Apakah itu Wavelength Division Multiplexing (WDM): Panduan Teknikal

Rangkaian gentian optik global, melebihi 1.8 juta km pada 2025, bergantung pada teknologi inovatif untuk memenuhi permintaan lebar jalur yang semakin meningkat daripada 5G, pengkomputeran awan dan IoT. Pemultipleksan Bahagian Panjang Gelombang (WDM) menonjol sebagai asas, membolehkan berbilang aliran data bergerak serentak melalui satu gentian. Panduan ini menyelidiki prinsip, jenis, aplikasi dan trend masa depan WDM. Disesuaikan untuk profesional mencari penyelesaian daripada CommMesh, ia memberikan pemahaman yang komprehensif untuk mengoptimumkan rangkaian berkapasiti tinggi.

Pengenalan kepada Pemultipleksan Bahagian Panjang Gelombang (WDM)

Pemultipleksan Bahagian Panjang Gelombang (WDM) ialah teknik penghantaran gentian optik yang menggabungkan berbilang isyarat optik pada panjang gelombang yang berbeza menjadi satu gentian, meningkatkan kapasitinya dengan ketara. Setiap panjang gelombang, atau "saluran," membawa aliran data bebas, membenarkan lebar jalur sehingga 400 Gbps setiap saluran, dengan kapasiti agregat mencecah terabit sesaat (Tbps) apabila menggunakan berbilang saluran. Diperkenalkan pada 1980-an, WDM telah berkembang daripada sistem asas kepada pelaksanaan canggih yang menyokong telekomunikasi moden. Sehingga 2025, dengan trafik data berganda setiap 18–24 bulan (per Cisco), WDM amat diperlukan untuk rangkaian jarak jauh, metro dan akses.

Prinsip Pegandaan Pembahagian Panjang Gelombang

WDM beroperasi dengan mengeksploitasi lebar jalur gentian optik yang luas, yang boleh menyokong beribu-ribu panjang gelombang dalam julat 1260–1675 nm, dihadkan oleh pengecilan gentian (cth, 0.2 dB/km pada 1550 nm). Prinsip teras termasuk:

1. Peruntukan Panjang Gelombang
   • Setiap saluran menggunakan panjang gelombang yang berbeza, jarak 0.8 nm (100 GHz) atau 0.4 nm (50 GHz) dalam jalur C (1530–1565 nm) atau jalur L (1565–1625 nm), setiap grid ITU-T G.694.1.
   • Contoh: 40 saluran pada jarak 100 GHz menghasilkan 16 Tbps dengan 400 Gbps setiap saluran.
2. Multiplexing dan Demultiplexing
   • Multiplexing: Pemultipleks (MUX) menggabungkan panjang gelombang menggunakan penapis filem nipis atau kisi pandu gelombang tersusun (AWG), memastikan kehilangan sisipan <0.5 dB.
   • Demultiplexing: Demultiplexer (DEMUX) memisahkan panjang gelombang pada penerima, dengan crosstalk di bawah -30 dB.
   • Nota Teknikal: Penguat optik (cth, EDFA) isyarat rangsangan setiap 80–100 km, mengimbangi kehilangan 20–25 dB.
3. Penyebaran Cahaya
   • Isyarat bergerak melalui pantulan dalaman total dalam teras gentian (indeks biasan ~1.46), dengan penyebaran (cth, 17 ps/nm/km) diuruskan oleh gentian pemampasan penyebaran (DCF).
   • Kesan bukan linear seperti pencampuran empat gelombang diminimumkan dengan jarak panjang gelombang yang tepat.

Jenis Pembahagian Panjang Gelombang Multiplexing

Varian WDM memenuhi keperluan kapasiti dan kos yang berbeza:

1. Pengandaan Bahagian Panjang Gelombang Kasar (CWDM)
   • Prinsip: Menggunakan jarak panjang gelombang yang lebih luas (20 nm, cth, 1470–1610 nm), menyokong 18 saluran dengan 2.5–10 Gbps setiap satu.
   • Kelebihan: Kos yang lebih rendah ($500–$2000 setiap MUX) dan optik yang lebih ringkas, dengan kehilangan <3 dB.
   • Aplikasi: Rangkaian metro jarak dekat (50–80 km) dan rangkaian kampus.
   • Had: Terhad kepada 8–18 saluran kerana jarak yang lebih luas, mengikut ITU-T G.694.2.
2. Pengandaan Bahagian Panjang Gelombang Padat (DWDM)
   • Prinsip: Menggunakan jarak sempit (0.8 nm atau 100 GHz, cth, 1530–1565 nm), menyokong 40–96 saluran dengan 10–400 Gbps setiap satu.
   • Kelebihan: Kapasiti tinggi (sehingga 96 Tbps), dengan kehilangan <0.5 dB setiap saluran, dikuatkan oleh EDFA setiap 80 km.
   • Aplikasi: Rangkaian jarak jauh (100–3000 km) dan tulang belakang.
   • Had: Kos yang lebih tinggi ($5000–$10,000 setiap sistem) dan kawalan suhu kompleks (±0.1°C).
3. WDM Dwiarah (BWDM)
   • Prinsip: Menggunakan gentian yang sama untuk lalu lintas hulu dan hilir pada panjang gelombang yang berbeza (cth, 1310 nm dan 1550 nm).
   • Kelebihan: Menggandakan kapasiti pada gentian sedia ada, dengan kehilangan <1 dB.
   • Aplikasi: FTTH (Fiber to the Home) dan rangkaian berskala kecil.
   • Had: Terdedah kepada 0.2 dB crosstalk, memerlukan penapis yang tepat.

Komponen Teknikal Sistem WDM

WDM bergantung pada perkakasan khusus:

1. Pemancar dan Penerima
   • Laser memancarkan panjang gelombang tertentu (cth, 1550.12 nm) dengan kestabilan ±0.1 nm, dimodulasi pada 10–400 Gbps menggunakan NRZ atau QAM.
   • Penerima menggunakan fotodiod untuk mengesan isyarat, dengan sensitiviti -28 dBm.
2. Pemultipleks Tambah-Letak Optik (OADM)
   • OADM menambah atau menggugurkan panjang gelombang individu (cth, 1550.92 nm) dengan kehilangan <0.3 dB, membolehkan fleksibiliti rangkaian.
   • Digunakan dalam topologi cincin untuk masa operasi 99.9%.
3. Penguat
   • Penguat Gentian Berdoping Erbium (EDFA) meningkatkan 20–30 dB setiap 80–100 km, beroperasi dalam jalur C dengan angka hingar 5–7 dB.
   • Penguat Raman memanjangkan jangkauan hingga 150 km dengan keuntungan 15–20 dB.
4. Pampasan Serakan
   • Modul DCF membetulkan serakan 17 ps/nm/km, memastikan integriti isyarat melebihi 1000 km.
   • Nota Teknikal: Menambah kehilangan 0.5–1 dB tetapi menghalang herotan isyarat 10%.

Aplikasi Pengandaan Bahagian Panjang Gelombang

Fleksibiliti WDM menjadikannya penting dalam pelbagai seni bina rangkaian pada 2025:

1. Rangkaian Jarak Jauh dan Tulang Belakang
   • Sistem DWDM menyokong kabel transoceanic, dengan 96 saluran menyampaikan 38.4 Tbps lebih 10,000 km, diperkuatkan setiap 80 km. Contoh: Rangkaian Kabel Asia-Pasifik 2025 (APCN-3) menggunakan DWDM untuk mengendalikan 50 Tbps, setiap TeleGeografi.
   • Nota Teknikal: EDFA mengekalkan nisbah isyarat kepada hingar (SNR) melebihi 20 dB, memastikan kadar ralat di bawah 10^-12.
2. Rangkaian Metro dan Akses
   • CWDM sesuai untuk 50–80 km cincin bandar, dengan 8–18 saluran pada 10 Gbps setiap satu, mengurangkan kos sebanyak 40% berbanding DWDM. Contoh: Penggunaan metro Verizon di bandar-bandar AS menggunakan CWDM untuk fronthaul 5G, menyokong pautan 100 Gbps.
   • BWDM mendayakan FTTH, dengan panjang gelombang dwiarah 1310/1550 nm yang menyampaikan 1 Gbps setiap rumah.
3. Pusat Data
   • DWDM menghubungkan rak melebihi 100 meter, dengan 40 saluran pada 400 Gbps berjumlah 16 Tbps. Kemudahan hiperskala seperti dari Amazon Web Services (AWS) bergantung pada DWDM untuk trafik awan, mengendalikan petabait setiap hari.
   • Nota Teknikal: OADM membenarkan saluran dinamik jatuh, dengan masa konfigurasi semula di bawah 50 ms.
4. Rangkaian Perusahaan dan Kampus
   • CWDM menghubungkan bangunan pada 10 Gbps setiap saluran, dengan unit MUX/DEMUX kos rendah. Contoh: Universiti di Eropah menggunakan CWDM untuk rangkaian seluruh kampus, per ETSI laporan.

Metrik Prestasi Sistem WDM

Prestasi WDM dinilai melalui parameter utama:

1. Kapasiti Saluran dan Lebar Jalur
   • DWDM menawarkan 40–96 saluran (sehingga 96 Tbps agregat), dengan kadar setiap saluran 10–400 Gbps menggunakan modulasi koheren (cth, QPSK atau 16-QAM).
   • CWDM menghadkan kepada 18 saluran (sehingga 180 Gbps), sesuai untuk persediaan sensitif kos.
   • Nota Teknikal: Kecekapan spektrum mencapai 4–8 bit/s/Hz dalam DWDM, setiap ITU-T G.694.1.
2. Pengecilan dan Jangkauan
   • Kehilangan gentian (0.2 dB/km pada 1550 nm) diimbangi oleh EDFA (pertambahan 20–30 dB), memanjangkan jangkauan hingga 1000 km tanpa penjanaan semula.
   • Serakan (17 ps/nm/km) dikurangkan oleh DCF, mengekalkan kadar ralat bit (BER) di bawah 10^-9.
   • Perbezaan: Jangkauan CWDM ialah 80 km tanpa amplifikasi, berbanding 3000 km DWDM dengan amp Raman.
3. Crosstalk dan Kebisingan
   • Crosstalk saluran dikekalkan di bawah -30 dB dengan penapis AWG, manakala angka hingar EDFA (4–6 dB) mengehadkan SNR kepada 20–25 dB.
   • Kesan bukan linear seperti modulasi fasa kendiri (SPM) diuruskan dengan tahap kuasa <5 dBm setiap saluran.
4. Kebolehpercayaan dan Latensi
   • Sistem WDM mencapai masa aktif 99.999% dengan penguat berlebihan, menambah <0.1 ms kependaman setiap MUX/DEMUX.
   • Nota Teknikal: OSNR (nisbah isyarat kepada hingar optik) mesti melebihi 20 dB untuk penghantaran 400 Gbps.

Cabaran dalam Melaksanakan WDM

Penggunaan WDM menghadapi beberapa halangan teknikal:

1. Kos dan Kerumitan
   • Sistem DWDM berharga $50,000–$100,000 setiap nod disebabkan oleh laser dan penguat yang tepat. Penyelesaian: CWDM untuk rangkaian yang mementingkan bajet, mengurangkan kos sebanyak 50%.
   • Kerumitan dalam kawalan suhu (±0.1°C) untuk kestabilan panjang gelombang menambah overhed operasi.
2. Serakan dan Kesan Tak Linear
   • Penyerakan kromatik (17 ps/nm/km) merendahkan isyarat melebihi 100 km, menyebabkan peningkatan 10% BER. Penyelesaian: cip DCF atau pemprosesan isyarat digital (DSP) membetulkan kesan 90%.
   • Campuran empat gelombang (FWM) pada kuasa tinggi (>5 dBm) menjana crosstalk. Penyelesaian: Jarak saluran tidak sekata atau pemultipleksan polarisasi.
3. Had Penguatan
   • EDFA menguatkan hanya C-band (1530–1565 nm), mengehadkan saluran. Penyelesaian: Penguat Raman memanjang ke jalur L (1565–1625 nm), menambah 40 saluran.
   • Pengumpulan hingar mengurangkan OSNR sebanyak 5 dB setiap peringkat penguat. Penyelesaian: Pembetulan ralat ke hadapan (FEC) meningkatkan BER sebanyak 10^-6.
4. Isu Kebolehskalaan
   • Menambah saluran pertengahan rangkaian memerlukan OADM, dengan kehilangan 0.3 dB setiap satu. Penyelesaian: OADM boleh dikonfigurasikan semula (ROADM) mendayakan penambahan dinamik dalam <1 minit.
   • Keletihan spektrum dalam gentian bandar yang padat. Penyelesaian: WDM grid fleksibel (flexi-WDM) dengan kapasiti berganda jarak 12.5 GHz.

Trend Masa Depan dalam Pemultipleksan Bahagian Panjang Gelombang

WDM sedang berkembang untuk memenuhi ledakan data 2025:

1. WDM Sangat Padat (SD-WDM)
   • Menyokong 200+ saluran dengan jarak 25 GHz, mencapai 80 Tbps setiap gentian. Prototaip daripada Huawei menyasarkan penggunaan 2026.
   • Nota Teknikal: Menggunakan DSP lanjutan untuk kecekapan 8 bit/s/Hz.
2. WDM yang koheren
   • Menggunakan modulasi fasa (cth, DP-QPSK) untuk 800 Gbps setiap saluran melebihi 1000 km, dengan OSNR >25 dB. Diguna pakai dalam 40% pautan jarak jauh baharu (setiap TeleGeography).
   • Penyelesaian untuk kesan tak linear: Penyamaan penyesuaian mengurangkan herotan sebanyak 20%.
3. Fotonik Bersepadu
   • Cip MUX/DEMUX fotonik silikon mengurangkan saiz sebanyak 50% dan kos sebanyak 30%, membolehkan sistem padat untuk pusat data.
   • Contoh: Cip 2025 Intel menyokong 100 saluran dengan kehilangan 0.2 dB.
4. WDM Dioptimumkan AI
   • Algoritma AI meramalkan peruntukan saluran, meningkatkan penggunaan spektrum sebanyak 25% dan mengurangkan penggunaan kuasa sebanyak 15%. Percubaan oleh Nokia menunjukkan masa operasi 99.99%.
   • Nota Teknikal: Model pembelajaran mesin menganalisis OSNR dalam masa nyata untuk konfigurasi semula dinamik.

Kesimpulan

Pemultipleksan Bahagian Panjang Gelombang (WDM) merevolusikan gentian optik dengan memultiplekskan berbilang panjang gelombang (cth, 1310–1550 nm) pada gentian tunggal, mencapai kapasiti Tbps dengan kehilangan rendah (0.2 dB/km). Daripada CWDM untuk rangkaian metro kos efektif kepada DWDM untuk tulang belakang berketumpatan tinggi, prinsip WDM bagi pemultipleksan, penguatan dan pampasan serakan memacu telekomunikasi moden. Walaupun menghadapi cabaran seperti kesan kos dan tak linear, penyelesaian seperti ROADM dan DSP memastikan kebolehskalaan. Aliran masa depan, termasuk SD-WDM dan penyepaduan AI, menjanjikan kecekapan yang lebih besar. Untuk penyelesaian WDM, teroka CommMesh.