Skrzyżowania na Autostradzie Światła

Proste połączenie światłowodowe punkt-punkt jest jak bezpośrednia droga między dwoma miastami. Jednak prawdziwa sieć to złożona pajęczyna połączonych ze sobą ścieżek, podobna do krajowego systemu autostrad. Aby zarządzać ogromnym ruchem przepływającym przez ten system, potrzebujemy inteligentnych skrzyżowań i węzłów. W sieciach optycznych nazywamy je węzłami sieci optycznej.

Węzły te są odpowiedzialne za znacznie więcej niż tylko przekazywanie sygnałów. Muszą one regenerować, kierować, dodawać i usuwać określone strumienie danych, aby zapewnić, że informacja dotrze do właściwego celu w sposób wydajny i niezawodny. Inteligencja tych węzłów przekształca zbiór kabli światłowodowych w potężną, elastyczną sieć komunikacyjną.

Regeneratory Sygnału: Przywracanie Jakości na Długich Dystansach

Gdy sygnał optyczny podróżuje przez setki lub tysiące kilometrów światłowodu, nieuchronnie ulega degradacji. Jego moc słabnie z powodu tłumienia, a jego kształt jest zniekształcany przez dyspersję i szum. Regenerator to wyspecjalizowany węzeł, którego główną funkcją jest przywrócenie sygnału do jego pierwotnej jakości.

Regeneratory Optoelektroniczne (O-E-O)

Jest to tradycyjna i najpowszechniej stosowana metoda regeneracji, obejmująca trzyetapowy proces:

1. Konwersja Optyczno-Elektryczna (O/E): Przychodzący słaby i zniekształcony sygnał optyczny jest konwertowany na sygnał elektryczny za pomocą fotodiody.
2. Regeneracja 3R (w domenie elektrycznej): Sygnał elektryczny przechodzi pełny proces odnowy, znany jako „3R”:
   • Re-amplifying (Wzmocnienie): Amplituda sygnału jest wzmacniana do odpowiedniego poziomu.
   • Re-shaping (Odtworzenie kształtu): Zniekształcony kształt impulsu jest korygowany przez układ decyzyjny, który decyduje, czy sygnał reprezentuje '0' czy '1' i generuje nowy, czysty impuls.
   • Re-timing (Odtworzenie taktowania): Układ odzyskiwania zegara wydobywa oryginalny rytm z sygnału i używa go do idealnej synchronizacji nowych impulsów, eliminując jitter.
3. Konwersja Elektro-Optyczna (E/O): W pełni odnowiony sygnał elektryczny jest używany do modulacji lasera, generując nowy, czysty i silny sygnał optyczny do dalszej podróży.

Regeneratory O-E-O są bardzo skuteczne, ale są ograniczone prędkością elektroniki i mogą stanowić wąskie gardło w ultraszybkich sieciach.

Regeneratory Całkowicie Optyczne

Aby przezwyciężyć elektroniczne wąskie gardło, opracowano regeneratory całkowicie optyczne, które wykonują funkcje 3R bezpośrednio na sygnale świetlnym. Kluczowym elementem jest nieliniowa bramka optyczna.

Bramka ta posiada charakterystykę transferu mocy w kształcie litery "S". Tłumi ona szumy na bitach '0' (utrzymując moc wyjściową na niskim poziomie mimo wahań na wejściu) i ogranicza moc bitów '1' (nasycając się na określonym wysokim poziomie). W efekcie "oczyszcza" to sygnał i poprawia stosunek sygnału do szumu w całości w domenie optycznej, co potencjalnie umożliwia znacznie wyższe prędkości transmisji.

Kluczowe Węzły Sieci WDM: OADM i OXC

W sieciach wykorzystujących multipleksację falową (WDM), kabel światłowodowy działa jak autostrada z wieloma pasami ruchu, gdzie każdy pas to inny kolor (długość fali) światła przenoszący niezależny strumień danych. Węzły w tych sieciach działają jak zjazdy, wjazdy i duże węzły przesiadkowe na tej autostradzie światła.

OADM (Optyczna Krotnica Transferowa) – Lokalny Zjazd

OADM to urządzenie, które potrafi selektywnie usunąć (wyjąć, ang. drop) jedną lub więcej określonych długości fal z głównego strumienia WDM i jednocześnie wstawić (dodać, ang. add) nowe strumienie danych na te lub inne dostępne długości fal. Wszystkie pozostałe długości fal przechodzą przez OADM bez zakłóceń.

Jest to kluczowe do tworzenia pośrednich punktów dostępu na długich trasach lub w metropolitalnych sieciach pierścieniowych, pozwalając na odbieranie i wysyłanie ruchu w danym mieście lub kampusie bez zakłócania ruchu "ekspresowego" przeznaczonego dla innych lokalizacji. Decyzja o routingu opiera się wyłącznie na kolorze światła, co jest koncepcją znaną jako routing falowy.

OXC (Przełącznica Optyczna) – Węzeł Autostradowy

OXC to znacznie potężniejszy i bardziej elastyczny węzeł, działający jak duża matryca przełączająca lub "węzeł autostradowy" dla sygnałów optycznych. Potrafi on dynamicznie przełączać pojedyncze długości fal, grupy długości fal lub nawet całe strumienie światłowodowe pomiędzy wieloma wejściowymi i wyjściowymi światłowodami.

OXC stanowią serce sieci szkieletowej. Ich kluczowe funkcje to:

• Łączenie głównych segmentów sieci (np. różnych pierścieni WDM).
• Dynamiczna rekonfiguracja topologii sieci w celu dostosowania do zmieniających się wzorców ruchu.
• Zapewnienie ochrony i odtwarzania sieci poprzez szybkie przekierowanie ruchu wokół awarii.

Wymagania Stawiane Węzłom Sieci Optycznej

Aby OADM i OXC mogły funkcjonować efektywnie i niezawodnie, muszą spełniać szereg rygorystycznych wymagań inżynierskich:

• Niskie straty wtrąceniowe i przeniki: Węzły powinny wprowadzać minimalne straty mocy sygnału. Przenik (przeciekanie sygnału z jednego kanału do drugiego) musi być ekstremalnie niski, aby uniknąć interferencji.
• Niezależność od polaryzacji: Działanie węzła nie może zależeć od stanu polaryzacji światła, który może losowo zmieniać się podczas transmisji w światłowodzie.
• Wysoka niezawodność i skalowalność: Jako krytyczne punkty infrastruktury, węzły muszą być wysoce niezawodne. Muszą być również skalowalne, umożliwiając łatwe dodawanie nowych portów lub kanałów w miarę rozwoju sieci.
• Krótkie czasy przełączania: Jest to szczególnie krytyczne dla OXC. Zdolność do przekierowania ruchu w milisekundach jest kluczowa dla zapewnienia skutecznej ochrony sieci przed awariami.
• Zdalne zarządzanie: Operatorzy muszą mieć możliwość konfigurowania, monitorowania i diagnozowania węzłów z centralnego systemu zarządzania siecią (NMS) bez konieczności interwencji fizycznej.