CWDM を理解する: 粗波長分割多重と光ネットワークにおけるその役割

効果的で手頃な価格のソリューションは、今日の進歩する電気通信およびデータ転送の世界では不可欠です。この一言が、コストを最小限に抑えて収益を最大化することの重要性を反映しています。光ネットワークの効率を高めるための重要な技術である粗波長分割多重 (CWDM) を使用すると、1 本の光ファイバー ケーブルで複数のデータ ストリームを同時に送信できます。この記事では、CWDM 技術の原理、他の種類の多重化と比較した利点、および現代のネットワーク システムの重要な問題をどのように解決するかについて詳しく説明します。ネットワーク エンジニア、IT プロフェッショナル、または電気通信の発展を追う熱心な読者は、CWDM 技術が IoT にどのように統合され、将来の接続性の形成にどのような影響を与えるかを理解できます。

CWDM とは何ですか? どのように機能しますか?

粗波長分割多重化の基礎

従来のコード分割多重アクセス (CWDM) 技術と同様に、異なる波長の光を伝送チャネルとして使用することで、20 本の光ファイバー ケーブルで複数のデータ ストリームを伝送できます。これにより、使用可能な帯域幅が大幅に増加します。CWDM は、高密度波長分割多重 (DWDM) よりも通常 XNUMX nm 広い、より広い波長間隔を使用します。CWDM は、高コストのコンポーネントの必要性を減らしながら、十分なレベルのデータ容量を提供するため、短距離および中距離のネットワークに非常に有利です。その用途には、メトロ エリア ネットワークやエンタープライズ レベルの接続が含まれます。 

CWDM システムにおける波長間隔の理解

CWDM システムは、あまり密でない波長間隔を利用します。波長間隔は 20 ナノメートルで、18 nm ～ 1270 nm のスペクトル内に最大 1610 チャネルを収容できます。この間隔は、チャネル間干渉が減少するため、他の間隔レーザーを使用するよりも CWDM の方がコストがかからないという利点があります。このアプローチは DWDM よりも密ではありませんが、完全な効率性よりもシンプルさと効率性が求められる都市部やアクセス ネットワークに最適です。

CWDM技術における光ファイバーの使用

粗波長分割多重 (CWDM) 技術は、損失と干渉を最小限に抑えながら長距離にわたってデータを伝送する方法として光ファイバーに依存しています。光ファイバーは、低コストで光スペクトル内の幅広い波長をサポートしているため、広く導入されています。1400nm の範囲内で適切に減衰が低減されたウォーター ピーク ファイバーも、利用可能なすべてのチャネルをより有効に活用できるため、CWDM システムで重要になっています。ITU-T G.652 準拠ファイバーなどの標準シングル モード ファイバーは、低コストであるため、CWDM で最も一般的です。シングル モード ファイバー (SMF) は、長距離にわたって光を伝送する効率性が高く、メトロ ネットワークやアクセス ネットワークに最適であるため、主に CWDM システムで使用されます。

波長分散、信号劣化、挿入損失などの要因が、CWDM システムにおける光ファイバー経由のデータ伝送のパフォーマンスに影響します。CWDM 光ファイバー リンクの 0.25 キロメートルあたりの挿入損失は、環境条件とファイバーの品質に応じて 0.35 ～ XNUMX dB です。さらに、CWDM 光ファイバーは、DWDM と比較して、広いチャネル間隔での非線形効果が比較的低いという利点があります。この機能により、ネットワーク アーキテクチャの複雑さが軽減され、信号処理デバイスのグレードが下がり、大規模でもパフォーマンスが向上しますが、システムの複雑さは軽減されます。

曲げに強いファイバーなどの新しいファイバー技術の導入により、CWDM ネットワークの効率と汎用性がさらに向上します。これらのファイバーは、曲げや機械的歪みによるパフォーマンスの低下を軽減し、よりコンパクトな設備や混雑した通信環境でも優れたパフォーマンスを保証します。需要がますます高まる中で効率的なデータ伝送を実現するための継続的な開発により、CWDM 技術の進歩と光ファイバーの革新を組み合わせることが、コスト効率に優れたスケーラブルなネットワーク ソリューションの中心的な柱となっています。

CWDM と DWDM の違いは何ですか?

CWDM と DWDM の違い

1. チャンネルの間隔： CWDM のチャネル間隔は通常 20 nm 幅で、チャネルを「収める」のが容易です。一方、DWDM のチャネル間隔は主に 1 nm 未満であるため、データ密度が高くなります。チャネル密度は、より高いデータ密度のニーズに有利であるため、DWDM がより適しています。
2. 伝送距離： DWDM には光信号増幅器が装備されており、長距離伝送線路に適しています。CWDM は増幅サポートがないため、短距離から中距離に適しています。
3. 費用： DWDM システムではレーザーの温度を正確に制御する必要があり、光増幅器も必要となるため、CWDM システムよりも高価になります。そのため、CWDM 機器は全体的にはるかに安価になります。
4. 波長利用: CWDM は 1270 nm から 1610 nm の間で使用するためにより広いスペクトル範囲を採用しますが、狭い範囲で多数のチャネルを使用する DWDM と比較すると、使用する総チャネル数は少なくなります。 
5. 応用： 十分だが中程度のパフォーマンスを持つメトロ ネットワークまたはアクセス ネットワークでは CWDM が使用されますが、DWDM はより広い帯域幅の供給と範囲の両方を必要とするコア ネットワークおよびバックボーン ネットワークに最適です。

DWDM技術を採用することの長所と短所

DWDMテクノロジーの利点

1. 帯域幅容量が大幅に向上: DWDM を使用すると、無数のデータ ストリームを単一の光ファイバーを介して中継できるため、比類のないネットワーク容量が実現します。
2. スケーラビリティ： チャネルの追加はすぐに行えるため、堅牢なネットワークに対する需要の高まりにも対応できます。
3. 長距離伝送: 光増幅器を追加すると、DWDM ネットワークで信号劣化なしに長距離にわたる広範なデータ伝送が可能になります。
4. 最適化されたファイバー利用: DWDM は、ネットワークの需要範囲を拡大するために、多様な波長の伝送を可能にすることでファイバーの有用性を高め、インフラストラクチャの支出を削減します。

DWDMテクノロジーの欠点

1. 大幅に高騰したコスト: [] DWDMシステムの導入には、最先端の機器や技術の取得を目的とした支出の増加が伴う。
2. 複雑な管理: データの密度が高まっているため、高度なデータ チャネルに対応した高度な監視および保守システムが必要です。
3. 温度感度の向上: これらのシステムは環境の変化に敏感であるため、機器の周囲の環境の調整と制御が最も重要になります。

光ファイバー ネットワークに CWDM を実装する理由

帯域幅利用の観点から見た CWDM ネットワークの利点

1. 導入コストの削減: CWDM は、コンポーネントが DWDM ほど洗練されておらず、インフラストラクチャの開発にそれほど多くの労力を必要としないため、商業的に適応されたシステム テクノロジです。
2. 効果的な帯域幅の割り当て: CWDM は、光スペクトルをより少ないチャネルに分割できるため、中距離の用途に適しています。
3. エネルギー消費の最小化: CWDM は動作に必要なエネルギーが少ないため、環境に優しいです。
4. システムのインストールと操作の複雑さを軽減: CWDM システムの制御と管理に必要な労力が少なくなり、操作が容易になります。
5. パフォーマンスの多様性CWDM は短距離に適しているだけでなく、長距離の到達距離パフォーマンス要件のない地域でも信頼できます。

他のシステムと比較したCWDMシステムの価格効率

構造がシンプルで操作が簡単なため、粗波長分割 CWDM 多重化システムは光ネットワークにおける競争力のあるソリューションです。高密度波長分割多重 (DWDM) システムとは異なり、CWDM は 20 ナノメートル間隔の広いチャネル間隔を使用し、非冷却レーザーと安価な光学コンポーネントを使用できます。CWDM トランシーバーは DWDM トランシーバーよりも平均 30% ～ 50% 安価であるため、機器の初期資本支出が大幅に削減されます。

CWDM は、オーバーヘッド冷却や増幅システムを必要としない低コストの受動コンポーネントを使用するため、運用コストの削減に役立ちます。CWDM システムは、メトロポリタン ネットワークやアクセス ネットワークの DWDM ソリューションと比較して、導入コストを約 40% 削減できると言われています。さらに、ファイバーあたりの波長導入要件が低いため、ファイバー ベース ネットワークのインフラストラクチャの導入が容易になり、CWDM はよりスケーラビリティに優れています。

CWDM は、品質を犠牲にすることなく、短距離から中距離のアプリケーションにコスト効率の高いソリューションを提供します。企業やサービス プロバイダーが提供するこの機能により、中程度の資本支出で運用を最適化できるため、コスト効率が最も重要である場合に適しています。

さまざまな分野における CWDM 技術の用途

CWDM が不可欠であると言える分野は数多くありますが、これはその 1 つです。電気通信分野では、この技術により、旧式のファイバー インフラストラクチャを最大限に活用して、手頃な価格でデータ転送を行うことができます。ヘルスケア分野では、CWDM により、施設間で医療画像や患者データを高速で転送できます。データ センターでは、エネルギー使用量を適度に抑えながら帯域幅の需要を増やすために、CWDM が不可欠です。これらの例は、信頼性が高く手頃な価格のネットワーク拡張を必要とするさまざまな地域にとって、CWDM がいかに経済的なソリューションであるかを示しています。

CWDM システムのコンポーネントを調べる

システム内のマルチプレクサとデマルチプレクサの機能

CWDM システムの各データ信号には、特定の波長が割り当てられます。マルチプレクサは信号を 1 本の光ファイバーに結合し、デマルチプレクサは結合された信号をもう一方の端で分離します。これらのコンポーネントと他のコンポーネントにより、1 本の光ファイバー内で複数のデータ ストリームを送受信できるため、帯域幅の使用効率が最大限に高まります。

CWDM で特定の波長が重要な理由

粗波長分割多重システムは、1270 nm から 1610 nm まで 20 nm 間隔の特定の波長範囲を使用することで効果的に機能します。チャネル間の間隔により、信号が重複する可能性が低くなり、送信機と受信機の使用コストが削減されます。選択された波長により、シングルモード光ファイバーの低減衰部分が確実に使用され、信号の距離と品質を最大限に高める上で重要です。

CWDM 技術の際立った特徴は、光ファイバーの損失が低い 1310 nm および 1550 nm のウィンドウ内で機能する能力です。現在の情報によると、これらのウィンドウの平均損失は 0.35 nm で約 1310 dB/km、0.22 nm で約 1550 dB/km です。したがって、これらの範囲では、信号を保持しながら長距離のデータ伝送が可能です。さらに、CWDM システムには複数のファイバーがあり、CWDM 波長を適切に維持することで、10 Gbps イーサネットなどの複数の高速データ ストリームでもクロストークは発生しません。

DWDM と比較すると、CWDM は増幅が少なくて済みますが、それでも効果的なデータ転送が保証されます。このため、これらの要素が最も重要となるメトロ ネットワークとアクセス ネットワークのコストが削減されます。CWDM システムは、ITU 標準以外の波長もサポートしているため、多数のパッシブ光コンポーネントとの互換性が保証され、柔軟でスケーラブルな光ネットワークの設計の基盤が提供されます。

CWDM ネットワークの主な特徴は何ですか?  

CWDM が長距離データ伝送をサポートする仕組み  

CWDM は、波長間の広いチャネル分離を使用して信号の干渉と減衰を最小限に抑えることで、長距離にわたるデータ伝送を容易にします。低損失光ファイバー ケーブルと高度なトランシーバーの使用と組み合わせることで、CWDM は特に中距離および短距離の展開で信号増幅の必要性も減らします。これらの方法は、信号の劣化を防ぎながらコストを相乗的に削減するのに役立ち、アクセス ネットワークとメトロ ネットワークに有益です。さらに、CWDM は消費電力が低いため、長距離にわたってデータを効率的に伝送するのに役立ちます。  

複数のデータストリームを1本の光ファイバーに統合  

粗波長分割多重 (CWDM) は、複数のデータ ストリームを 1 本の光ファイバーにまとめるために使用される技術です。この方法では、特定の波長が個々のデータ ストリームに割り当てられ、すべてのストリームを 1 本の光ファイバーで同時に送信できます。この技術により、ストリーム間の干渉なしに帯域幅を最適に使用できます。さらに、CWDM は受動コンポーネントを使用するため、導入が容易になり、運用コストが削減されると同時に、短距離および中距離で許容できるパフォーマンスが保証されます。この機能により、アクセス ネットワークやメトロ ネットワークでの使用に最適です。

よくある質問（FAQ） 

Q: WDM とは何ですか? また、このテクノロジー内で CWDM はどのように機能しますか? 

A: WDM (波長分割多重) は、さまざまな光周波数を利用して複数の光信号を 20 本の光ファイバー ケーブルに結合する技術です。CWDM (粗波長分割多重) では、光スペクトルは間隔の広いチャネルに分割されます。CWDM セットアップでは、多数の波長が 1270 本の光ファイバーで伝送され、各波長の間隔は 1610nm (XNUMXnm ～ XNUMXnm) です。CWDM はパッシブ CWDM マルチプレクサ (マルチプレクサ) とデマルチプレクサ (デマルチプレクサ) を使用して実行されます。これらは、さまざまな波長のストリームを結合して分離するのに使用され、複数のデータ ストリームを互いに干渉することなく同時に送信できます。

Q: CWDM と DWDM のどちらが優れていますか?

A: CWDM と DWDM はどちらもファイバー容量を増やすことを目的とした技術ですが、両者の間には大きな違いがあります。CWDM は 18nm 間隔で 20 の波長チャネルに対応できますが、DWDM は 80nm 間隔で 0.8 以上の高密度チャネルをサポートできます。より安価な技術として、CWDM は非冷却レーザーを使用するためコストは低くなりますが、伝送距離は平均 80km に制限されます。ただし、これには DWDM のように長距離伝送には温度制御レーザーを使用する必要があるという代償が伴います。比較すると、CWDM の範囲は DWDM (1270-1610nm) よりも広く (1530-1565nm)、C バンドに特化しています。通常、DWDM は長距離、大容量での使用に適しており、CWDM は中距離での使用で経済的な目的に役立ちます。

Q: 光ネットワークで最も重要な CWDM 要素はどのコンポーネントですか? 

A: CWDM システムの主なコンポーネントは、国際電気通信連合 (ITU) G.694.2 規格で規定されている指定周波数を生成する CWDM トランシーバー (SFP モジュールまたは XFP モジュール)、異なる周波数を結合または分離する CWDM マルチプレクサ/デマルチプレクサ (mux/demux)、他のチャネルへの影響を最小限に抑えながら特定の周波数のチャネルを追加またはドロップする光アド/ドロップ マルチプレクサ (OADM)、結合された信号を伝送する光ファイバー ケーブル、および光増幅器です。光増幅器は、周波数間の間隔が広いため、CWDM では DWDM よりも少なくなります。これらのコンポーネントは連携して機能し、複数のデータ ストリームを XNUMX 本の光ファイバー ケーブルで並行して送信できます。

Q: 標準実装でサポートされる CWDM チャネルの最大数はいくつですか?

A: 国際電気通信連合の標準に従い、ITU-T G.694.2 を実装することで、CWDM フィルターは 18nm から 1270nm までの 1610 チャネルをサポートするように構成でき、各チャネルは 20nm 間隔で設定されます。ただし、ほとんどの CWDM ソリューションでは、標準のシングル モード ファイバーの減衰が低いため、1470～1610nm の波長で 18 チャネルのみを使用します。チャネルの総数は、選択した特定の CWDM mux/demux デバイスと、ネットワークの全体的な設計によっても異なります。最大 XNUMX チャネルの容量を持つ CWDM フィルターは、中程度の帯域幅の拡張を必要とするメトロポリタン ネットワークやエンタープライズ アプリケーションに最適です。

Q: 光ネットワークに CWDM ソリューションを実装する利点は何ですか? 

A: CWDM ソリューションを使用すると、安価な非冷却レーザーの使用と波長間隔の拡大により、DWDM と比較して総所有コストが低くなるなど、多くの利点があります。また、CWDM では、1 本のファイバーで多数の波長を伝送できるため、ファイバー容量が向上し、既存の容量が最適化されます。さらに、必要に応じてチャネルを追加することでネットワークを徐々に拡張できるため、拡張性があり、CWDM ユニットは温度制御を必要としないため、消費電力が低くなります。CWDM コンポーネントは消費電力が少ないため、コンポーネントのインストールと保守が簡単になります。DWDM システムが装備されている既存の光ネットワークは、ネットワーク インフラストラクチャに大きな変更を加えることなく、簡単に CWDM に組み込むことができます。帯域幅の効率性により、CWDM のお客様は、異なるデータ形式 (イーサネット、ファイバー チャネル、SONET/SDH) を異なるチャネルで同時に送信できます。メトロ ネットワーク、エンタープライズ キャンパス、サービス プロバイダー アクセス ネットワークに CWDM を導入することで、CWDM の魅力が高まります。

Q: 制限に関して、CWDM は他の WDM テクノロジーと比べてどうですか?

A: 特に DWDM に関する制限を検討すると、CWDM はいくつかの問題で不十分です。DWDM と比較すると、CWDM はチャネル数が非常に少なく (DWDM は 18 チャネル以上であるのに対し、最大 80 チャネル)、伝送距離が短い (増幅なしでは一般に 80 km にマスクされる)、チャネル数が少ないため全体的な帯域幅容量が低い、光増幅による広範囲 CWDM スペクトルのパフォーマンスが悪い、古いファイバーでは水ピーク減衰の影響を受けやすい (ただし、低水ピーク ファイバーではこれが緩和される)、超高密度アプリケーションの柔軟性が低い、などの問題があります。これらの制約は、DWDM が他より優れている長距離の高容量バックボーン ネットワークでは、CWDM がパフォーマンスを発揮しない可能性があることを意味します。ただし、経済的なメリットが欠点を上回るメトロポリタン ネットワークやエンタープライズ ネットワークでは、CWDM は引き続き優れたソリューションです。

Q: 光ネットワークにおける CWDM mux と demux の役割は何ですか?

A: CWDM 光ネットワークでは、マルチプレクサ (MUX) とデマルチプレクサ (DEMUX) がそれぞれ結合機能と分離機能を実行します。MUX は、異なる波長で動作する複数のトランスミッタからのデータを 4 本の光ファイバ ケーブルに統合します。受信側のデマルチプレクサは、結合された波長を個別のチャネルに分離します。デバイスには、特定の波長を反射または通過させる薄膜フィルタまたはその他の光学コンポーネントがあります。CWDM MUX/DEMUX ユニットには可動部品がなく、電源も不要なため、信頼性が高く、コストもかかりません。8、16、XNUMX チャネル構成で提供され、スタンドアロン、ラック マウント、または中間ネットワーク ロケーションで個々の波長を追加/ドロップできる OADM に統合できます。

Q: CWDM テクノロジーはどの分野に最も適​​しているでしょうか?

A: CWDM テクノロジーは、80 km に及ぶメトロポリタン エリア ネットワーク (MAN)、複数の建物にまたがるエンタープライズ キャンパス ネットワーク、既存のファイバー容量を最大化する必要があるファイバー ショート エリア、サービス プロバイダー アクセス ネットワーク、中距離のデータ センター相互接続、より高いファイバー容量を必要とするケーブル TV/MSO ネットワーク、セルラー バックホール ネットワーク、および DWDM を使用せずにコスト効率の高い帯域幅拡張が望ましいその他のケースに特に適しています。CWDM は、コスト効率が高く、大幅な容量拡張が必要な​​場合にも人気のソリューションです。特に距離が 80 km 未満で、チャネル数の要件が基本的な場合、追加のファイバーをインストールしたり DWDM システムを廃止したりせずにネットワーク容量を改善したいほとんどの組織に適しています。

参照ソース

1. CWDM通信リンクにおけるOバンドプラセオジム添加光ファイバー増幅器の最適化
   • 著者： モフド・マンスール・カーン、クリシュナ・サルマ、カイザー・アリ
   • 発行日： 2024-10-21
   • 会議： 2024 ITU カレイドスコープ: 持続可能な世界のためのイノベーションとデジタル変革 (ITU K)
   • 主な調査結果：
     • この研究には、O バンド (1276 nm ～ 1356 nm) で動作するプラセオジム添加光ファイバー増幅器の詳細が含まれています。
     • 小信号利得は 25.23 dB を超え、44.56 nm で最大利得 1312 dB が得られました。
     • これは、データ レート 10 Gbps の CWDM 伝送リンクを通じて評価され、Q 係数が 90 を超える標準シングル モード光ファイバーで XNUMX キロメートル以上のエラーのない伝送を達成しました。
   • 方法論：
     • PDFA の CWDM システムへの統合を評価する際に、著者らはファイバーの長さ、プラセオジムの濃度、ポンプ電力など、複数のパラメータを微調整しました。
2. CWDM/DWDM ネットワーク向け広帯域分散補償および高複屈折フォトニック結晶ファイバー
   • 著者： モハメッド・A・アラム、テイマー・A・アリ、N・ラファット
   • 発行日： 2024-05-03
   • ジャーナル： 光および量子エレクトロニクス
   • 主な調査結果：
     • この論文では、CWDM および DWDM ネットワークに適した広帯域分散補償フォトニック結晶ファイバーについて説明します。
     • 光ネットワークにおける信号品質の向上と分散効果の緩和のために、極めて高い複屈折ファイバーの利用を重視します。
   • 方法論：
     • この研究は、さまざまなネットワーク コンテキスト内で提案されたファイバー設計の動作を調査するための計算とシミュレーションで構成されていました。
3. 600 λ CWDM TOSA を使用した 4 km および 2 km での 10 Gb/s ネット レート PAM4 伝送の実験的デモンストレーション
   • 著者： Zhenping Xing、Meng Xiang、E. El-Fiky 他
   • 発行日： 2020-06-01
   • ジャーナル： 光波技術ジャーナル
   • 主な調査結果：
     • この研究では、高速 4 レベル PAM4 伝送に 4 λ CWDM TOSA モジュールを使用する方法を示します。
     • ブロック エラー レートをプログレッシブ エラー訂正の制限以下に維持しながら、シングル モード光ファイバーで 600 Gb/s のネット タッピング速度と 10 km の距離を達成しました。
   • 方法論：
     • この調査では最先端の変調アプローチを採用し、さまざまなファイバー長や変調タイプなどのさまざまなシナリオで TOSA がどのように動作するかを分析しました。
4. 拡張範囲光ファイバー・トゥ・ホーム・ネットワーク・アプリケーション向け 20 Gb/s ハイブリッド CWDM/DWDM
   • 著者： A. ラシェド、MF タブール、M. エル アサール
   • 発行日： 2018-09-25
   • ジャーナル： 米国科学アカデミー紀要インドセクションA物理科学
   • 主な調査結果：
     • この研究では、分散補償ファイバーにより、スループット 20 Gb/s のハイブリッド DWDM/CWDM 光ネットワークのネットワーク パフォーマンスが向上することが示されています。
   • 方法論：
     • 著者らは、さまざまなファイバーの種類と構成が信号品質に与える影響に焦点を当てて、ハイブリッド ネットワークのパフォーマンスを分析するシミュレーションを実施しました。
5. 光ファイバ通信
6. 波長分割多重