی بر سیگنال‌های نوری (نورهای لیزری) با طول موج‌های متعدد یا رنگ است که می‌تواند از طریق کانال‌های مختلف به عنوان یک سیگنال ارسال شود و به طور قابل توجهی استفاده از فیبرنوری را بهبود بخشد.

مخابرات از تکنیک‌های نوری، استفاده زیادی می کند. مدولاسیون یعنی سوارکردن سیگنال پیام (داده، اطلاعات) روی یک سیگنال دیگر که معمولاً فرکانس بالاتری دارد که به آن سیگنال حامل می گوییم به موج اجازه می دهد تا سیگنال‌های آنالوگ یا دیجیتال را تا چند گیگاهرتز یا گیگابیت در ثانیه (Gbps) بر روی یک حامل با فرکانس بسیار بالا، معمولاً 186 تا 196 THz ارسال کند.
با استفاده از چندین سیگنال حامل که بدون هم پوشانی قابل توجه، روی یک فیبر منتشر می‌شوند می توان نرخ بیت را بیشتر افزایش داد. واضح است که هر فرکانس مربوط به طول موج متفاوتی است. تقسیم طول موج متراکم (DWDM) برای فاصله فرکانس بسیار نزدیک رزرو شده است.

مقدمه ای بر فناوری DWDM

فناوری DWDM برای توسعه شبکه‌های ارتباطی است. دستگاه های DWDM (مولتی پلکسر یا به اختصار Mux) خروجی چندین فرستنده نوری را برای انتقال از طریق یک فیبر نوری ترکیب می‌کنند. در انتها و در محل دریافت، یک دستگاه DWDM دیگری (دممولتی پلکسر یا به اختصار Demux) سیگنال‌های نوری ترکیبی را جدا می کند و هر کانال را به یک گیرنده نوری ارسال می‌کند. به جای نیاز به یک فیبر نوری برای هر جفت فرستنده و گیرنده، فقط یک فیبر نوری بین دستگاه های DWDM (در هر جهت انتقال) استفاده می شود. ، DWDM به چندین کانال نوری اجازه می دهد تا یک کابل فیبر نوری را اشغال کنند. همانطور که در زیر نشان داده شده است، با استفاده از تکنولوژی AAWG Gaussian با کیفیت بالاFS DWDM Mux/Demux تلفات درجه کم (معمولی 3.5dB) و قابلیت اطمینان بالا را فراهم می کند.

با ساختار ارتقا یافته، این مالتی پلکسرها و دی مالتی پلکسرهای DWDM می توانند نصب آسان تری را ارائه دهند.
مزیت کلیدی DWDM این است که پروتکل و بیت ریت از یکدیگر مستقل هستند. شبکه های مبتنی بر DWDM می توانند داده ها را در IP، ATM، SONET، SDH و Ethernet انتقال دهند. بنابراین، شبکه‌های مبتنی بر DWDM می‌توانند انواع مختلفی از ترافیک را با سرعت‌های متفاوت در یک کانال نوری حمل کنند. انتقال صدا، ایمیل، ویدئو و داده های چند رسانه ای تنها نمونه‌هایی از خدماتی هستند که می توانند به طور همزمان در سیستم های DWDM منتقل شوند.

سیستم‌های DWDM دارای کانال‌هایی در طول موج‌هایی هستند که با فاصله 0.4 نانومتر یا 0.8 نانومتر فاصله دارند.
DWDM نوعی از تقسیم فرکانس چندپلکسی (FDM) است. یک ویژگی اساسی نور بیان بیانگر این است که امواج نوری منفرد با طول موج های مختلف ممکن است به طور مستقل در یک محیط وجود داشته باشند. 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 نور با طول موج‌های مختلف، کانال‌های زیادی را می‌توان به طور همزمان از یک فیبر منفرد منتقل کرد.

سیستم های فیبر نوری از سیگنال های نوری در باند مادون قرمز (طول موج 1 میلی متر تا 750 نانومتر) طیف الکترومغناطیسی استفاده می کنند. فرکانس های نور در محدوده نوری طیف الکترومغناطیسی معمولاً با طول موج آنها شناسایی می شوند، اگرچه فرکانس (فاصله بین لامبداها) شناسایی خاص‌تری را ارائه می دهد.

اجزای سیستم DWDM

یک سیستم DWDM به طور کلی از پنج جزء تشکیل شده است:
1- فرستنده / گیرنده نوری
2- فیلترهای DWDM Mux/DeMux
3- مولتی پلکسرهای نوری افزودن/افت (OADMs)
4- تقویت کننده های نوری
5- ترانسپوندرها (مبدل های طول موج) که در ادامه به شرح هر یک می پردازیم:

فرستنده / گیرنده نوری

فرستنده ها به عنوان اجزای DWDM توصیف می شوند زیرا سیگنال های منبع را ارائه می دهند که سپس مالتی پلکس می شوند. ویژگی‌های فرستنده‌های 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 می کنند (به عنوان مثال، فلاش نور = 1و 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 می شود. در یک سیستم مبتنی بر حامل نوری، جریانی از اطلاعات دیجیتال به یک دستگاه لایه فیزیکی ارسال می‌شود که خروجی آن منبع نور (ال ای‌دی یا لیزر) است که با کابل فیبر نوری ارتباط برقرار می‌کند.

این دستگاه سیگنال دیجیتال ورودی را ازحالت الکتریکی (الکترون) به فرم نوری (فوتون) (تبدیل الکتریکی به نوری، E-O) تبدیل می کند. یک ها و صفرهای الکتریکی منبع نوری را فعال می کنند که نوری (مثلاً نور = 1و نور کم یا بدون نور = 0) را به درون هسته فیبر نوری می تاباند. تبدیل E-O تاثیری بر ترافیک ندارد. فرمت سیگنال دیجیتال اصلی بدون تغییر است. پالس های نور از طریق انعکاس کلی درونی در فیبر نوری منتشر می شوند. در انتهای و در محل دریافت، یک سنسور نوری دیگر (فتودیود) پالس های نور را تشخیص می دهد و سیگنال نوری ورودی را به شکل الکتریکی تبدیل می کند. یک جفت فیبر معمولاً هر دو دستگاه (یکی فیبر انتقال، 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 کمی متفاوت عمل می کند.
سیستم های مدرن با فاصله 200، 100 و 50 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، فرستنده‌های 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 موج‌های متعدد (همه در باند 1550 نانومتر) ایجاد شده توسط فرستنده های متعدد و کار بر روی فیبرهای مختلف از طریق یک فیلتر نوری (فیلتر Mux) روی یک فیبر ترکیب می شوند. سیگنال خروجی مالتی پلکسر نوری به عنوان سیگنال ترکیبی شناخته می شود.

طول موج های متعدد (همه در باند 1550 نانومتر) ایجاد شده توسط فرستنده های متعدد و کار بر روی فیبرهای مختلف از طریق یک فیلتر نوری (فیلتر Mux) روی یک فیبر ترکیب می شوند. سیگنال خروجی مالتی پلکسر نوری به عنوان سیگنال ترکیبی شناخته می شود. در انتهای دریافت، یک فیلتر قطره نوری (فیلتر DeMux) تمام طول موج‌های جداگانه سیگنال کامپوزیت را به فیبرهای جداگانه تقسیم می‌کند. فیبرهای منفرد، طول موج های دمولتی پلکس شده را به همان تعداد گیرنده نوری ارسال می کنند. به طور معمول، اجزای Mux و Demux (انتقال و دریافت) در یک محفظه واحد قرار دارند. دستگاه های نوری Mux/DeMux می توانند passive باشند. سیگنال های مولفه به صورت نوری و نه به صورت الکترونیکی مالتی پلکس می شوند، بنابراین هیچ منبع تغذیه خارجی مورد نیاز نیست. شکل زیر عملیات DWDM دو طرفهرا نشان می دهد. N پالس نور از N طول موج های مختلف که توسط N فیبر مختلف حمل می شود توسط یک DWDM Mux ترکیب می شوند. سیگنال های N روی یک جفت فیبر نوری مالتی پلکس می شوند. یک DWDM Demux سیگنال ترکیبی را دریافت می کند و هر یک از سیگنال های جزء N را جدا می کند و هر کدام را به یک فیبر می دهد. فلش های سیگنال ارسالی و دریافتی نشان دهنده تجهیزات سمت مشتری است. این نیاز به استفاده از یک جفت فیبر نوری دارد.که یکی برای انتقال ویکی برای دریافت است.

مولتی پلکسرهای نوری افزایش/ افت

مالتی پلکسرهای نوری افزایش/ افت (به عنوان مثال OADM) در مقایسه با فیلترهای Mux/Demux عملکرد متفاوتی دارند. در اینجا شکلی است که عملکرد DWDM OADM یک کاناله را نشان می دهد. این OADM فقط برای افزودن یا رها کردن سیگنال های نوری با طول موج خاص طراحی شده است. از چپ به راست، یک سیگنال ترکیبی ورودی به دو جزء Drop و pass-through تقسیم می شود. OADM فقط جریان سیگنال نوری قرمز را حذف می کند. جریان سیگنال کاهش یافته به گیرنده دستگاه مشتری ارسال می شود. 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 کاهش یافته عمل می کند. جریان سیگنال نوری جدید با سیگنال های عبوری ترکیب می شود تا یک سیگنال ترکیبی جدید را تشکیل دهد.

 تقویت کننده های نوری

تقویت ‌کننده‌های نوری با تحریک مستقیم فوتون‌های سیگنال با انرژی اضافی، دامنه را تقویت می‌کنند یا سیگنال‌های نوری که از فیبر عبور می‌کنند را 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 نوری شرکت اربیوم (EDFA) رایج ترین نوع تقویت کننده های فیبر نوری هستند. EDFA های مورد استفاده در سیستم های DWDM گاهی اوقات DWDM EDFA نامیده می شوند، در مقایسه با مواردی که در سیستم های CATV یا SDH استفاده می شوند. برای افزایش فاصله انتقال سیستم DWDM ، می توان از بین انواع تقویت کننده های نوری، از جمله DWDM EDFA، CATV EDFA، SDH EDFA، EYDFA و Raman Amplifier و غیره را انتخاب کرد. در اینجا شکلی است که عملکرد یک DWDM EDFA را نشان می دهد.

فرستنده (تبدیل طول موج) OEO

فرستنده، سیگنال های نوری را از یک طول موج ورودی به طول موج خروجی دیگر مناسب برای کاربردهای DWDM تبدیل می کند. فرستنده ها مبدل‌های طول موج نوری-الکتریکی – اپتیکال (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 سمت مشتری را به سیگنال الکتریکی (O-E) تبدیل می کند و یک فرستنده WDM بین یک دستگاه مشتری و یک سیستم DWDM قرار دارد. از چپ به راست، ترانسپوندر یک جریان بیت نوری را دریافت می کند که در یک طول موج خاص (1310 نانومتر) کار می کند. ترانسپوندر طول موج عملیاتی جریان بیت ورودی را به طول موج مطابق با ITU تبدیل می کند.
خروجی خود را به یک سیستم DWDM منتقل می کند. در سمت دریافت (راست به چپ)، روند برعکس است. ترانسپوندر یک جریان بیتی مطابق با ITU دریافت می کند و سیگنال ها را به طول موج مورد استفاده دستگاه مشتری تبدیل می کند.شکل زیر عملکرد ترانسپوندر دو جهته را نشان می دهد.

چگونگی عملکرد اجزای سیستم DWDM با این فناوری

یک سیستم DWDM از این پنج جزء تشکیل شده است حال این اجزاء چگونه با هم کار می کنند؟
1- ترانسپوندر، ورودی را به صورت یک پالس لیزری استاندارد تک حالته یا چند حالته می پذیرد. ورودی می تواند از رسانه های فیزیکی مختلف و پروتکل ها و انواع ترافیک متفاوت باشد.
2- طول موج سیگنال ورودی ترانسپوندر به طول موج DWDM نگاشته می شود.
3- طول موج های DWDM از فرستنده با سیگنال هایی از رابط مستقیم مالتی پلکس می شوند تا یک سیگنال نوری مرکب را تشکیل دهند که به فیبر ارسال می شود.
4- تقویت کننده برتر(تقویت کننده تقویت کننده) قدرت سیگنال نوری را با خروج از مالتی پلکسر افزایش می دهد.
5- یک OADM در یک مکان دور برای رها کردن و اضافه کردن جریان بیت با طول موج خاص استفاده می شود.
6- در صورت نیاز می توان از تقویت کننده های نوری اضافی در طول دهانه فیبر (تقویت کننده خطی) استفاده کرد.
7- پیش تقویت کننده سیگنال را قبل از ورود به دی مالتی پلکسر تقویت می کند.
8- سیگنال دریافتی به طول موج های جداگانه DWDM تبدیل می شود.
9- لامبداهای منفرد DWDM یا به نوع خروجی مورد نیاز از طریق ترانسپوندر نگاشت می شوند یا مستقیماً به تجهیزات سمت مشتری ارسال می شوند.
کل ساختار یک سیستم DWDM در شکل زیر نشان داده شده است:

استفاده از فناوری DWDM، سیستم های پهنای باند را برای مقادیر زیادی داده فراهم می کنند. در واقع، ظرفیت سیستم‌های DWDM با پیشرفت فن‌آوری‌هایی که فاصله نزدیک ‌تر ودرنتیجه تعداد بیشتری از طول‌موج‌ها را ممکن می‌سازد، در حال افزایش است. اما DWDM همچنین در حال حرکت فراتر از حمل و نقل است تا به پایه شبکه های تمام نوری با تامین طول موج و حفاظت مبتنی بر مش تبدیل شود.