Neue Technologien in der Fiber Optik Übertragungstechnik: Terabits - Die Übertragungstechnik wird komplexer

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1 Neue Technologien in der Fiber Optik Übertragungstechnik: Terabits - Die Übertragungstechnik wird komplexer Dieter Gustedt, fiberhelp Langmatz Breitband-Symposium + Open House Garmisch-Partenkirchen, März 2016 Copyright 1

2 Agenda Stand der LWL Schnittstellen Technologie heute U. a. am Beispiel Carrier Ethernet und FTTH Netz *) Langmatz Open-House Tag (Opternus Networks) Physikalische Grenzen Entwicklungen um Grenzen zu überwinden *) Aufbau Opternus Networks

3 Open-House 3. März 16 - Aktive Netzsimulation Opternus Networks

4 Beispiel Facebook: Datenübertragung über alle Netzebenen rund um die Welt Luleå Prineville Altoona Forest City Fort Worth(new)

5 Hockey Stick Wachstum erfordert (wieder) einen Paradigm Wechsel in der Übertragungstechnik Historische Entwicklung 70er Corning Glasfaser (20dB/km) erste kommerzielle Glasfaserübertragung (45 Mbit/s, 10km) 80er: 1,3µm. (~50km) 1,55 µm 90er: WDM optische Verstärker DWDM 00er: VCSEL Hot plug Module ROADM 10er: PIC (Photonic Integrated Circuits) Komplexe Modulation Kohärente Übertragung Cisco IP Traffic Analyse & Forecast 100G/Tag 100G/Stunde

6 Der Weg zum Terabit-Gipfel OTN (Opt. Transport Network OTM Bitraten [Gbit/s] 1 2, ,7 3 43, ,8 Zugspitze N*Bit/Hz Liaison IEEE - OIF Alpen Vorland Faktor ~ 2,5: 10G-25G-50G NRZ, WDM, n*faser Mittelgebirge Quelle: Wikipedia File:Zugspitze Westansicht.JPG Faktor 10: 10M-100M-1G-10G NRZ Quelle: Ethernet Allicance Roadmap 2015 Norddeutsche Tiefebene Quelle: DeichvorlandBeiNessmersiel von Frisia Orientalis. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons

7 Herausforderungen Bandbreite erhöhen Energie sparen Technologie Kosten Zeit Ressourcen Risiko Platz reduzieren

8 Dämpfung Glasfaser Spektrum 6 db/km 4 2 Rayleigh - Streuung theoretische Grenze 9/125 SMF ITU G. Suppl /2012 Wellenlänge [nm] Frequenz f=c/λ [THz] Band Bezeichnung von bis Spektrum von bis Spektrum O-Band Original ,9 220,4 17,5 E-Band Extended ,4 205,3 15,1 S-Band Short wavelength ,3 195,9 9,4 C-Band Conventional ,9 191,6 4,4 L-Band Long wavelength ,6 184,5 7,1 U-Band Ultralong wavelength ,5 179,0 5, nm Wellenlänge NRZ, 1dB, 1565nm *) 10G ~ 61 km 40G ~ 3,8 km SMF *) ITU T-REC-G.Sup

9 Lichtwellenleiter Übertragungskanal (OOK) Sender Kommunikationskabelanlage Empfänger Data rate Data rate ASG z. B. Switch/Router E/O O/E ASG z. B. Switch/Router Bandbreite - Längenprodukt Bandbreite TX Modulator/Treiber Schaltzeiten Bandbreite LWL Moden Dispersion (nur MMF) Chromatische Dispersion Polarisation Moden Dispersion Bandbreite RX Bandbreite PIN/APD Verstärker Filter N * IL Stecker [db] L * A LWL [db/km] N * IL Spleiß [db] Dämpfung [db] 10

10 Beispiel SerDes (Parallel-Serial Wandler) Blockdiagramm Quelle: WP431 (v1.0)

11 XAUI Beispiel Transceiver für 10 Gbit/s Schnittstellen Optisch Elektrische - Signalwandlung LWL Schnittstelle Quelle: MTS 1090 Carrier Ethernet Switch Opternus Networks Duplex LC Interface Fiber Wellenlänge Quelle CIL Anwendung MM: 50/125, OM3, OM4 850nm VCSEL 2,6 db (300m) 10GBASE-SR/SW SM 9/ nm LASER 6,2 db (10km) 10GBASE-LR SM 9/ nm LASER 10,9 db (30km) 10BBASE-ER SFP+ Bauform Opt. LC Duplex Elek. XAUI Hot-Swap fähig Quelle: SFP+ 10 GBE Transceiver Opternus Networks 12

12 Übersicht WGs LWL-Schnittstellen MSA= Multi Source Agreements Modul Optionen für 100G SFF Committee U. a. optische Transceiver SFP, QSFP, QSFP28 PSM4-MSA 4 x 25 Gb/s, 8 SMF, MPO, min. 500 m, QSFP28 oder CFPx CWDM4-MSA: 1310nm, 20nm CWDM, 4 x 25Gb/s 2km, datacenter, (QSFP28?) CLR4-Allicance: 1310nm 100G CWDM, QSFP28 OpenOptics-MSA: 100G, 400G und mehr, WDM Technologie. CFP-MSA: Optischer Transceiver 40Gb/s & 100Gb/s, Module CFP, CFP2 & CFP4 CDFP-MSA: 400 Gbps Interoperable Hot Pluggable Modules Quelle: OFC Conference -Finisar

13 Bandbreite & Bitfehlerrate Grundlagen LWL Übertragung PCS P/S Tx Rx S/P PCS Nyquist-Bandbreite (Digital) Shannon-Hartley-Theorem C : Capacity [bits/s] B : Bandwidth [Hz] S : Signal Power [W] N : Noise Power [W] N 0 : Noise Spectral Density [W/Hz] 10 Gbit/s: Jede Sekunde 1 Fehler 10 Gbit/s: Alle 100 Sekunden 1 Fehler

14 Bandbreite-Stellschrauben des Nachrichtentechnikers Faser Parameter Modulation Faser Anzahl OFDM WDM TDM 15

15 Beispiele Modulationverfahren & Spektrale Effizienz On-Off-Keying (oder PAM2) 1 Bit/s/Hz Q (quadrature) Puls-Amplituden-Modulation 2 Bit/s/Hz Geringerer Signal-Rausch- Abstand zu OOK QPSK Quadraturphasenumtastung 2 Bit/s/Hz I (in-phase)

16 Parallel Optics OM3/OM4 MMF IEEE /100G, Fibrechannel 128 GFC MPO Nur eine Richtung dargestellt MPO Länge: m 40[100]GBASE-SR4 Jeweils 4 TX & 4 RX Kanäle 12-MPO Stecker 100GBASE-SR10 Jeweils 10 TX & 10 RX Kanäle 24-MPO Stecker TX1-4 RX1-4 TX1-10 RX

17 Mehrfaser (OM3/4) Kabelanlage 40GBASE-SR4 & 100GBASE-SR10 / [SR4] (Länge m) Duplex LC- Patchcords Modul LC-MPO Modul LC-MPO 12/24 Fasern MPO Duplex LC- Patchcords 12/24 Fasern MPO Adapterplatte MPO-MPO 12/24 Fasern MPO Adapterplatte MPO-MPO Harness-Kabel 12-MPO - LC Quelle: Fotos von Telegärtner GmbH 18

18 WDM 4 x 25,78 GBd über Singlemode Faser 100GBASE-LR4 / ER4 25,78 GBd 25,78 GBd 25,78 GBd 25,78 GBd (nur eine Richtung dargestellt) Transceiver: LC Duplex Transceiver: LC Duplex Bauform: z. B. CFP4 Quelle: Opternus Networks Längen Singlemode E9/125: 100GBASE- LR4: 10km 100GBASE- ER4: 40 km ITU-T G GHz Grid Center wavelength L nm L nm L nm L nm 19

19 400Gbit/s Ethernet Objectives IEEE P802.3bs 400 GbE Task Force 400GBASE-SR16 100m MMF, 25 Gbit/s, NRZ, 16Fasern 400GBASE-DR4 500 m SMF, 25 Gbi/s, PAM-4, 4Fasern 400GBASE-FR8 2 km SMF, 50 Gbit/s, NRZ, WDM 8 Wellenlängen, 400GBASE-LR8 10 km 50 Gbit/s, NRZ, WDM 8 Wellenlängen

20 In Diskussion WDM nm WBMMF - Wideband Multimode Fiber 4 Wellenlängen WDM Spektrum: ~ 840nm bis ~950 nm ~ 30nm Quelle: Commscope, Paul Kolesar, TIA Fiber Optics Technology Consortium Bandbreite MMF muss über diese Region verbessert werden Wideband Multimode Fiber [WBMMF] 21

21 ITU G DWDM Wellenlängenraster Band Bezeichnung Wellenlänge [nm] von bis Spektrum O-Band Original E-Band Extended S-Band Short wavelength C-Band Conventional L-Band Long wavelength U-Band Ultralong wavelength Ghz 0,8 nm 50 Ghz 0,4 nm OTN Bitraten OTM Bitraten [Gbit/s] 1 2, ,7 3 43, ,8 25 Ghz 0,2 nm 12,5 Ghz 0,124 nm

22 DWDM System mit Add/Drop Multiplexer Transmitters l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 Multiplexer Add/Drop Multiplexer ROAD (Reconfigable) Einstellbare Wellenlänge FOAD (Fixed) Feste Wellenlänge l 1,l 2,l 3,l 4, l 5,l 6,l 7,l 8 Drop Kanal Add/drop Drop Add l 4 l 4* Localer Receiver Localer Transmitter l 1,l 2,l 3,l 4*, l 5,l 6,l 7,l 8 Add Kanal Demultiplexer Receivers l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 23

23 Spektrale Effektivität Spectral Efficiency (SE) [Bit/s/Hz] OOK (On-Off-Keying) RZ or NRZ Modulation (10 Gb/s) OOK (On-Off-Keying) RZ or NRZ Modulation (100 Gb/s) Kanal Interferenz Neue Modulationsverfahren DQPSK Modulation (100 Gb/s) 50 GHz 50 GHz

24 QPSK-Modulation OOK On-Off-Keying Q (quadrature) 1 Bits / Symbol Modulation 0 0 I (in-phase) 1 OOK (On-Off-Keying) 2 QPSK 4 DP-QPSK sin(ωt+3π/4) 01 Q (quadrature) sin(ωt+ π/4) 11 QPSK I (in-phase) sin(ωt+5π/4) 00 sin(ωt+7π/4)

25 100 Gbit/s koherente Übertragung DP-QPSK Modulation* / Demodulation Quelle: *) Quelle: *) Quelle :*) Quelle: *) Quelle :**) Merkmale: (2 x I + 2 x Q) x 28 Gbps = 112 Gbps im ITU 50GHz Grid Verbesserung OSNR FEC ~ 6dB DSP Kompensation Dispersions- Effekte Quelle:***) Quellen: *) OIF, Implementation Agreement for Integrated Polarization Multiplexed Quadrature Modulated Transmitter **) OIF: Implementation Agreement For Integrated Dual Polarization Intradyne Coherent Receivers ***) OIF_Pluggable_Optics_for_Coherent_Systems_CFP2-ACO_Project_WP

26 Die Zukunft Optimierung der spektralen Effizienz (SE) Quelle: infinera, Coherent DWDM Technologies Coherent Super-Channels Multi-Carrier Modulation Flexible ITU Grids

27 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. (FH) Dieter Gustedt Anna Bosch Strasse Tübingen Tel gustedt@fiberhelp.de 28