Komponenten optischer Kommunikationssysteme

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1 Komponenten optischer Kommunikationssysteme WS 2010/11 Prof. Dr.-Ing. Bernhard Schmauß Dipl.-Ing. Michael Holtmannspötter Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik Optische HF-Technik und Photonik 1. Einführung - 1 Überblick 1. Einführung 2. Halbleiterlaser als Sendeelement Halbleiter-Grundlagen, Emission und Absorption, Strukturierung, Chirp, Pulsbetrieb 3. Externe Modulatoren EAM, MZM, Kennlinien, Chirp, Arbeitspunkt, RZ-Quellen 4. Lichtwellenleiter Herstellung, POF, Glasfaser als Wellenleiter, Moden, lineare / nichtlineare Effekte 5. Optische Verstärker Halbleiter-Verstärker, Faserverstärker, Verstärkerrauschen, Rauschakkumulation 6. Detektoren pn-photodioden, pin-photodioden, Avalanche Photodioden, Rauschen von Photodioden 7. Empfänger Bitfehlerwahrscheinlichkeit, Charakterisierung von Empfängern 8. Sonderbauelemente Faserkoppler, Fasergitter, Integrierte optische Bauelemente, Interleaver 1. Einführung - 2

2 Kapitel 1 Einführung 1. Einführung 1.1 Geschichtlicher Überblick 1.2 Dämpfungsbelag verschiedener Übertragungsmedien 1.3 Optische Nachrichtenübertragung 1.4 Wegbereitende Entwicklungen der optischen Übertragung 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme 1.6 Struktur eines komplexen optischen Übertragungssystems 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme 1. Einführung Geschichtlicher Überblick (1) xxxx Rauchzeichen 500 v. Chr. Äschylus schreibt im Drama Agamemnon, wie Hephaistos, der Feuergott, die Nachricht über eine Kette von Leuchtfeuern von Berg zu Berg übermittelt. 18. Jh. Signallampen, Flaggen 1792 Relaisstationen für Signallampen: 100km, 1bit/s 1830 Telegraphie Morse-Code (digital): 1000km, 10bit/s 1866 Erstes Transatlantik-Kabel 1876 Telefon (analoge Übertragung) 1940 Erstes Koaxsystem: 3MHz, 300 Kanäle (Limit: frequenzabhängige Kabeldämpfung) 1948 Erstes Mikrowellensystem: 4GHz, 100Mbit/s 1975 Koax-System mit Repeater Abstand: 1km, 274Mbit/s Einführung - 4

3 1.1 Geschichtlicher Überblick (2) Historische Entwicklung des Bandbreite-Länge-Produkts Maß für Systemleistungsfähigkeit: Bandbreite-Länge-Produkt BL richtiger: Bitrate-Länge-Produkt Einheit: [BL] = (bit/s) km Begrenzt durch: Dämpfung Rauschakkumulation Signalverzerrung 1. Einführung Dämpfungsbelag verschiedener Übertragungsmedien 1. Einführung - 6

4 1.3 Optische Übertragung (1) Sender elektrisch optisch Optische Übertragungsstrecke Empfänger optisch elektrisch Daten-Eingang Daten-Ausgang Umwandlung eines elektrischen Datensignals in ein optisches Datensignal Übertragung über optische Übertragungsstrecke Wiederherstellung des elektrischen Datensignals im Empfänger Ziele: Fehlerfreie Übertragung Höchstmögliche Bitrate Längstmögliche Übertragungsstrecke Kosteneffektivität 1. Einführung Optische Übertragung (2) Sender Faser Faser Empfänger Laserdiode Modulator Verstärker Verstärker Photodiode Signalaufbereitung Daten-Eingang Daten-Ausgang 1. Einführung - 8

5 1.3 Optische Übertragung (3) Dämpfung Chromatische Dispersion Lineares Übersprechen Verstärkerrauschen 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s O 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s D 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s U 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s Multiplexer Demultiplexer Selbstphasen-Modulation Vierwellen-Mischung Polarisationsmoden-Dispersion Stimulierte Raman-Streuung Kreuz-Phasen-Modulation Stimulierte Brillouin-Streuung Link-Design: Balance zwischen verschiedenen Effekten finden 1. Einführung Wegbereitende Entwicklungen der optischen Übertragung (1) Wichtige Entwicklungsschritte: 1960: Laser (Maiman) 60er: Glas als Wellenleiter für Licht Problem Dämpfung: 1960: 1000dB/km 1970: 20dB/km 70er: 1dB/km 1995: 0.2dB/km Dämpfungsminimum bei 1550nm zunächst keine Quellen verfügbar Frühe Systeme mit Multimodefasern 70er: GaAs-Laser als kompakte Quelle bei Raumtemperatur (800nm) Quelle und Übertragungsmedium verfügbar Weltweite Anstrengung im Bereich optische Nachrichtentechnik 1. Einführung - 10

6 1.4 Wegbereitende Entwicklungen der optischen Übertragung (2) Entwicklung des Bitrate-Länge-Produkts [1] Wellenlängenabstimmung von Halbleiter- Materialsystemen und Fasereigenschaften [14] Die Entwicklung optischer Übertragungssysteme nicht kontinuierlich, sondern durch verschiedene Schlüsselentwicklungen geprägt. Verschiedene Generationen optischer Übertragungssysteme 1. Einführung Generationen optischer Übertragungssysteme (1) Erste Generation Zweite Generation Dritte Generation 800nm Multimodefasern 1978: Mbit/s ΔL = 10km BL=500 (Mbit/s) km 10-facher Repeaterabstand geringere Installationsund Unterhaltskosten 1300nm SSMF (standard single mode fiber) D 0; a 0.5dB/km Durch Dämpfung begrenzt 1979: InGaAsP-Laser bei 1300nm 1981: 2Gbit/s, 44km 1987: 1.7Gbit/s, 50km 1997: 10Gbit/s, 200km (SOA) 1550nm SSMF, Direkt-Detektion (DD) D 17ps/nm/km a 0.2dB/km Laser longitudinal singlemodig Durch Dispersion begrenzt 1985: 4Gbit/s, >100km(im Labor) 1990: 2.5Gbit/s kommerziell 1995: 10Gbit/s Demonstrator 1997: 10Gbit/s kommerziell 2000: 40Gbit/s Demonstrator 2005: 40Gbit/s kommerziell 2001: 1.28Tbit/s experimentell 1. Einführung - 12

7 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (2) Vierte Generation Fünfte Generation Sechste Generation Optische Verstärker WDM (Wellenlängen- Multiplex) Zum Teil auch kohärente Systeme Repeaterabstand ca.80km 1991: 2.5Gbit/s 4500km 10Gbit/s 1500km 2.4Gbit/s 21000km (Loop) 10Gbit/s 14300km (Loop) 2003: 10Gbit/s km (Loop, Regenerator) Solitonen-Systeme: Interaktion von Dispersion und Nichtlineare Effekte 1988: 4000km Ramanverstärkung 1989: Erbium Dotierte Faser Verstärker (EDFA) 1991: 2.4Gbit/s, 12000km DWDM-Systeme (Dense WDM) 1996: 2.6Tbit/s, 120km 132x20Gbit/s 2000: 7Tbit/s, 50km 176x40Gbit/s 2000: 10Tbit/s, 100km ( )x40Gbit/s PolMux, FEC 2001: 5Tbit/s, 12x100km 128x40Gbit/s, FEC 2001: 11Tbit/s, 2x58km 273x43Gbit/s, C,L,S-Band 2002: 3.2Tbit/s, 52x100km 80x42.7Gbit/s, FEC, DPSK 1. Einführung Generationen optischer Übertragungssysteme (3) Wachstum der Faserübertragungskapazität und des Bandbreite-Länge-Produkts Terabit Experimente Kanalzahl Tbit/s ,0E+08 Bitrate-Länge-Produkt Kanal-Bitrate Gbit/s km 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E Jahr 1. Einführung - 14

8 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (4) Zukünftige Systeme der siebten Generation: DWDM mit phasenmodulierten Signalen 2002: 3.2Tbit/s, 52x100km, 80x42.7Gbit/s, FEC, DPSK 2005: 2.5Tbit/s, 160km, 80Gbit/s ETDM, PolMux, DQPSK (single channel) 2007: 25.6Tbit/s, 160x2x85Gbit/s, PolMux, DQPSK Beispiel: 2.56Tbits/s (O)TDM Experiment (ECOC 2005 PD 4.1.2) 1. Einführung Generationen optischer Übertragungssysteme (5) 2009: 5.1Tbit/s, OTDM OFC 2009 PDPC6 (FhG HHI, Berlin) 1. Einführung - 16

9 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (6) Beispiel: 25.6Tbit/s Experiment (WDM, ETDM), OFC2007, PDP Einführung Struktur eines komplexen optischen Übertragungssystems Struktur eines komplexen optischen Übertragungssystems MUX: Multiplexer DMUX: Demultiplexer OCC: Optical Cross Connect 1. Einführung - 18

10 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität (1) Triebkräfte für den Anstieg der Kapazität optischer Übertragungssysteme: Zunahme an Telefonie (ca. 5-10% pro Jahr) Datenverkehr im Internet (bis zu 100% pro Jahre) Z.B.: Video on demand, tripple play, quadrupel play,. Die Erhöhung der Übertragungskapazität besonders durch: Erhöhung der Übertragungsrate eines optischen Signals (TDM) Parallelisierung mehrerer optischer Signale verschiedener Wellenlänge (WDM) Weitere Techniken zur Erhöhung der Übertragungskapazität: Erhöhung der spektralen Effizienz durch mehrstufige Modulationsformate Kapazitätsverdopplung durch Polarisationsmultiplex 1. Einführung Erhöhung der Übertragungskapazität (2) Zeitbereichsmultiplex (TDM) Datenrate in elektrischen Multiplexern begrenzt durch verfügbare Halbleitertechnologien 43Gbit/s Systeme verfügbar 85Gbit/s und 100Gbit/s ETDM Systeme demonstriert 1. Einführung - 20

11 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität (3) 2 Standards: SDH and SONET SDH (Synchrone Digitale Hierarchie Europa, Japan) SONET (Synchronous Optical Network Nord Amerika) Grundbitrate:155.52Mbit/s = 3 x 51.84Mbit/s (2Mbit/s x 3 x 7); 10Gbit/s Telefonate SONET Bitrate SDH Level Name Mbit/s Level Name STS-1 OC STS-3 OC STM-1 STS-12 OC STM-4 Gbit/s STS-48 OC STM-16 STS-192 OC STM-64 STS-768 OC STM-256 Neue Systeme: FEC (forward error correction) 7% höhere Bitrate bei Overhead-Übertragung 1. Einführung Erhöhung der Übertragungskapazität (4) Wellenlängenmultiplex (WDM) Mehrstufenübertragung Mehrstufige Übertragungsverfahren zunehmend für die optische Übertragungstechnik im Einsatz Aussichtsreichstes Übertragungsformat in kommerziellen Produkten: DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) Weitergehende Diskussion der Mehrstufen-Übertragungsverfahren Vorlesung Optische Übertragungstechnik 1. Einführung - 22

12 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (1) Einsatz für nahezu alle Entfernungsbereiche Transozeanischen (Untersee-) Systeme ~7.000km bzw. ~10.000km Terrestrische Weitverkehrssysteme ~1.000km Metronetze ~ 200km Optische Zugangsnetze ~ 20km kurzreichweitige Lösungen als Gebäudenetze Fahrzeugnetze (z.b. MOST-Bus in KFZ) Intrasystemverbindungen Optical Backplane Metro Access Oceanic Core 1. Einführung Einsatz optischer Kommunikationssysteme (2) MOST-Bus für automobile Anwendungen (Media Oriented System Transport) 1. Einführung - 24

13 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (3) 1. Einführung Einsatz optischer Kommunikationssysteme (4) 1. Einführung - 26

14 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (5) Zunahme installierte Faser im Jahr 2005 (Mio km) 10,2 10,2 6,8 3,4 Nordamerika 23,8 China Japan Westeuropa Asien Rest Welt Rest 13,6 Nachfrage nach optischen Fasern 2005: 68Mio km 68 Mio. km/jahr 7800 km/h 2,15 km/s 1. Einführung Faseroptische Kommunikation in Zahlen Dämpfung: 0.2dB/km Halbierung der Intensität nach 15km Bitrate: 10Gbit/s, 40Gbit/s , Telefonate Bit-Dauer: 40Gbit/s 25ps Ein Bit in der Faser: 5mm Länge Rekord-Bitrate (Einzelkanal): 2.56Tbit/s Kapazität: Experimentell ca.25tbit/s 320 Mio. Telefonate Abdeckbare Entfernungsbereiche: lokal, terrestrisch, transozeanisch Fehler: Bitfehlerwahrscheinlichkeit im Schnitt alle ca.12 Tage ein Fehler in Entfernungen: 1m 1 Lichtjahr 1. Einführung - 28