波長分割多重

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（色）のレーザー光を使用して、多数の光搬送信号を1本の光ファイバーに多重化する技術です。^[1]この技術により、1本の光ファイバーでの双方向通信（波長分割二重化とも呼ばれる）と容量の倍増が可能になります。^[1]

WDMという用語は、一般的には波長で表わされる光搬送波に適用されますが、周波数分割多重化は、一般的には周波数で表わされる無線搬送波に適用されます。^[2]波長と周波数は同じ情報を伝達するため、これは純粋に慣例的なものです。具体的には、周波数（ヘルツ単位、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、これが光速（通常小文字の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、通常はcの約0.7倍です。実際のシステムのデータレートは、搬送周波数の数分の1です。

WDMシステムでは、送信機のマルチプレクサを使用して複数の信号を結合し、受信機のデマルチプレクサを使用して信号を分割します。^{[1]適切なタイプ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作成できます。使用される光フィルタリングデバイスは、従来、エタロン（薄膜コーティングされた光学ガラスの形状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。3つの異なるWDMタイプがあり、そのうちの1つがWDMと呼ばれているため、この技術について説明する場合は通常、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[4]}によって初めて発表され、1980年までにWDMシステムは実験室で実現されました。最初のWDMシステムは2つの信号のみを結合しました。現代のシステムは160の信号を処理できるため、基本的な100  Gbit/sのシステムを1本のファイバーペアで16  Tbit/s。320チャネルのシステムも存在します (12.5 GHz チャネル間隔、下記参照)。

WDM システムは、ファイバーを追加敷設せずにネットワークの容量を拡張できるため、通信会社に人気があります。WDM と光増幅器を使用することで、バックボーン ネットワークを全面的に改修することなく、光インフラストラクチャで数世代の技術開発に対応できます。各エンド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、特定のリンクの容量を拡張できます。

これは多くの場合、トランスポートネットワークのエッジで光から電気、そして光への変換（O/E/O）を使用することで行われ、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、コア径が 9 μm のシングルモード光ファイバーケーブルで動作します。特定の形式の WDM は、コア径が 50 μm または 62.5 μm 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ます) でも使用できます。

初期の WDM システムは高価で、運用も複雑でした。しかし、最近の標準化と WDM システムのダイナミクスに対する理解が深まったことで、WDM の導入コストは低下しました。

光受信機は、レーザー光源とは対照的に、広帯域デバイスになる傾向があります。したがって、デマルチプレクサは、WDM システム内の受信機の波長選択性を提供する必要があります。

WDM システムは、通常(WDM)、粗い(CWDM)、および高密度(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 と呼ばれることもあります) は、1 本のファイバーで 1310 および 1550 nm の 2 つの通常波長を使用します。粗い 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、チャネル間隔が高密度です。チャネル プランはさまざまですが、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。一部のテクノロジでは、12.5 GHz 間隔が可能です (超高密度 WDM と呼ばれることもあります)。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) に拡張でき、これらの数はほぼ 2 倍になります。

粗い波長分割多重方式 (CWDM) は、DWDM とは対照的に、チャネル間隔を広げて、それほど複雑ではない、したがってより安価なトランシーバ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 の伝送ウィンドウ (それぞれ 1310/1550 nm) にまたがる周波数帯域全体を使用します。 第 2 および第 3 の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^{[引用が必要]}。 この領域を回避すると、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 ファイバーを使用すると、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、単一の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、および光空間で多重化された信号を増幅する機能が異なります。EDFAはC バンドに効率的な広帯域増幅を提供し、ラマン増幅は L バンドでの増幅のメカニズムを追加します。CWDM では広帯域光増幅は利用できないため、光スパンは数十キロメートルに制限されます。

もともと、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表していました。一般に、これらの構成でのチャネル間隔と周波数の選択により、エルビウム添加光ファイバー増幅器(EDFA) の使用が不可能になりました。この用語が比較的最近 ITU で標準化される前は、CWDM の一般的な定義の 1 つは、1 つの光ファイバーに多重化された 2 つ以上の信号 (1 つの信号は 1550 nm 帯域、もう 1 つの信号は 1310 nm 帯域) でした。

2002年、ITUは1270nmから1610nmまでの波長を使用し、チャネル間隔を20nmとするCWDM用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、チャネルの中心が1nmシフトされたため、厳密に言えば中心波長は1271～1611nmです。^[5] 1470nm未満の多くのCWDM波長は、1270～1470nm帯域での減衰が増加するため、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 ^[6]規格に準拠した新しいファイバーは、1383nmでの水関連の減衰ピークをほぼ排除し、メトロポリタンネットワーク内の18のITU CWDMチャネルすべてをフルに動作させることができます。

最近の ITU CWDM 標準の主な特徴は、信号が EDFA による増幅に適切な間隔で配置されていないことです。これにより、2.5 Gbit/s信号の場合、CWDM 光スパンの合計は 60 km 程度に制限され、都市部での使用に適しています。光周波数安定化要件が緩和されたため、CWDM の関連コストは非 WDM 光コンポーネントのコストに近づきます。

CWDM はケーブルテレビネットワークで使用されており、ダウンストリーム信号とアップストリーム信号に異なる波長が使用されています。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よくあります。たとえば、ダウンストリーム信号は 1310 nm で、アップストリーム信号は 1550 nm である場合があります。^{[引用が必要]}

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1つの光信号を伝送するCWDMシステムの一例です。3.125Gbit/sデータストリームは、10Gbit/sの集約データを伝送するために使用されます。^[7]

パッシブ CWDM は、電力を消費しない CWDM の実装です。バンドパス フィルターやプリズムなどのパッシブ光学部品を使用して波長を分離します。多くのメーカーが、家庭に光ファイバーを敷設するためにパッシブ CWDM を推進しています。^{[引用が必要]}

高密度波長分割多重(DWDM) とは、もともと 1550 nm 帯域内で多重化された光信号のことであり、約 1525～1565 nm ( C 帯域)、または 1570～1610 nm ( L 帯域) の波長に有効なエルビウム添加光ファイバー増幅器(EDFA) の機能 (およびコスト) を活用するものです。EDFA はもともとSONET/SDH光電気光 (OEO)再生器の置き換えとして開発されましたが、EDFA の登場により SONET/SDH 光電気光 (OEO)再生器は事実上時代遅れとなりました。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 エネルギーがある限り、増幅帯域に多重化できる限り多くの光信号を増幅できます (ただし、信号密度は変調形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、既存の EDFA または長距離ルートの一連の EDFA を維持しながら、リンクの端にある機器のみを交換することで、単一チャネルの光リンクのビット レートをアップグレードできます。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。したがって、EDFA のコストは、1550 nm 帯域に多重化できるチャネル数に応じて活用されます。

この段階では、基本的な DWDM システムにはいくつかの主要コンポーネントが含まれています。

1. DWDM端末マルチプレクサ。端末マルチプレクサには、各データ信号用の波長変換トランスポンダ、光マルチプレクサ、および必要に応じて光増幅器 (EDFA) が含まれます。各波長変換トランスポンダは、SONET/SDH などのクライアント層からの光データ信号やその他のタイプのデータ信号を受信し、この信号を電気領域に変換し、1,550 nm 帯のレーザーを使用して特定の波長で信号を再送信します。これらのデータ信号は、光マルチプレクサを使用して多波長光信号に結合され、単一のファイバー (SMF-28 ファイバーなど) で送信されます。端末マルチプレクサには、多波長光信号の電力増幅用のローカル送信 EDFA が含まれる場合と含まれない場合があります。1990 年代半ばの DWDM システムには 4 つまたは 8 つの波長変換トランスポンダが含まれていましたが、2000 年頃までに、128 の信号を伝送できる商用システムが利用可能になりました。
2. 中間ライン リピータは、信号がファイバーに沿って移動する際に光パワーの損失を補うために、約 80 ～ 100 km ごとに配置されます。「多波長光信号」は、通常、複数の増幅段で構成される EDFA によって増幅されます。
3. 中間光端末、または光アドドロップマルチプレクサ。これは、リモートサイトに到達するまでに最大 140 km 以上を移動した可能性のある多波長信号を増幅するリモート増幅サイトです。光ファイバーの破損や信号障害の場所を特定できるように、このようなサイトで光診断とテレメトリを抽出または挿入することがよくあります。より高度なシステム (ポイントツーポイントではなくなった) では、多波長光信号からいくつかの信号が削除され、ローカルでドロップされる場合があります。
4. DWDM端末デマルチプレクサ。リモート サイトでは、光デマルチプレクサと 1 つ以上の波長変換トランスポンダで構成される端末デマルチプレクサが、多重波長光信号を個々のデータ信号に分離し、クライアント層システム (SONET/SDH など) 用の別々のファイバーに出力します。元々、ほとんどの SONET システムは 1,550 nm 信号を受信できるため、このデマルチプレクシングは一部のテレメトリを除いて完全にパッシブに実行されていました。ただし、リモート クライアント層システムへの送信を可能にするため (およびデジタル ドメインの信号整合性の判定を可能にするため)、このようなデマルチプレクシングされた信号は通常、クライアント層システムに中継される前に O/E/O 出力トランスポンダに送信されます。多くの場合、出力トランスポンダの機能は入力トランスポンダの機能に統合されているため、ほとんどの商用システムには、1,550 nm (内部) 側と外部 (クライアント側) 側の両方で双方向インターフェイスをサポートするトランスポンダが搭載されています。 40 GHz の公称動作をサポートする一部のシステムのトランスポンダーは、 ITU-T G.709標準で説明されているように、デジタル ラッパーテクノロジを介して前方誤り訂正(FEC)を実行することもできます。
5. 光監視チャネル (OSC)。これは、通常 EDFA 増幅帯域外の追加波長 (1,510 nm、1,620 nm、1,310 nm または別の専用波長) を使用するデータ チャネルです。OSC は、多波長光信号に関する情報と、光端末または EDFA サイトのリモート状態を伝送します。また、通常はリモート ソフトウェア アップグレードやユーザー (ネットワーク オペレータ) のネットワーク管理情報にも使用されます。これは、SONET の DCC (または監視チャネル) の多波長アナログです。ITU 標準では、OSC が OC-3 信号構造を利用することを推奨していますが、一部のベンダーはファースト イーサネットまたは別の信号形式を使用することを選択しています。クライアント データを含む 1550 nm 多波長信号とは異なり、OSC は常に中間増幅器サイトで終端され、再送信前にローカル情報を受信します。

2002年にITU-T G.694.1 ^[8] 周波数グリッドが導入されたことで、WDMを旧式だがより標準的なSONET/SDHシステムに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100GHz (約0.8nm)間隔のグリッドに配置され、基準周波数は193.10THz (1,552.52nm) に固定されている。^[9]メイングリッドは光ファイバーアンプの帯域幅内に配置されているが、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によってSprintネットワークで行われた。^{[10] [11] [12]}今日のDWDMシステムは、最大160チャネルの動作に50GHzまたは25GHzのチャネル間隔を使用している。^{[更新が必要] [13]}

DWDM システムは、波長の間隔が狭いため、CWDM に必要な波長または周波数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ウィンドウからのドリフトを防ぐために、レーザー トランスミッターの精密な温度制御が必要です。さらに、DWDM は最大容量が大きいため、インターネット バックボーンなど、CWDM よりも通信階層の上位レベルで使用される傾向があり、そのため変調速度が高くなります。そのため、非常に高性能な DWDM デバイスの市場は小さくなります。これらの小型で高性能という要因により、DWDM システムは一般に CWDM よりも高価になります。

DWDM トランスポート システムの最近の革新には、40 または 80 チャネルで動作可能な、プラグ可能でソフトウェアで調整可能なトランシーバー モジュールが含まれています。これにより、少数のプラグ可能なデバイスで全波長範囲を処理できるため、個別の予備のプラグ可能なモジュールの必要性が大幅に減少します。

波長変換トランスポンダは、もともとクライアント層信号の送信波長を 1,550 nm 帯域の DWDM システムの内部波長の 1 つに変換していました。1,550 nm の外部波長は、必要な周波数安定性許容値やシステムの EDFA に必要な光パワーがほぼ確実にないため、変換が必要になる可能性が高くなります。

しかし、1990 年代半ばに、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取り入れるようになりました。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、オーバーヘッド監視マルチビットレート 3R 再生器へと進化しました。これらの違いを以下に概説します。

1R

再送信。基本的に、初期のトランスポンダは、受信した光信号のアナログコピーに近い出力で、信号のクリーンアップはほとんど行われず、入力したデータがゴミであれば出力されるデータもゴミでした。信号が劣化しすぎる前に、クライアント レイヤーの受信機 (おそらく別のベンダーのもの) に信号を渡す必要があったため、初期の DWDM システムの範囲は制限されていました。信号の監視は、基本的に受信電力などの光ドメイン パラメータに限定されていました。

2R

再時間調整と再送信。このタイプのトランスポンダーはあまり一般的ではなく、信号のクリーンアップに準デジタルのシュミットトリガー方式を採用していました。このようなトランスミッターでは、基本的にアナログパラメータを確認する基本的な信号品質の監視が行われていました。

3R

再時間、再送信、再形成。3R トランスポンダーは完全にデジタル化されており、通常は A1 や A2 などの SONET/SDH セクション レイヤー オーバーヘッド バイトを表示して信号品質の状態を判断できます。多くのシステムでは2.5 Gbit/sトランスポンダーが提供されており、これは通常、トランスポンダーが OC-3/12/48 信号、および場合によってはギガビット イーサネットで 3R 再生を実行し、SONET/SDH セクション レイヤー オーバーヘッド バイトを監視することで信号の状態を報告できることを意味します。多くのトランスポンダーは、双方向で完全なマルチレート 3R を実行できます。一部のベンダーは10 Gbit/sトランスポンダーを提供しており、これは OC-192 までのすべてのレートでセクション レイヤー オーバーヘッドの監視を実行します。

マックスポンダー

マックスポンダー(多重化トランスポンダーから) は、ベンダーによって名前が異なります。基本的には、システム内で低速信号を高速キャリアに時分割多重化する比較的単純な処理を実行します (一般的な例としては、4 つの OC-48 を受け入れ、1,550 nm 帯域で 1 つの OC-192 を出力する機能があります)。最近のマックスポンダー設計では、TDM 機能がますます多く取り入れられており、従来のSONET/SDHトランスポート機器が不要になる場合もあります。

DWDM の場合、8、16、40、または 96 サイズの Mux/Demux では、C21 ～ C60 の範囲が最も一般的な範囲です。

前述のように、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ドロップと追加が可能です。2006 年 8 月現在で導入されているほとんどのシステムでは、波長の追加やドロップ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、この処理は頻繁に行われません。この処理にはコストがかかり、一部のシステムでは、波長固有のカードを挿入または取り外すと多波長光信号が中断されるため、DWDM システムからすべてのアクティブ トラフィックを削除する必要があります。

ROADM を使用すると、ネットワーク オペレータはソフト コマンドを送信してマルチプレクサをリモートで再構成できます。ROADM のアーキテクチャでは、波長のドロップや追加によってパススルーチャネルが中断されることはありません。さまざまな商用 ROADM には、コスト、光パワー、柔軟性の間でトレードオフを行う多数の技術的アプローチが採用されています。

ネットワーク トポロジがメッシュで、ノードが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に信号をルーティングするために追加のファイバー相互接続デバイスが必要です。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 (「不透明」)、光 (「透明」)、波長選択デバイスなど、さまざまなカテゴリがあります。

Ciscoの拡張 WDM システムは、2 種類の異なる多重化テクノロジを組み合わせて光ファイバー経由でデータを送信するネットワーク アーキテクチャです。

EWDM は、 SFP および GBIC を使用した1 Gbit/s の粗波長分割多重 (CWDM) 接続と、XENPAK、X2、またはXFP DWDM モジュールを使用した10 Gbit/s の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 システムでは、パッシブまたはブースト DWDM 接続のいずれかを使用して、接続範囲を長くすることができます。さらに、C フォーム ファクタ プラガブルモジュールは、高速インターネット バックボーン接続に適した 100 Gbit/s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、またはOM3/OM4ファイバーの2つのファイバー接続で使用します。 ^[7]

トランシーバー

単一波長での通信は一方向 (単方向通信) であり、ほとんどの実際の通信システムでは双方向 (二重通信) 通信が必要なため、同じファイバー上では 2 つの波長が必要になります。いわゆるファイバー ペアで別々のファイバーが使用される場合、通常は同じ波長が使用され、WDM ではありません。その結果、各端で送信機と受信機の両方が必要になります。送信機と受信機の組み合わせはトランシーバーと呼ばれ、電気信号と光信号の間で変換します。シングル ストランド動作用に作られた WDM トランシーバーでは、反対側の送信機が異なる波長を使用する必要があります。WDM トランシーバーでは、送信機と受信機のパスを 1 つのファイバー ストランドに結合するために、光スプリッター/コンバイナーも必要です。

• 粗い WDM (CWDM) トランシーバーの波長: 1271 nm、1291 nm、1311 nm、1331 nm、1351 nm、1371 nm、1391 nm、1411 nm、1431 nm、1451 nm、1471 nm、1491 nm、1511 nm、1531 nm、1551 nm、1571 nm、1591 nm、1611 nm。
• 高密度 WDM (DWDM) トランシーバー: ITU-T に準拠したチャネル 17 からチャネル 61。

トランスポンダ

実際には、信号の入力と出力は電気ではなく光 (通常は 1550 nm) になります。つまり、実際には波長変換器が必要になりますが、これがまさにトランスポンダです。トランスポンダは、2 つのトランシーバを前後に配置して構成できます。最初のトランシーバは 1550 nm の光信号を電気信号に変換し、2 番目のトランシーバは電気信号を必要な波長の光信号に変換します。中間の電気信号を使用しないトランスポンダ (全光トランスポンダ) が開発中です。

光トランスポンダーの意味に関するさまざまな機能的観点については、 「トランスポンダー (光通信)」も参照してください。

• アドドロップマルチプレクサ – DWDMチャネルの内容を操作します
• アレイ導波路格​​子 - 光マルチプレクサコンポーネント
• 符号分割多重アクセス - さまざまな無線通信技術で使用されるチャネルアクセス方式
• ダークファイバー – 未使用の光ファイバー
• 周波数分割多重化 - 電気通信における信号処理技術
• IPoDWDM  – IP専用光ネットワーク
• 多波長光ネットワーク – SONET 光ネットワークの後継として提案されている
• 光インターネットワーキングフォーラム – 非営利団体
• 光メッシュネットワーク – メッシュトポロジを使用した光ネットワーク
• 光トランスポートネットワーク – 光データパッケージの標準リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 軌道角運動量多重化 - 光多重化技術
• 差動直交位相シフトキーイング – データ符号化の種類
• フォトダイオード – 光を電流に変換する
• 偏波モード分散 – モード分散の形態
• SELFOCマイクロレンズ – 光学技術
• 小型フォームファクタ プラガブル トランシーバ – モジュラー通信インターフェースリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 分光計 – 光のスペクトル成分を測定するために使用
• スーパーチャネル – 拡張 DWDM
• 時分割多重化 – デジタル信号の多重化技術

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