חידושים מפתיעים ברשתות תשתית אופטיות (חלק א')
 
המעבר מ- TDM ל- WDM
 
במאמר קודם על FTTH, שהתפרסם כאן לאחרונה, תוארה הדרישה ההולכת וגדלה לרוחב סרט, שמתבטאת בגידול של פי 10 בכל 5 עד 6 שנים. התוצאה היא מעבר לרשתות גישה אופטיות על מגוון צורותיהן (FTTH/PON), כפי שתוארו בהרחבה במאמר. הדור הבא של רשתות הגישה האופטיות (שטרם הגיע לשוק נכון לתחילת 2013) צפוי להיות WDM-PON, שהוא שילוב של PON עם טכנולוגיית WDM.
 
ברשתות תשתית אופטיות (רשתות מטרו, רשתות ליבה, או כבלים תת-ימיים) דרישות רוחב הסרט  גבוהות עוד יותר כתוצאה מאיסוף (אגרגציה) של המידע מכל רשתות הגישה. תחילה השתמשו בטכנולוגיות TDM/SDH, שבהן מופעל אורך-גל בודד. אולם לאחר מספר שנים קיבול העורקים הגיע לרוויה ואז חברות התקשורת עברו ל- WDM, תחילה בעורקי התשתית העיקריים (Backbone), ואח"כ גם בעורקים אחרים.
 
נסקור להלן את החידושים ברשתות תשתית אלה.
  
WDM (Wavelength Division Multiplex)
 
טכנולוגיית WDM אינה חדשה, והודגמה עוד בשנת 1978 במעבדה ואח"כ בהתקנות רבות אצל מפעילי התקשורת. היא מאפשרת לרבב כמות גדולה של אורכי גל Wavelengths) או Optical Carriers) על סיב בודד, ולקבל קצבי תמסורת גבוהים מאד. המערכות הראשונות פעלו על כמות קטנה של אורכי-גל והיו יקרות ומסובכות לתחזוקה, אולם כיום ההתקדמות הטכנולוגית והתקנים שפורסמו מאפשרים פריסה יעילה וכלכלית של מערכות אלה. ואכן, מערכות WDM מופעלות כיום ע"י חברות התקשורת הגדולות בארץ ובעולם.
 
כידוע, סיבים אופטיים יכולים להעביר אותות בתחומים שונים של אורכי-גל הנקראים wavelength bands, או חלונות אופטיים windows), לא קשור ל"חלונות" של מערכת ההפעלה...). החלון הראשון, שהשתמשו בו (first window), היה בתחום של 800-900 ננו-מטר (nm), אולם הניחות (attenuation) בתחום זה הוא מאד גבוה, ולכן משתמשים בו כיום רק לתקשורת לטווחים קצרים. התחומים השונים ואורכי-הגל שלהם מתוארים באיור 1.  לכל תחום יש תכונות אחרות, שלפיהן נקבע סוג השימוש. בתחומים הנמוכים (O ו- E) סביב אורך-גל של 1300 nm יש ניחות נמוך ודיספרסיה אפסית (לא נדון בתכונה זאת במאמר זה). 

בתחומי הביניים (S ו- C) סביב אורך-גל של 1500 nm קיים הניחות הנמוך ביותר, ולכן טווחי התקשורת האפשריים הם הגדולים ביותר. זה מסביר מדוע תחומים אלה הם הנפוצים ביותר לתקשורת תשתיתית. בתחומים אלה יש דיספרסיה מסוימת, ולכן השימוש בהם מחייב התקנת אלמנטים של קיזוז (dispersion compensators).
 
מערכות WDM נחלקות לשני סוגים:

• CWDM (Coarse WDM)
• DWDM (Dense WDM)

ההבדל בין שני הסוגים הוא במרווח שבין אורכי-הגל המשודרים: במערכות CWDM משדרים מעט אורכי-גל במרווח יחסית גדול ביניהם, ובמערכות DWDM משדרים הרבה אורכי-גל בצפיפות גדולה. בשנת 2002 אושר תקן ITU-T G.694.2 עבור CWDM, שקבע 18 אורכי-גל בתחום  מ-1271 nm ועד 1611 nm, במרווחים של 20 nm ביניהם. מרווחים אלה מאפשרים שימוש ברכיבים לא יקרים (משדרים, מקלטים, פילטרים) ולכן מערכות CWDM מתאימות לסביבת מטרו (לדוגמה: 60 ק"מ עבור אורכי-גל של 2.5 Gbps).
 
באותה שנה אושר גם התקן: ITU-T G.694.1 עבור מערכות DWDM, אשר מגדיר במדויק את אורכי-הגל. תדר (או אורך-גל) הייחוס הוא 193.10 THz (1552.52 nm), ויתר אורכי-הגל נמצאים במרווחים קבועים של 100 GHz (בערך 0.8 nm) ממנו. התקן מאפשר גם שימוש במרווחים קטנים יותר של 50 GHz, 25 GHz ואף 12.5 GHz. איור 2 (הלקוח מתוך התקן) מתאר את התדרים השונים בהתאם לארבעת המרווחים האפשריים ביניהם.
  מכיוון שהמרווחים במערכות אלה הם מאד קטנים, נדרשים משדרים מדויקים ומיוצבים, וכן פילטרים ומקלטים יותר יקרים מאשר ב- CWDM.
  
מגברים אופטיים
 
טווחי העבודה של מערכות תמסורת אופטיות מוגבלים בדרך כלל בגלל ניחות הנגרם עקב הפסדי אנרגיה בסיבים האופטיים. במערכות SDH (הפועלות על אורך-גל בודד) היה נהוג להשתמש במשחזרים (regenerators), שבהם האות האופטי הומר תחילה לאות חשמלי, ואח"כ הוגבר, שוחזר ושודר שוב בצורה אופטית (תהליך הידוע בכינוי O-E-O). משחזרים כאלה הם מסובכים ויקרים עבור מערכות WDM, ולכן משתמשים בגישה אחרת כדי לפצות על הפסדי האנרגיה.

במערכות DWDM משתמשים במגברים אופטיים, אשר מגבירים את האות האופטי  ישירות, מבלי להופכו לאות חשמלי. מספר סוגים של מגברים אופטיים פותחו בשנות ה-80, ונכנסו לשימוש נרחב במערכות long-haul. מגברים אופטיים אלה מאפשרים הקמת עורקי DWDM לטווחים מאד גדולים, פעולתם אינה תלויה בסוג האפנון או קצב השידור ולכן אינם דורשים שדרוג כאשר מוחלף ציוד הקצה.
 
קיימים כמה סוגים של מגברים אופטיים:

• Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFA)
• Semiconductor Optical Amplifiers (SOA)
• Raman Amplifiers

 מגברי EDFA הם הנפוצים והשימושיים ביותר. הם כוללים קטע של סיב אופטי באורך של כמה מטרים, שהועשר באטומים של החומר הנדיר ארביום (Erbium), ומכאן בא שמם. המגברים מבוססים על תכונה מיוחדת של הארביום, שמאפשרת לו לקלוט ולפלוט אנרגיה של אור בתחום C, וע"י כך לבצע פעולת הגברה.        
 
איור 3 מדגים את פעולת המגבר: האות הנכנס עובר ריבוב WDM עם אות בעצמה חזקה באורך-גל של 980 או 1480 ננו-מטר, המופק ממשדר לייזר מיוחד. כתוצאה מכך הסיב קולט את האנרגיה, אלקטרונים של ארביום עוברים למצב אנרגטי גבוה יותר, ואחר כך משחררים את האנרגיה הזאת בצורת קרינה באורך גל של האות הנכנס. במילים אחרות, מבוצעת החלפת אנרגיה בין אות הלייזר לבין אות הכניסה, וכך מתבצעת פעולת ההגברה (כ- 30dB לדוגמה).  
 מרכיבי מערכת DWDM
 
איור 4 מתאר מערכת DWDM שלמה על כל מרכיביה.  מרבב DWDM מקבל אותות בעלי אורך-גל שונה, הנוצרים ע"י משדרים אופטיים (transmitters) בציוד הקצה. המרבב מוציא אות משולב (לדוגמה בתחום C) המוגבר ע"י מגבר EDFA, הנקרא לעיתים גם Booster. בהמשך המסלול קיימים מגברים אופטיים נוספים, וכן ציוד OADM (Optical Add-Drop Mux), המסוגל להוריד ולהעלות אורכי-גל שונים לפי הצורך. בקצה השני מותקן בד"כ מגבר Preamp, ואחריו ה- DWDM DeMux המפענח בקליטה את אורכי-הגל המקוריים.

מאחר והמערכת עובדת דו-מגמי, בכל ציוד קצה מותקן למעשה Transceiver, שהוא צרוף של משדר/מקלט אופטיים. מערכות DWDM כאלה מסוגלות להעביר עשרות ומאות אורכי-גל, כל אחד בקיבול של 10 או 100 גיגה-ביט לשנייה, ועדיין לא נאמרה המילה האחרונה.
 
בתחילת 2013 פורסם כאן על שיא תמסורת שהודגם ע"י החברות NEC ו- Corning, שהצליחו להעביר 1.05 פטה-ביט לשנייה (Bps )10¹⁵ למרחק של 52 ק"מ, תוך שימוש בסיב אופטי חדשני שפותח במיוחד ע"י יצרנית הסיבים האופטיים קורנינג.
 
מי אמר ששיאים נשברים רק באולימפיאדה? מאת: צבי שחם, M.Sc., אפריל 2013.
מרצה ויועץ, מחבר הספר תקשורת בעידן ה- IP
zvi.shacham@gmail.com
www.zvish.com