V současné době je několik možných způsobů vícenásobného využití optického vlákna.
Obr. 79: Metody sdružování signálů v optických přenosových trasách: a) vláknový multiplex, b) elektrický časový a frekvenční multiplex, c) vlnový multiplex, d) vlnový směrový multiplex
Jedna z možností, využívaných zejména pro rozšíření stávajících tras, je metoda vlnového multiplexování WDM (Wavelength Division Multiplexing), která zejména v počátku rozvoje LD, optických filtrů, multiplexerů a demultiplexerů byla limitována vlastnostmi těchto prvků, zejména šířkou spektra, resp. šířkou pásma. Odstupy kanálů byly řádově 101 až 102 nm a jejich počet v daném okně optického vlákna poměrně malý. S rozvojem LD typu DFB a DBR a konstrukcí kvalitnějších filtrů se daří velmi rychle snižovat odstupy jednotlivých kanálů a současně zvyšovat jejich počet. Jsou již používány systémy s pravidelným odstupem kanálů 200 GHz (1,6nm), 100 GHz (0,8 nm) a experimentálně 50 GHz (0,4 nm), které jsou nazývány DWDM.
Tento způsob využívání optického vlákna přesunul poněkud snažení konstruktérů z oblasti vláken s nízkou disperzí a velkou šířkou pásma na vlákna odolná vůči novému jevu, vzniklému v souvislosti s WDM. Vzhledem k hustotě výkonu ve vlákně (díky optovláknovým zesilovačům) vznikají nelineární jevy v optickém vlákně projevující se tzv. čtyřvlnným směšováním. Při sloučení dvou původních optických frekvencí vzniknou nové frekvenční produkty 2f1−f2 a 2f2−f1, jak vyplývá z obrázku 80. Počet těchto produktů velmi rychle narůstá s počtem kanálů.
Obr. 80: Vznik čtyřvlnného směšování v optickém vlákně
Vlnový multiplex
Vlnový multiplex (WDM, Wavelength Division Multiplex) je založen na vysílání optického záření na několika různých vlnových délkách po témže optickém vlákně. Spektrální možnost optických vláken ukazuje obrázek 71. V obrázku jsou vymezeny využitelné oblasti vlnových délek λ (tzv. spektrální útlumová okna).
Obr. 81: Spektrální závislost měrného útlumu SMF vlákna
Spektrální pásma
- O-pásmo: 1 260 - 1 360 nm (O = original),
- E-pásmo: 1 360 - 1 460 nm (E = extended),
- S-pásmo: 1 460 - 1 530 nm (S = short),
- C-pásmo: 1 530 - 1 565 nm (C = conventional),
- L-pásmo: 1 565 - 1 625 nm (L = long),
- U-pásmo: 1 625 - 1 675 nm (U = ultra long).
Každá vlnová délka ponese namodulovaný jiný elektrický signál.
Princip vlnového multiplexu ukazuje obrázek 82. Signál z optických vysílačů v zařízení A (laserových diod), pracujících na vlnových délkách λ1 až λn, je navázán do vlákna, přenesen k zařízení B, kde se pomocí optických filtrů rozdělí opět na n dílčích optických signálů, které se zpět převedou na elektrický signál. Tímto tedy přeneseme n nezávislých elektrických kanálů jediným vláknem. Obrázek představuje jeden směr přenosu A–B. Pro opačný směr bychom potřebovali druhé vlákno se shodnými obvody (tzv. dvouvláknový okruh odpovídá funkčně 4drátovému metalickému vedení, tj. dvěma párům).
Obr. 82: Blokové uspořádání WDM
Znázornění jednotlivých kanálů v celkovém spektru optického signálu představuje obrízek 82. Ukazuje obsazení vlnových délek v okolí 1 550 nm pro n = 8 elektrických kanálů. Vlnové délky jsou soustředěny hustě v úzké části spektra a rozestupy kanálů jsou řádově jednotky nanometrů. Hovoříme o hustém vlnovém muldexu, označovaném též DWDM (Dense WDM). Existují systémy s přenosem na 16 vlnových délkách a počítá se s rozšířením na 32. Při vývoji se uvažovalo i o tzv. řídkém vlnovém muldexu s rozestupy řádově desítek nanometrů, který by však obsadil relativně široké pásmo.
Princip WDM je analogií frekvenčního multiplexování, kde jednotlivé nosné kmitočty v elektrické formě jsou modulovány signály jednotlivých kanálů (např. telefonních) a po vedení se šíří elektromagnetická vlna s délkou řádově desítky metrů, až jednotky kilometrů, která odpovídá kmitočtům 10 MHz až 100 kHz.
Obr. 83: Blokové uspořádání WDM
U vlnového muldexu je nosná elektromagnetickým vlněním s délkou vlny kolem 1 500 nm.
Hovořili jsme o určitých elektrických signálech (kanálech), které prostřednictvím optických nosných sdružujeme a přenášíme vláknem. Abychom optické vlákno maximálně využili, nepřenášíme jednotlivé telefonní kanály, ale pracujeme s již předem digitálně multiplexovanými skupinami kanálů vytvořenými časovým sdružováním (TDM). V praxi se tedy setkáváme s kombinací multiplexní metody vlnové s časovou (WDM + TDM). Systémy s vlnovým muldexem dále rozšiřují možnosti sdružování tam, kde by bylo pouhé časové sdružování nestačilo, nebo by bylo málo efektivní. Dosahované přenosové rychlosti jdou řádově do stovek Gbit/s, což odpovídá miliónům telefonních kanálů.
Princip optického multiplexu vypadá velice jednoduše, jeho realizace však byla podmíněna dokonalým zvládnutím technologie optoelektronických i čistě optických prvků. Převrat v aplikaci WDM znamenalo zvládnutí výroby zesilovačů na čistě optickém principu bez nutnosti převádět optický signál na elektrický a naopak.
Obr. 84: Přenosová trasa s optickým zesilovačem
Dnešní optické přenosové prostředky zvládnou překonat bez zesílení vzdálenosti i přes 100 km. Pro delší trasy jsme nuceni provádět průběžně zesílení, případně obnovení tvaru signálu (regeneraci). Klasické elektrické opakovače (re–generátory) digitálního signálu potřebují nejprve převést optický signál na elektrický, zesílit jej, opravit časování, obnovit tvar impulzů a převést zpět na optický signál. Máme-li na vlákně sdruženo několik vlnových délek pomocí WDM, znamená to vždy provést vlnové demultiplexování, elektrické zesílení a vlnové multiplexování. Daleko efektivnější je zesílit celou skupinu vlnových délek AI až 1.0 najednou jediným zesilovačem optického signálu (obr. 84).
Navíc se dají jednoduše přidávat další vlnové délky do multiplexu (λn+1 a další) v rámci šířky propustného pásma optického zesilovače. V případě mezipřevodu na elektrický signál bychom byli nuceni pro každou vlnovou délku přidat další větev s elektrickým zesilovačem.
Optické multiplexování je momentálně nejperspektivnějším způsobem sdružování signálů, protože dovolí dosáhnout vysokých přenosových rychlostí v souladu s neustále rostoucími požadavky. Výhledově se počítá s rozsáhlejším využitím optických vláken a rozšiřováním počtu optických kanálů WDM. Optické signály se budou postupně uplatňovat nejenom při vlastním přenosu, ale i při zpracování informací uvnitř telekomunikačních zařízení (např. optické spojování).