Optische Übertragungstechnologie: Einführung

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Teil 26 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Die optische Übertragungstechnologie ist die Übertragungstechnik der Zukunft. Offen ist lediglich die Frage, welchen Stellenwert diese Technologie auf der Gebäudeetage und im Arbeitsplatzbereich haben wird. Ab dem Geländebereich ist die Übertragung mit Lichtwellenleitern ohne Konkurrenz. Die sowohl bei großen Providernetzen als auch im Rechenzentrum benötigten Datenraten ab 100 Gbit/s aufwärts können mit keiner anderen Technik erzielt werden. Außerdem findet die Übertragung auf metallischen Leitern bei 40 Gigabit/s. auf kurzen Strecken ihre absolute Grenze.

Generell kann man sehen, dass die Übertragung auf metallischen Leitungen nur noch für den Endsystembereich in Unternehmen, Organisationen und anderen privaten Netzen sowie im Bereich der „letzten Meile“ für den Anschluss von Haushalten und Büros an öffentliche Netze benutzt wird. Alle anderen Versorgungsbereiche in LANs, MANs, WANs und GANs werden mit optischer Übertragungstechnik realisiert. Sozusagen täglich neue Fortschritte bei den Komponenten und Systemen schrauben die erreichbaren Leistungen immer höher.

Die Fortschritte in der Herstellung optischer Komponenten machen diese immer kleiner und billiger. Ein Laser, der vielleicht vor fünfzehn Jahren noch so groß war wie ein Schuhkarton wurde schnell so klein wie ein Zuckerwürfel. Durch die enormen Entwicklungen in der Herstellung integrierter optischer Schaltkreise können Komponenten wie Halbleiterlaser, Verstärker und Empfänger heute weiter enorm verkleinert werden. Dadurch senken wir neben den Volumina auch die Kosten pro übertragenem Bit dramatisch. Die konventionelle Übertragungstechnik auf Glasfasern sieht nur einen Kanal vor, der eben durch Licht einer Wellenlänge gebildet wird, welches mit der zu übertragenden Information moduliert wird. Mittlerweile hat sich aber auch eine Mehrkanaltechnik (Wellenlängenmultiplex) entwickelt, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen in einem Lichtwellenleiter koexistent überträgt. Jede dieser einzelnen Lichtstrahlen bekommt seinen eigenen Informationsgehalt. So können über eine Faser viele Informationen parallel übertragen werden. Da letztlich die verlegte Übertragungsstrecke in den meisten Fällen viel teurer ist als die Geräte, mit denen man sie betreibt, führt diese Mehrkanaltechnik zu einer erheblichen Kostensenkung pro übertragenem Bit und wird in den nächsten Jahren die Übertragungssysteme in allen Bereichen revolutionieren.

Die Vorteile optischer Übertragungstechnik sind generell:

  • hohe verfügbare Bandbreite, die prinzipiell bis in den Multi-Terabit-Bereich reicht.
  • geringe (annähernd frequenzunabhängige!) Signaldämpfung: Diese Eigenschaft erlaubt die Überbrückung großer Distanzen zwischen aktiven Netzkomponenten.
  • Störsicherheit: Lichtwellenleiter sind unempfindlich gegenüber Interferenz im gesamten elektrischen und optischen Spektralbereich.
  • Abhörsicherheit: Lichtwellenleiter strahlen so gut wie kein Licht an die Umgebung ab und sind lediglich durch Spezialeinrichtungen abzuhören.
  • Isolation: Lichtwellenleiter zeichnen sich durch die Unabhängigkeit von dem elektrischen Potential verbundener Stationen aus. Durch die elektrische Entkopplung der Stationen ist keine gemeinsame Betriebserde erforderlich. Außerdem sind Lichtwellenleiter unempfindlich gegen Blitzschlag.
  • Erweiterbarkeit: Die sehr hohe Datenrate, die prinzipiell über Lichtwellenleiter übertragen werden kann, erspart eventuell Neuverkabelung beim Übergang von einem existierenden Netzwerk auf einen (leistungsfähigeren) Nachfolger bzw. bei Hinzunahme weiterer Funktionalitäten.
  • Relativ geringe Kosten eines (virtuellen) Kanals.
  • Handlichkeit: Optische Übertragungseinrichtungen sind in der Regel kleiner und leichter als vergleichbare elektrische Anlagen.
    Nachteile optischer Übertragungstechnik können sein:
  • hoher Konfektionierungsaufwand,
  • Stecker-Technik,
  • kostenintensive Gerätetechnik (Dämpfungsmessung, Spleiß etc.)

Bild 1 veranschaulicht exemplarisch den Vorteil von Lichtwellenleitern gegenüber metallischem Kabel in Bezug auf die Streckendämpfung der Signale.

Einige Punkte aus obiger Tabelle wie etwa die Abhörsicherheit und die Immunität gegenüber elektrischen Feldern, sind z. B. im Sicherheitsbereich (Militärbereich, Innenministerien usw.) von besonderem Interesse. Bei den Anwendern von Datennetzen steht allerdings mehr die Möglichkeit im Vordergrund, eine leistungsfähige Hintergrundvernetzung selbst ausgedehnter Gebiete zu realisieren.

Es werden laufend neue Leistungsmarken und Rekorde aufgestellt. Im LAN-Bereich führt zur Zeit das 100 Gigabit Ethernet. Im MAN-Bereich entwickeln sich preiswerte Backbones, die auf einer Ausdehnung von einigen Hundert Kilometern eine Leistung von mehreren Terabit/s. haben. Im WAN-Bereich setzt sich dies mit Netzen einer Ausdehnung von über 1000 km und einer Leistung von 1 bis 2 Terabit/s. pro Übertragungsstrecke fort.

Traditionell gibt es bei optischen Übertragungssystemen ausgesprochen preiswerte Ausführungen, die eine nicht so hohe Leistung haben, dafür aber in einem weiten Bereich, besonders bei LANs, günstig eingesetzt werden können und teure, hochwertige Ausführungen. Der „Billigtechnologie“-Rekord steht zur Zeit bei 1000 Gigabit/s. über 300 m Multimode-Gradientenindexprofilfaser mit integrierten Vertikalemitter-Laserdioden (VCSELs), während die hochwertige Technologie z.B. im Bereich der Seekabel 5 Terabit/s. auf 6000 km Monomode-Stufenindexprofilfaser mit abgestimmten Lasern bzw. 10,2 Terabit/s. auf 100 km ohne 3D-Regeneration, also vollständige Zwischenverstärkung, erreicht.

Bei den Kosten sieht es so aus: das 10 Gigabit Ethernet kostet in den wesentlichen Komponenten nur etwa das Dreifache vom Gigabit Ethernet. Dieses war seinerseits ca. dreimal so teuer wie ein 100 Megabit/s. Fast Ethernet, welches bei seiner Einführung ca. das Dreifache des Standard-Ethernet mit 10 Megabit/s. kostete. Den Leitungssprung um den Faktor 1000 müssen wir also nur mit den 27-fachen Kosten bezahlen. Dies bedeutet, dass die Übertragungskosten pro Bit nur noch ein Vierzigstel betragen. Im WAN-Bereich ist das noch viel dramatischer und wir können mit Kosteneinsparungen um den Faktor 250 – 300 rechnen.

Vergleichsweise hat sich die Übertragungstechnik im optischen Bereich also wesentlich schneller entwickelt als die anderen Technologien, die dem Gesetz von Herrn Moore folgen (Speicher, Prozessoren usf.)

Die Wunschvorstellung einer punktförmigen Lichtquelle und paralleler Strahlen einer Wellenlänge sowie ein verlustloses Ein- und Auskoppeln von Licht in bzw. aus dem Lichtwellenleiter kann allerdings technisch nicht realisiert werden. Vielmehr erzeugen die Strahlungsquellen Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge. Darüber hinaus treten Dämpfungsverluste sowohl beim Einkoppeln als auch innerhalb der Lichtwellenleiter auf. Ein wichtiger Aspekt bei optischen Systemen ist daher die Anpassung der einzelnen Komponenten aneinander.

Bevor ich in weiteren Teilen der Serie auf die einzelnen Ausführungsformen von Sendern, Lichtwellenleitern, Empfängern usw. sowie im nächsten Kapitel auf die Konstruktion komplexerer Baugruppen die Add/Drop-Multiplexer und Switchmatrizen eingehe, möchte ich diesen Ausführungen einen Ausflug in die Physik voranstellen. Ich habe nämlich bei Kursen zu „Optische Netze“ feststellen müssen, dass nur ganz wenigen Teilnehmern die aus der Physik notwendigen Grundlagen und Effekte bekannt sind. Das mag am hohen Grad von Quereinsteigern in den Bereich Netzwerke liegen. Man kann versuchen, die Optischen Netze auch ohne diese Grundlagen zu verstehen. Das ist sicher bis zu einem gewissen Grad möglich, führt aber doch dazu, dass man gewisse Dinge einfach hinnehmen muss. Ein solches Problem gab es schon einmal in der Vergangenheit. Bei Lokalen Netzen hat sich lange niemand für die zugrundeliegende Nachrichtentechnik interessiert, weil die erreichte Übertragungsrate in keinem Verhältnis zu dem stand, was man auf den Übertragungsmedien wirklich erzielen konnte. So hat sich jeder mit Kochbuchegeln angefreundet, nach denen man ein LAN einfach zusammenstecken kann. Diese Kochbuchregeln haben auch den Bereich der Optischen Datenübertragung erfasst sobald diese im LAN-Umfeld benutzt wird. Erst als man auf normalem Kabel 100 Megabit/s. oder mehr übertragen wollte, war auf einmal der Bedarf nach Information groß und es gab ungläubiges Staunen angesichts längst bekannter Naturgesetzte. Mit den optischen Netzen kommen wir teilweise an die Grenze des physikalisch Machbaren. Je mehr wir uns dieser Grenze nähern, desto wichtiger ist es zu wissen, wie bestimmte Effekte wirken. Ich merke jetzt schon wieder die Tendenz, nach Kochbuchrezepten zu rufen, was sich z.B. in Längenempfehlungen für 10 Gigabit Ethernet-Installationen niederschlägt. So kommt man aber nie ans High End. Die betreffenden Teile Buch können kein ordentliches Physikbuch oder Buch zur Optoelektronik ersetzen, davon gibt es aber auch genug. Ich kann lediglich versuchen, die Zusammenhänge, die für das Verständnis wirklich erforderlich sind, zusammenzustellen. Ich würde mir wünschen, dass sich mancher Leser hierin weiter vertieft. Leser mit dem entsprechenden Hintergrund können die nächsten Folgen vollständig überspringen.

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