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光ファイバー通信において、波長分割多重（WDM ）は、異なる波長（つまり色）のレーザー光を用いて、複数の光搬送信号を1本の光ファイバーに多重化する技術である。[ 1 ]この技術により、1本のファイバー上で双方向通信（波長分割複信とも呼ばれる）が可能になり、容量も増大する。[ 1 ]
WDMという用語は、一般的に波長で表される光キャリアに適用されますが、周波数分割多重は通常、周波数で表される無線キャリアに適用されます。[ 2 ]これは、波長と周波数が同じ情報を伝達するため、純粋に慣習的なものです。具体的には、周波数（ヘルツ、つまり1秒あたりのサイクル数）に波長（1サイクルの物理的な長さ）を掛けたものが、搬送波の速度に等しくなります。真空中では、これは光速（通常は小文字のcで表されます）です。ガラスファイバーでは、速度は大幅に遅くなり、通常はcの約0.7倍になります。実際のシステムにおけるデータレートは、搬送周波数の分数です。
WDMシステムは、送信機でマルチプレクサを使用して複数の信号を結合し、受信機でデマルチプレクサを使用してそれらを分離します。[ 1 ]適切な種類のファイバーを使用すると、両方を同時に実行し、光アドドロップマルチプレクサとして機能するデバイスを実現できます。従来、使用される光フィルタリングデバイスは、エタロン（薄膜コーティングされた光学ガラスの形をした安定した固体単一周波数ファブリ・ペロー干渉計）でした。WDMには3つの異なるタイプがあり、そのうちの1つはWDMと呼ばれているため、この技術自体を議論する際には通常xWDMという表記が使用されます。 [ 3 ]
この概念は1970年にデランジュによって初めて発表され[ 4 ]、1980年までにWDMシステムが実験室で実現されるようになった。最初のWDMシステムは2つの信号しか結合できなかった。現代のシステムは160の信号を処理でき、基本的なシステムを拡張することができる。100 Gbit/s システム、単一のファイバーペアで16 Tbit/s。320 チャンネルのシステムも存在する（ チャンネル間隔は12.5 GHz、詳細は下記参照）。
WDMシステムは、光ファイバーを敷設することなくネットワーク容量を拡張できるため、通信会社に広く利用されています。WDMと光増幅器を使用することで、基幹ネットワークを全面的に改修することなく、光インフラにおける複数世代の技術開発に対応できます。各リンクの容量は、両端のマルチプレクサとデマルチプレクサをアップグレードするだけで簡単に拡張できます。
これは多くの場合、伝送ネットワークの最端部で光-電気-光（O/E/O）変換を使用することで実現され、光インターフェースを備えた既存の機器との相互運用が可能になります。[ 3 ]
ほとんどのWDMシステムは、コア径9μmのシングルモード光ファイバーケーブルで動作します。WDMの特定の形式は、コア径50μmまたは62.5μmのマルチモード光ファイバー ケーブル（構内ケーブルとも呼ばれる）でも使用できます。
初期のWDMシステムは高価で運用も複雑だった。しかし、近年の標準化とWDMシステムの挙動に関する理解の深化により、WDMの導入コストは低下している。
レーザー光源とは対照的に、光受信機は広帯域デバイスである傾向がある。そのため、WDMシステムにおいては、デマルチプレクサが受信機の波長選択性を提供する必要がある。
WDMシステムは、通常（WDM）、粗（CWDM）、高密度（DWDM）の3つの異なる波長パターンに分けられます。通常WDM（BWDMとも呼ばれる）は、1本のファイバーで1310 nmと1550 nmの2つの標準波長を使用します。粗WDMは、シリカファイバーの複数の伝送ウィンドウ にわたって最大16チャネルを提供します。高密度WDM（DWDM）は、Cバンド（1530 nm～1565 nm）の伝送ウィンドウを使用しますが、チャネル間隔がより密です。チャネルプランは様々ですが、一般的なDWDMシステムでは、100 GHz間隔で40チャネル、または50 GHz間隔で80チャネルを使用します。一部の技術では、12.5 GHz間隔（超高密度WDMとも呼ばれる）が可能です。新しい増幅オプション（ラマン増幅）により、使用可能な波長をLバンド（1565～1625 nm）まで拡張でき、これらの数をほぼ2倍にすることができます。
DWDMとは対照的に、粗波長分割多重（CWDM）はチャネル間隔を広げることで、より簡素で安価なトランシーバー設計を可能にします。1本のファイバーで16チャネルを提供するために、CWDMは OH散乱が発生する可能性のある重要な周波数を含む、第2および第3伝送ウィンドウ（それぞれ1310/1550 nm）にわたる全周波数帯域を使用します。第2および第3伝送ウィンドウ間の波長を使用する場合は、OHフリーのシリカファイバーが推奨されます。[ 5 ]この領域を避けると、チャネル47、49、51、53、55、57、59、61が残り、これらが最も一般的に使用されます。OS2ファイバーでは、ウォーターピークの問題が克服され、可能な18チャネルすべてを使用できます。
WDM、CWDM、DWDMは、1本の光ファイバー上で複数の波長の光を使用するという同じ概念に基づいていますが、波長の間隔、チャネル数、および光空間における多重化信号の増幅能力が異なります。エルビウム添加光ファイバー増幅器（EDFA）はCバンドに対して効率的な広帯域増幅を提供し、ラマン増幅はLバンドでの増幅機構を追加します。CWDMでは広帯域光増幅は利用できないため、光伝送距離は数十キロメートルに制限されます。
当初、粗波長分割多重（CWDM）という用語はかなり一般的なもので、さまざまなチャネル構成を指していました。一般的に、これらの構成におけるチャネル間隔と周波数の選択により、EDFAの使用は不可能でした。比較的最近ITUによってこの用語が標準化される以前は、CWDMの一般的な定義の1つは、1550 nm帯域の信号と1310 nm帯域の信号を含む2つ以上の信号を1本の光ファイバに多重化することでした。
2002年、ITUは1270 nmから1610 nmまでの波長を使用し、チャネル間隔を20 nmとするCWDMのチャネル間隔グリッド（ITU-T G.694.2）を標準化しました 。ITU G.694.2は2003年に改訂され、チャネル中心が1 nmシフトされたため、厳密には中心波長は1271～1611 nmとなります。[ 6 ] 1270～1470 nm帯域での減衰が増加するため、1470 nm以下の多くのCWDM波長は、 古いG.652 仕様のファイバーでは使用できないと考えられています。 Corning SMF-28eやSamsung Widepassなど、 G.652.CおよびG.652.D [ 7 ]規格に準拠した新しいファイバーは、1383 nmにおける水関連の減衰ピークをほぼ完全に除去し 、メトロポリタンネットワークでITU CWDMチャネル18個すべてをフルに動作させることができます。
最近のITU CWDM規格の主な特徴は、EDFAによる増幅に適した信号間隔が確保されていない点です。このため、2.5 Gbit/s 信号の場合、CWDMの光伝送距離は最大で約60 kmに制限され、都市圏での利用に適しています。光周波数安定化要件が緩和されたことで、CWDMのコストは非WDM光コンポーネントのコストに近づくことが可能になりました。
CWDMはケーブルテレビネットワークで使用されており、下り信号と上り信号に異なる波長が用いられます。これらのシステムでは、使用される波長は大きく離れていることが多く、例えば、下り信号が1310nm、 上り信号が1550nmといった具合です 。
10GBASE -LX4 10 Gbit/s物理層規格は、1310 nm付近の4つの波長がそれぞれ3.125 Gbit/s のデータストリームは、合計10 Gbit/sのデータを伝送するために使用されます。[ 8 ]
パッシブCWDMは、電力を使用しないCWDMの実装方法です。バンドパスフィルタやプリズムなどの受動光学部品を用いて波長を分離します。多くのメーカーが、家庭への光ファイバー敷設にパッシブCWDMの導入を推進しています。
高密度波長分割多重（DWDM）とは、もともとは1550 nm帯域内で光信号を多重化することで、EDFAの機能（およびコスト）を活用することを指します。EDFAは、約1525～1565 nm（Cバンド）または1570～1610 nm（Lバンド）の波長で有効です。EDFAは、もともとSONET/SDHの光電気光（OEO）再生器を置き換えるために開発され、現在ではOEO再生器は事実上不要になっています。EDFAは、変調ビットレートに関係なく、動作範囲内のあらゆる光信号を増幅できます。多波長信号に関しては、EDFAに十分なポンプエネルギーが利用可能であれば、増幅帯域に多重化できる光信号の数だけ増幅できます（ただし、信号密度は変調方式の選択によって制限されます）。したがって、EDFA を使用すると、リンクの両端の機器のみを交換することで、単一チャネル光リンクのビットレートをアップグレードできます。一方、長距離ルートでは既存の EDFA または一連の EDFA を維持します。さらに、EDFA を使用する単一波長リンクも同様に、妥当なコストで WDM リンクにアップグレードできます。このように、EDFA のコストは、1550 nm バンドに多重化できるチャネル数に応じて活用されます。DWDM は、キャリアやデータセンター間で大量のデータを伝送するために使用されます。[ 9 ] [ 10 ]
この段階では、基本的なDWDMシステムはいくつかの主要コンポーネントで構成されています。
2002 年にITU-T G.694.1 [ 11 ]周波数グリッド が導入されたことで、WDM をより古いが標準的な SONET/SDH システムと統合することが容易になった。WDM 波長は、光周波数で正確に 100 GHz (約 0.8 nm) 間隔のグリッドに配置され、基準周波数は 193.10 THz (1,552.52 nm) に固定されている。[ 12 ]メイングリッドは光ファイバ増幅器の帯域幅内に配置されるが、より広い帯域幅に拡張できる。DWDM の最初の商用展開は、1996 年 6 月に Ciena Corporation が Sprint ネットワークで行った。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]今日の DWDM システムでは、最大 160 チャネル動作のために50 GHz または 25 GHz のチャネル間隔が使用されている。 [ 16 ]
DWDMシステムは、波長間隔が狭いため、CWDMシステムよりも安定した波長または周波数を維持する必要があります。DWDMシステムでは、数GHz程度の非常に狭い周波数帯域からのドリフトを防ぐために、レーザー送信機の精密な温度制御が求められます。さらに、DWDMは最大容量が大きいため、例えばインターネットのバックボーンなど、通信階層の上位レベルで使用される傾向があり、そのため変調レートも高くなります。結果として、高性能なDWDMデバイスの市場規模は小さくなります。このように、生産量が少なく高性能であることから、DWDMシステムは一般的にCWDMよりも高価になります。
DWDM伝送システムの最近の革新技術には、40チャネルまたは80チャネルで動作可能なプラグイン式でソフトウェア調整可能なトランシーバーモジュールが含まれる。これにより、少数のプラグイン式デバイスで全波長範囲に対応できるため、個別の予備プラグインモジュールの必要性が大幅に削減される。
波長変換トランスポンダは、当初、クライアント層信号の送信波長を、DWDMシステムの1,550nm 帯域内の内部波長のいずれかに変換していました。1,550nm帯域の外部波長は 、システムのEDFAに必要な周波数安定性許容値や光パワーをほぼ確実に満たしていないため、変換が必要となる可能性が高いです。
しかし、1990年代半ばには、波長変換トランスポンダは急速に信号再生という追加機能を備えるようになった。トランスポンダにおける信号再生は、1Rから2R、3Rへと急速に進化し、オーバーヘッドモニタリング機能を備えたマルチビットレート3R再生器へと発展した。これらの違いを以下に概説する。
DWDMではC21～C60の範囲が最も一般的な範囲であり、Mux/Demuxでは8、16、40、または96サイズが使用される。[ 17 ] [ 18 ]
前述のとおり、DWDMシステムの中間光増幅サイトでは、特定の波長チャネルの追加や削除が可能です。2006年8月時点で導入されているほとんどのシステムでは、波長の追加や削除には波長選択カードを手動で挿入または交換する必要があるため、このような操作は頻繁には行われません。これはコストがかかるだけでなく、波長選択カードの挿入や取り外しによって多波長光信号が中断されるため、システムによってはDWDMシステムからすべてのアクティブなトラフィックを削除する必要がある場合もあります。
ROADMを使用すると、ネットワーク事業者はソフトコマンドを送信することで、マルチプレクサをリモートで再構成できます。ROADMのアーキテクチャは、波長の追加や削除によってパススルーチャネルが中断されないように設計されています。さまざまな商用ROADMには多数の技術的手法が採用されており、コスト、光出力、柔軟性の間でトレードオフが生じます。
ネットワークトポロジーがメッシュ型で、ノードが光ファイバーで相互接続されて任意のグラフを形成する場合、入力ポートから目的の出力ポートへ信号をルーティングするために、追加の光ファイバー相互接続デバイスが必要になります。これらのデバイスは光クロスコネクタ（OXC）と呼ばれます。OXCには、電子式（「不透明」）、光式（「透明」）、波長選択式など、さまざまな種類があります。
シスコの拡張WDMシステムは、2種類の異なる多重化技術を組み合わせて光ファイバー上でデータを伝送するネットワークアーキテクチャです。
EWDMは、SFPおよびGBICを使用した1Gbps粗波長分割多重（CWDM）接続と、XENPAK、X2、またはXFP DWDMモジュールを使用した10Gbps高密度波長分割多重（DWDM）接続を組み合わせたものです。拡張WDMシステムは、パッシブDWDM接続またはブーストDWDM接続のいずれかを使用することで、接続距離を延長できます。さらに、Cフォームファクタのプラグインモジュールは、高速インターネットバックボーン接続に適した100Gbpsイーサネットを提供します。
短波WDMは、846～953nmの範囲の4つの波長を持つ垂直共振器面発光レーザー （VCSEL）トランシーバーを単一のOM5ファイバー上で使用するか、OM3/OM4ファイバーの場合は2ファイバー接続を使用します。[ 8 ]
光トランスポンダの意味に関するさまざまな機能的見解については、トランスポンダ（光通信）も参照してください。