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波長分割多重化

2022-08-24

波長分割多重とは、異なる波長の信号を一緒に送信し、再度分離する技術を指します。せいぜい光ファイバー通信で、わずかに異なる波長を使用して複数のチャネルでデータを送信するために使用されます。この方式を採用することで光ファイバリンクの伝送容量を大幅に向上させることができ、光ファイバアンプなどの能動デバイスを組み合わせることで利用効率を向上させることができます。電気通信での応用に加えて、波長分割多重化は、単一のファイバーが複数の光ファイバーセンサーを制御する場合にも適用できます。

通信システムにおける WDM
理論的には、単一チャネルの極めて高いデータ伝送速度は、単一のファイバーが耐えられるデータ伝送容量の限界に達する可能性があり、これは、対応するチャネル帯域幅が非常に大きいことを意味します。ただし、シリカシングルモードファイバの低損失伝送窓の帯域幅（数十THz）が非常に広いため、この時点のデータレートは、光電送信機および受信機が受け入れることができるデータレートよりもはるかに大きくなります。さらに、伝送ファイバ内のさまざまな分散は広帯域幅のチャネルに非常に悪影響を及ぼし、伝送距離が大幅に制限されます。波長分割多重技術はこの問題を解決し、各信号の伝送速度を適切なレベル（10 Gbit/s）に保ちながら、複数の信号を組み合わせることで非常に高いデータ伝送速度を実現します。
国際電気通信連合 (ITU) の標準によれば、WDM は次の 2 つのタイプに分類できます。
Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM、ITU 標準 G.694.2 [7]) では、チャネルの数は 4 つまたは 8 つなどと少なく、チャネル間隔は 20 nm と比較的大きいです。公称波長範囲は 1310nm ～ 1610nm です。送信機の波長許容誤差は比較的大きく、±3 nm であるため、安定化手段のない分布帰還型レーザーを使用できます。単一チャネルの伝送速度は通常、1 ～ 3.125 Gbit/s の範囲です。したがって、結果として得られる全体的なデータレートは、Fiber-to-the-Home が実装されていない大都市圏で役立ちます。
高密度波長分割多重 (DWDM、ITU 標準 G.694.1 [6]) は、非常に大きなデータ容量に拡張するケースであり、インターネットバックボーンネットワークでも一般的に使用されます。多数のチャネル (40、80、160) が含まれているため、対応するチャネル間隔はそれぞれ 12.5、50、100 GHz と非常に小さくなります。すべてのチャネルの周波数は、特定の 193.10 THz (1552.5 nm) を基準としています。送信機は、非常に狭い波長許容要件を満たす必要があります。通常、送信機は温度安定化分布帰還レーザーです。単一チャネルの伝送速度は 1 ～ 10 Gbit/s であり、将来的には 40 Gbit/s に達すると予想されています。
エルビウムドープファイバ増幅器は増幅帯域幅が広いため、すべてのチャネルを同じデバイスで増幅できます（フルスケール CWDM 波長範囲を適用する場合を除く）。ただし、利得が波長に依存する場合、またはファイバの非線形データチャネル相互作用 (クロストーク、チャネル干渉) がある場合、問題が発生します。広帯域 (デュアルバンド) ファイバー増幅器、利得平坦化フィルター、非線形データフィードバックなどの開発など、さまざまな技術を組み合わせることで、この問題は大幅に改善されました。最高の全体的なパフォーマンスレベルを達成するには、チャネル帯域幅、チャネル間隔、送信電力、ファイバとアンプのタイプ、変調形式、分散補償メカニズムなどのシステムパラメータを考慮する必要があります。
現在の光ファイバーリンクは1本のファイバーに少数のチャンネルしか含まれていませんが、複数のチャンネルの同時動作を満たす送信機と受信機も交換する必要があり、システム全体を交換するよりも安価でより高いデータを取得できます。容量たっぷり。このソリューションによりデータ伝送容量が大幅に向上しますが、光ファイバーを追加する必要はありません。
波長分割多重化は、伝送容量の増加に加えて、複雑な通信システムの柔軟性も高めます。さまざまなデータチャネルがシステム内のさまざまな場所に存在でき、他のチャネルを柔軟に抽出できます。この場合、アドドロップマルチプレクサが必要であり、データチャネルの波長に応じて、この期間をチャネルに挿入したり、チャネルから抽出したりすることができます。アドドロップマルチプレクサは、システムを柔軟に再構成して、さまざまな場所にいる多数のユーザーにデータ接続を提供できます。
多くの場合、波長分割多重化は時分割多重化 (TDM) に置き換えることができます。時分割多重化では、さまざまなチャネルが波長ではなく到着時間によって区別されます。

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