Anders Berntson är gruppchef på Acreos fotonikavdelning med ansvar för forskning kring höghastighetstransmission och optiska nätverk.

Nästa generationers optiska transmissionssystem kommer att använda 40 Gbit/s och 100 Gbit/s. Vad som krävs tekniskt för att lyckas med detta är något som intresserat forskare vid Acreo under ett flertal år. Bland annat har man utvecklat och patenterat nya modulationsformat optimerade för höghastighetstransmission. Acreo har också i en serie fältförsök tillsammans med TeliaSonera demonstrerat transmission vid både 40 Gbit/s och 100 Gbit/s.

I ett optiskt transmissionssystem kan signaler från flera olika laserkällor sändas i samma optiska fiber. Signalerna har olika våglängd och kan kombineras i sändaren och sedan åter separeras i mottagaren. En nyckelkomponent i denna teknik som kallas WDM ( Wavelength Division Multipelxing) är den optiska fiberförstärkaren som effektivt förstärker alla signaler i fibern samtidigt, se figur 1.

Optiska förstärkare fungerar i ett våglängdsintervall kring 1550 nm och där har dessutom optiska fibrer mycket låga förluster (0,2 dB/km). Optiska transmissionssystem arbetar därför ofta i ett fönster från 1530 nm till 1565 nm.

Genom WDM-tekniken kan överföringskapaciteten i en fiber bli mycket hög, i kommersiella system typiskt upp till 80 kanaler med 10 Gbit/s per kanal = 0,8 Tbit/s. Givet den totala kapaciteten så är antalet våglängdskanaler i princip en designparameter för ett WDM-system: Få våglängder med hög bithastighet per kanal eller många med lägre bithastighet.

Valet är i praktiken styrt av två faktorer. För det första utgör lasrarna en stor del av kostnaden för ett WDM-system. Det är därför fördelaktigt att aggregera data elektriskt till höga bithastigheter för att minska antalet våglängder som behöver användas. För det andra så är elektronikens bandbredd begränsad, något som resulterar i att det finns en maximal bithastighet per kanal.

Bandbredd på tillgänglig elektronik har utvecklats över tiden. De första WDM-systemen som kom arbetade med 2.5 Gbit/s/kanal, nu är 10 Gbit/s/kanal standard.

En förutsättning för att kunna migrera till högre bithastigheter är att det finns elektronik för sändare och mottagare med tillräcklig bandbredd. För 40 Gbit/s är detta uppfyllt. Problemen är istället relaterade till att signalen påverkas av överföringen i fibern. Ju högre bithastighet desto mer degraderas signalen av överföringen och i då begränsas det praktiska överföringsavståndet.

Ett viktigt randvillkor för system vid 40 Gbit/s är kravet på att delvis använda den infrastruktur som redan finns. Exempelvis bestäms avstånd mellan optiska förstärkare av befintliga telestationer. Kanalseparationen i WDM är standardiserad av ITU till 100 GHz eller 50 GHz och ett designmål för 40 Gbit/s är kompatibilitet med åtminstone 100 GHz våglängdsgrid. I praktiken innebär detta att signalen ska tåla en optisk filtrering med cirka 50 GHz bandbredd.

Fiberförlusterna må vara små, men när överföringsavstånden är långa så måste de ändå motverkas av optiska förstärkare på typiskt 80-100 km avstånd. Även om optiska förstärkare har mycket bra prestanda (typiskt 4,5 dB brusfaktor och 30 dB förstärkning) så adderar de brus till signalen. En signal med 40 Gbit/s kräver större bandbredd i mottagaren och den är därför också mer bruskänslig.

Optiska fibrer har kromatisk dispersion - olika våglängder har olika grupplöptid genom systemet. En signal som består av ett band av frekvenser distorderas därför. Detta motverkas vid 10 Gbit/s genom dispersionskompensering i en fiber som designats för att ha motsatt dispersion jämfört med transmissionsfibern. Eftersom dispersionskompenserande fiber innebär en kostnad används de minimalt. För system konstruerade för 10 Gbit/s innebär det att dispersion motsvarande 40 km - 80 km transmissionsfiber ofta är okompenserad. Vid 40 Gbit/s är toleransen mot dispersion mycket lägre än vid 10 Gbit/s och kompenseringen måste därför uppgraderas.

Dessutom så varierar fiberns dispersion med temperaturen. För länkar genom nergrävd kabel längre än cirka 2000 km vid 40 Gbit/s måste dispersionen kompenseras dynamiskt för att kompensera för temperaturvariationer. För luftledning varierar temperaturen mer, och kraven på dynamisk dispersionskompensering kommer redan för kortare länkar.

En praktisk lösning för 40 Gbit/s är att ha en dynamisk dispersionskompensator per kanal. Detta tillåter uppgradering av existerande system för 10 Gbit/s kanalvis utan att övriga kanaler påverkas.

Även om en optisk fiber är designad för att vara polarisationsoberoende så har fibrer en liten ofrivillig dubbelbrytning, (DGD, Differential Group Delay), som resulterar i att olika polarisationer har olika löptid genom fibern. Dessutom visar det sig att DGDn varierar stokastiskt i tiden. Fenomenet som kallas PMD (Polarisatation Mode Dispersion) ger upphov till en signaldistorsion som är svår att kompensera för. Flera metoder som ger partiell kompensering har föreslagits men har hittills ansetts för komplicerade att implementera. PMDn varierar starkt mellan olika fibrer, modern transmissionsfiber har låg PMD och kan användas vid 10 Gbit/s - 100 Gbit/s.

Fibrer har också ickelinjära egenskaper som innebär att brytningsindex beror av den optiska intensiteten. Detta ger vid 10 Gbit/s upphov till signaldistorsion via så kallad självfasmodulering och till interaktion mellan våglängder via korsfasmodulation och fyrvågsblandning.

Vid 40 Gbit/s är den dominerande ickelinjäriteten är så kallad IFWM (Intra-channel Four Wave Mixing) som ger upphov till amplitudvariationer och skuggpulser i tomma bitluckor.

Acreo har utvecklat och patenterat en ny modulationsteknik som är speciellt effektiv för att undertrycka ickelinjära effekter vid höghastighetstransmission. Grundidén är att fasmodulera signalen med halva bithastigheten så att intilliggande bitar är fasskiftade relativt varandra. Informationen är på vanligt vis binärt kodad i signalens intensitet. Om fasskiftet är tillräckligt stort har det visat sig att detta kraftigt reducerar effekterna av IFWM. Metoden är förhållandevis enkel att implementera. I sändaren behövs antingen en extra fasmodulator eller alternativt en mer avancerad drivning av existerande modulator. I mottagaren krävs inga förändringar.

Nyligen utvecklades grundkonceptet vidare när forskarna på Acreo insåg att fasmoduleringen inte behöver synkroniseras med dataöverföringen. Detta är viktigt eftersom olika våglängder i ett WDM-system i praktiken har aningen olika bithastighet. Asynkron fasmodulering kan utföras på alla kanaler samtidigt efter det att de kombinerats till en gemensam fiber. Det behövs bara en extra modulator per WDM-system istället för en per kanal. Konceptet fungerar med flera olika modulationsformat, exempelvis NRZ.

I en serie fältexperiment utförda i samarbete med TeliaSonera har Acreo demonstrerat möjligheten att transmittera både med 40 Gbit/s och 100 Gbit/s över existerande fiberinfrastruktur och att IFWM kan undertryckas genom fasmodulering, se figur 2. Slutsatsen är att system för 40 Gbit/s finns kommersiellt, teknologin är mogen och redo att introduceras i produktionsnät.

Det är idag ingen vits att aggregera trafik till högre bithastigheter i WDM-systemen. Utvecklingen drivs istället av klientutrusning, framför allt på IP-routrar, som har gränssnitt för 40 Gbit/s.

Transmission vid 100 Gbit/s har blivit ett hett ämne i forskningsvärlden, inte minst tack vare Ethernets ökande popularitet. Kostnadsfördelarna gör att alltmer trafik kommer in i transportnäten via Ethernetportar. En allt större del av transportnätens kapacitet går åt till att transportera Ethernetramar.

Standardiserade bithastigheter för Ethernet är 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s och 10 Gbit/s. Standardiseringen av nästa generations Ethernet har precis börjat i och med att "Higher Speed Study Group" startades av IEEE. Arbetet i denna grupp pekar på att nästa bithastighet för Ethernet kommer att bli 100 Gbit/s. När IP routrar och switchar har portar för 100 Gbit/s kommer också behovet av att överföra våglängder vid 100 Gbit/s i transportnäten.

Bithastigheten på 100 Gbit/s är inte kompatibel med av ITU standardiserade bithastigheter för optiska transportnät, 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s och 40 Gbit/s. Nästa bithastighet förväntas bli 160 Gbit/s eller eventuellt en annan multipel av 40 Gbit/s. Detta ger frågetecken kring hur 100 Gbit/s Ethernet ska bäras i transportnäten t.ex. vad gäller ramning, kanalseparation och även kring resulterande bithastighet på linjesidan.

Ett möjligt scenario är att använda ramstrukturen och kanalseparationen som är standardiserad för optiska transportnät, se figur 3. Den standardiserade ramen kallas G.709-ram och den innehåller 7% overhead för att bland annat kunna göra felrättning (FEC, Forward Error Correction) i mottagaren. FEC är mycket viktigt för att klara transport över långa avstånd. Den finns inte i Ethernetramen och inget tyder nu på att IEEE kommer att lägga till det till Ethernet-standarden.

Sedan kan bithastigheten på linjesidan anpassas så att en 100 Gbit/s Ethernet-signal ryms i G.709-ramarna. Om man antar att IEEE kommer att välja samma overhead för 100 Gbit/s som för 10 Gbit/s (64/66b blockkod) så blir bithastigheten för den standardiserade Ethernet-signalen 103 Gbit/s med overhead. Med ytterligare drygt 7% overhead från G.709-ramar så ger scenariot en bithastighet på linjesidan på 111 Gbit/s.

Vid transmission med 111 Gbit/s ställs man inför samma grundläggande problem som vid 40 Gbit/s (43 Gbit/s inklusive ramning). I scenariot med 100 GHz våglängdsgrid tillkommer ökade krav på spektral effektivitet eftersom kanalseparation ger mer än 1 bit/s/Hz. Detta kräver nya lösningar i form av nya avancerade modulationsformat där man genom att sända mer än en bit per symbol. För tillfället fokuseras mycket intresse kring DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) där två bitars information finns kodad i fasskillnaden mellan intilliggande bitluckor. DQPSK i stort sett halverar kraven på elektrisk bandbredd, klarar förmodligen kraven på spektral effektivitet och är dessutom förhållandevis tolerant mot icke-linjära effekter och dispersion. Nackdelen är framför allt ökad komplexitet i sändare och mottagare.

Kommersiella WDM-system för 100 Gbit/s finns inte idag, däremot har 100 Gbit/s och högre demonstrerats vid laboratorier runt om i världen. Acreo och TeliaSonera har gjort ett lyckat fältförsök i Uppland där signalen sändes i 208 km standardtransmissionsfiber, med samma förstärkaravstånd som för 10 Gbit/s.

Sammanfattningsvis är WDM vid 40 Gbit/s kommersiellt moget och de första installationerna i produktionsnät har gjorts. System för 100 Gbit/s finns inte ännu, men flera demonstrationer visar att 100 Gbit/s är fullt möjligt över stora delar av fiberinfrastrukturen. En nyckelteknik som behöver utvecklas för 100 Gbit/s är nya modulationsformat som ska vara spektralt effektiva och robusta mot distorsion. Därtill krävs förbättrad adaptiv dispersionskompensering.