Höhere Bandbreiten nicht ohne Multiplexing: Die 96 Farben von DWDM

In einer Welt, in der mehr als 90 Prozent aller Geschäftsprozesse digital abgebildet werden, bedarf leistungsfähiger Übertragungsnetzwerke. Cloud-Computing, AI, IoT und 4K-Videostreaming lechzen nach mehr Bandbreite. Doch Glasfaserleitungen sind nur begrenzt vorhanden und sollten effizient genutzt werden. Hier kommt die bewährte Multiplexing-Technik ins Spiel.

Auf den ersten Blick bieten Lichtwellenleiter einen nahezu unbegrenzten Übertragungsraum. Doch der Schein trügt. Die Glasfaser hat physikalische Grenzen, die zum Glück noch lange nicht ausgereizt sind. So treten im Lichtwellenleiter nichtlineare Wechselwirkungen der Lichtsignale mit dem Wellenleitermaterial auf. Die Folge ist eine Veränderung des Signalprofils (spektrale Verteilung), das ab einem bestimmten Störungsgrad unleserlich wird. Wie früh dieser Fall eintritt, hängt maßgeblich vom Rauschverhalten der eingesetzten Verstärker und den nichtlinearen Eigenschaften der Faser ab.

Diese nichtlinearen Phänomene stellen derzeit aber keinen echten limitierenden Faktor für den wachsenden Bandbreitenbedarf dar. Die Grenzen der faseroptischen Übertragung werden an ganz anderer Stelle sichtbar – und dank besserer Hardware immer wieder neu ausgelotet: Nämlich dort, wo die Umwandlung der elektrischen in optische Signale und vice versa stattfindet. Hierfür sind optische Sende- und Empfangsmodule zuständig, die in verschiedenen Formfaktoren und mit verschiedenen Datenraten operieren. Zu den schnellsten (und teuersten) zählen zum Beispiel QSFP-DD-Transceiver mit bis zu 800 Gbit/s.

Nicht ohne Multiplexing

Das allein reicht natürlich nicht aus, um die vielfältigen Applikationen und Datenmengen zu übertragen, die in Rechenzentren anfallen. Zugleich stellt die Glasfaserverlegung bzw. -miete einen erheblichen Kostenfaktor dar, sodass über die Faserzahl die Bandbreite kaum wirtschaftlich skaliert werden kann.

Die Lösung findet sich in der Multiplexing-Technologie: Beim Wavelength-Division-Multiplexing (WDM) werden mehrere Signale gleichzeitig auf einer Leitung übertragen, indem diese in diskrete Wellenlängen umgewandelt werden. Oder, einfacher ausgedrückt: Die Signale werden in verschiedene Farben gleichzeitig und interferenzfrei auf einer Faser übertragen.

Moderne Rechenzentrumskopplungen bzw. Data Center Interconnect (DCI) wären ohne diesen Trick kaum denkbar. Heutzutage können mittels Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) bei einem Kanalabstand von 0,4 nm bis zu 96 Wellenlängen auf einer Glasfaser übertragen werden. Die jüngsten DWDM-Systeme erzielen somit Datenraten von bis zu 25,6 Tbit/s pro Faser.

Aufbau eines DWDM-Systems

Jedes zu übertragende Signal wird dabei in einem der Transponderkarte zugesteckten Transceiver in ein optisches Signal umgewandelt. Der Empfänger verfügt hierzu über eine Photodiode, die bei konstanter Spannung ein Signal mit diskreter Wellenlänge erzeugt. Die so erzeugten Signale werden dann mit der 3R-Technologie aufbereitet; sie werden dem (1) Reshaping, der Neuformung gestörter Signalkurven, (2) Reamplification, der Verstärkung, und (3) Retiming, der Neuzuordnung des Signals, unterzogen. Somit können im Vorfeld Signalstörungen durch Dispersion und Dämpfung kompensiert werden.

Herzstück der WDM-Technik bildet der (De-)Multiplexer: Als Sender bündelt er die einzelnen Signale. Als Empfänger spaltet er das eingehende, komplexe Signal in seine ursprünglichen Grundwellenlängen auf. Zum Einsatz kommt meist eine Serie kaskadierender Dünnschichtfilter, die über die Dicke eines Dielektrikums und der Materialität die gewünschte Filterwirkung erzeugen. Größere Module verwenden das Arrayed Waveguide Grating (AWG), um das Licht wellenlängensensitiv auf verschiedene Leitungen zu dirigieren.

Häufig begegnet man in DWDM-Systemen auch Muxpondern. Hierbei handelt es sich um einen Kunstbegriff aus „Transponder“ und „Multiplexer“. Derartige Module können eine Vielzahl von Eingangssignalen mit geringer Bandbreite in der größeren Containerstruktur des ausgehenden Signals zu einem einzigen Signal umwandeln. Dank dieses Mappings findet die Signalaggregation ohne Durchsatzverlust statt.

Weitere Operationen wie die Forward Error Correction (FEC) und eine hardwarebasierende AES 256 Bit Verschlüsslung auf Layer 1 garantieren eine störungsfreie und sichere Übertragung der Daten mit geringsten Latenzzeiten und vollem Datendurchsatz. Sobald sensible Daten übertragen werden, sollte im Rechenzentrumseinsatz die Verschlüsselungsoption immer gewählt werden, die auch nachträglich aktiviert werden kann.
Da auf längeren Strecken eine erhebliche Signaldämpfung stattfindet, kommen in vielen faseroptischen Systemen Booster und PreAmp-Module zum Einsatz: Sinkt nämlich die Optical-Signal-to-Noise-Ratio (OSNR) unter einen bestimmten Schwellwert, kann das Signal nicht mehr ausgelesen werden. In den meisten WDM-Systemen kommen sogenannte Laser Erbium-Doped-Fiber-Amplifier (EDFA) zur Anwendung, die per Laser die Elektronen des Erbiums anregen, das dann Photonen emittiert.

Eine Managementkarte (NMS) mit aktivem Monitoring und Weboberfläche, eine redundante Spannungsversorgung und der Baugruppenträger selbst komplettieren das WDM-System.

Wachsende Übertragungsraten dank Multiplexing

Fortschritte in der Entwicklung neuer Transceivermodule sowie ultraschnelle Multiprotokoll-Multiplexer-Karten mit integrierter AES 256 Layer 1 Verschlüsselung zeigen, dass die Multiplexing-Technologie längst noch nicht ausgereizt ist. Im Gegenteil: Auch in den kommenden Jahren ist mit noch leistungsfähigeren Übertragungssystemen zu rechnen, um den wachsenden Bandbreitenbedarf zu stillen.