In den 1990er-Jahren revolutionierte DWDM den Telekommunikationssektor dank der drastischen Steigerung der Netzwerkkapazität. Das Hauptproblem dieser Systeme ist jedoch ihre feste Bandbreite: Die Konnektivität ist bei der Installation vordefiniert, und nachträgliche Änderungen sind aufwendig und kostspielig. Dienste wie IPTV oder Video-on-Demand benötigen hingegen eine unvorhersehbare Bandbreite, die bedarfsgerecht konfiguriert werden muss. Die Lösung besteht also nicht einfach in der Erweiterung der Kapazität. Betreiber müssen ihre DWDM-Netzwerke schnell und transparent rekonfigurieren können, um bei Bedarf mehr Bandbreite bereitzustellen. Daher ist ein Übergang von einem statischen System zu einer dynamischen und rekonfigurierbaren Architektur erforderlich. Hier kommt die ROADM-Technologie (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) ins Spiel.
ROADMs ermöglichen ein flexibles und effizientes Bandbreitenmanagement in DWDM-Netzen, indem sie je nach Verkehrsbedarf unterschiedliche DWDM-Kanäle bereitstellen und umschalten (Abbildung 1). Einige Netzbetreiber haben ROADMs bereits in ihren Weitverkehrsnetzen und seit Kurzem auch in Ballungsräumen eingesetzt. Diese Implementierungen waren in Nordamerika und Japan, wo die Glasfaser-Videoübertragung weiter entwickelt ist, weit verbreitet, während sie in Europa noch relativ selten sind. 

 

Erst seit Kurzem ist die Nachfrage nach ROADMs auf dem europäischen Markt gestiegen. Der ROADM-Markt ist sehr vielfältig und umfasst zahlreiche Hersteller mit unterschiedlichen Technologien, abhängig von Anwendung und Netzwerktyp. In diesem Artikel werden wir diesen Markt genauer beleuchten und einige der von den Herstellern angebotenen Produkte untersuchen.

Technologien und Anwendungen.
Der ROADM-Markt lässt sich grob in zwei Hauptanwendungsbereiche unterteilen. Zum einen gibt es Backbone-ROADMs, die im Kernnetz eingesetzt werden und sich durch einen hohen Preis und eine überdurchschnittliche Leistung auszeichnen. Zum anderen konzentrieren sich einige Hersteller auf die Entwicklung von ROADMs für Metropolregionen, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. ROADMs für Metropolregionen müssen kompakter und kostengünstiger sein als solche, die für Weitverkehrsnetze optimiert sind. Daher unterscheidet sich die in den jeweiligen Anwendungsbereichen und Netzwerkumgebungen eingesetzte Technologie.
Unter den verschiedenen verfügbaren Technologien sind Wellenlängenblocker besonders interessant. In Kombination mit variablen optischen Dämpfungsgliedern (VOAs) und integrierten DWDM-Multiplexern/Demultiplexern können DWDM-Signale in zwei verschiedene Pfade (Drop und Through) aufgeteilt werden, um neue Kanäle hinzuzufügen. Abbildung 2 veranschaulicht schematisch die Anwendung in einem ROADM. Obwohl Wellenlängenblocker nicht so flexibel sind wie einige neuere Designs, stellen sie aufgrund ihrer geringeren Kosten eine attraktive Option für Weitverkehrsnetze dar. Die meisten Wellenlängenblocker nutzen Flüssigkristallschalter. Diese Technologie wurde bereits ausführlich erläutert (Conectrónica Nr. 59, S. 10–16, Juli 2002). Beispiele hierfür sind Produkte von JDSU, Xtellus und Avanex. Diese Technologie bietet eine gute Leistung zu geringeren Kosten als Designs auf Basis räumlicher Optik. Durch die Steuerung der Kanalpolarisation können Kanäle teilweise gedämpft oder vollständig blockiert werden. Darüber hinaus lassen sich viele Kanäle (128/64) mit geringem Kanalabstand (50/100 GHz) und hohen Übertragungsgeschwindigkeiten (10 und 40 Gbit/s) ansteuern.
Für Anwendungen in Ballungsräumen sind Flüssigkristall-basierte Bauelemente jedoch noch zu teuer. Betrachten wir eine einfache Anwendung wie einen Add/Drop-Multiplexer in einem Ringnetzwerk. In diesem speziellen Fall schlagen JDSU und NeoPhotonics einen 2D-ROADM auf Basis planarer optischer Schaltungen (PLCs) vor, der Schalter, Gitter und andere Komponenten enthält, die sich leicht auf einem Siliziumchip integrieren lassen. Aktuelle PLC-basierte ROADMs zeichnen sich durch geringe Einfügungsdämpfung und große Bandbreiten aus und ermöglichen so den Betrieb mit 40 Gbit/s und 100 GHz Kanalabstand. Typischerweise verwenden sie AWGs zur Filterung (Multiplexer/Demultiplexer), Mikrosekunden-Schalter, Wellenlängenmonitore und VOAs zur dynamischen Kanalentzerrung. Ein Beispiel für einen solchen Gerätetyp ist in Abbildung 3 dargestellt.
Trotz der Integrationsvorteile der PLC-Technologie ist ihre Rekonfigurierbarkeit und Skalierbarkeit jedoch begrenzt, was mit steigender Bitrate und sinkendem Kanalabstand deutlicher wird. Prognosen zufolge werden in den nächsten zwei Jahren 70 % der ROADM-Entwicklungen lediglich 2D-Funktionalitäten benötigen, doch die Zukunft sieht anders aus. Flüssigkristallbasierte Technologie ermöglicht im Wesentlichen zwei Betriebszustände, die von der Signalpolarisation abhängen. Daher lässt sich ein 1x2-Schalter leicht realisieren, für ein 1x4-Schema sind jedoch zwei Stufen und für ein 1x8-Schema drei Stufen erforderlich. Dies erhöht die Systemkomplexität (reduzierte Skalierbarkeit) und führt zu einem signifikant höheren Energieverbrauch. Daher ist ein anderer Ansatz erforderlich. 

Um volle Skalierbarkeit zu erreichen, setzen einige Hersteller auf MEMS-Technologie (mikroelektromechanische Systeme), die die Entwicklung wellenlängenselektiver Schalter (WSS) ermöglicht. Diese Bauelemente erlauben die Auswahl einer oder mehrerer Wellenlängen des DWDM-Signals, die dann an einen oder mehrere Ausgangsports weitergeleitet werden. Diese multidimensionale Lösung ermöglicht die flexible und effiziente, simultane Verwaltung beider Add/Drop-Kanäle des ROADM. Capella beispielsweise produziert 10-Port-WSS-Bauelemente in 1x9- und 9x1-Konfigurationen mit Versionen, die 45 Kanäle bei 100 GHz bzw. 96 Kanäle bei 50 GHz für Metropol- und Backbone-Anwendungen bieten (Abbildung 4). Weitere Unternehmen, die MEMS-basierte Bauelemente entwickeln, sind Xtellus, DiCon und JDSU.
Abschließend sei erwähnt, dass Optium einen WSS auf Basis der LCoS-Technologie (Liquid Crystal on Silicon) entwickelt hat, die auch in LCD-Displays für Endverbraucher zum Einsatz kommt. LCoS besteht aus einer Flüssigkristallschicht, die von einer aktiven Matrix-CMOS-Rückwandplatine gesteuert wird. Im Gegensatz zu MEMS besitzt es keine beweglichen Teile und ist daher unempfindlich gegenüber Vibrationen. Es verfügt zudem über eine hohe Pixelanzahl pro Kanal, was fortschrittliche Funktionen wie Dispersionskompensation und allgemein Leistungsoptimierung per Software ermöglicht. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für ein solches Gerät.
Wirtschaftlichkeitsanalyse:
Vor etwas mehr als einem Jahr führte Network Strategy Partners, LLC eine vergleichende Wirtschaftlichkeitsanalyse von ROADM-Lösungen gegenüber fest installierten OADMs durch. Als Fallbeispiel diente das Cisco ONS 15454 ROADM-System. Die Ergebnisse zeigten, dass ROADMs im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen Einsparungen (Investitions- und Betriebskosten) ermöglichten, insbesondere in Mesh-Netzwerken mit schwankendem Datenverkehr, schnellem Wachstum und hoher Kapazität. Einige dieser Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt und bestätigen, dass die Installation von ROADMs in Netzwerken einen positiven ROI sowie eine höhere Skalierbarkeit und Flexibilität im Netzwerkmanagement bietet.

 

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Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik.
Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.