IX Optoelektronische Komponenten

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1 IX Optoelektronische Komponenten Anforderungen und Probleme für optische Nachrichtentechnik Optische Netze Optische Fasern Konzepte zur Erhöhung der Bandbreite Verstärker Chromatische Dispersion Polarisationsmodendispersion Signalregeneration Filter

2 IX.1 Aufbau eines DWDM-Systems Dense wavelength division multiplexing Abb.IX.1: Komponenten eines DWDM-Systems

3 IX.2 Moderne optische Fasern Spectral bands according to ITU/SG15 Draft G.dsn Die wahrscheinlich längste Komponente... O Band E Band S Band C Band L Band Standard SMF (G.652) +20 Attenuation (db/km) Geringe Verluste in Glasfasern nur in beschränkten Spektralbereichen Waterpeak nm (ps/nm.km) Dispersion slope (ps/nm 2.km) Effective area (µm 2 ) TeraLight SMF E-LEAF Truewave-RS MetroCor ,2 4,5 0,058 0,058 0,085 0,045 TeraLight TM E-LEAF Truewave-RS U Band -8 ~ ~ Dispersion (ps/nm/km) Abb.IX.2: Dämpfung und Dispersion moderner Fasern Wavelength (nm) Tab.IX.1: Dispersion und Querschnittsflächen von Fasern

4 IX.2 Welche Fasern wofür? Abb.IX.3: Einsatzbereiche verschiedener Fasertypen Brechzahl immer zwischen 1,4 und 1,7

5 IX.2 Propagation in der Faser Anzahl der geführten Moden: Abb.IX.4: Propagation in einer Faser (Strahlenoptik) 2 d V = π n n λ 2 2 core cladding

6 IX.2 Propagation in der Faser Transversale Moden Abb.IX.5: Propagation in einer Faser (Moden)

7 IX.2 Faserprofile In Fasern mit unterschiedlich radialem Brechzahlverlauf kann die Dispersion maßgeschneidert werden. Abb.IX.6: Zusammenhang Dispersion und Faserprofil

8 IX.2 Herstellung von Glasfasern Preform machen: CVD-Prozess Abb.IX.7: Herstellung der Preform

9 IX.2 Struktur von amorphem Quarzglas kristallin Abb.IX.8: Kristallstruktur von SiO2

10 IX.2 Herstellung von Glasfasern Ziehen und beschichten Billige Technologie für dünne Strukturen (singlemode) Rauheiten und Inhomogenitäten werden geglättet, Verluste minimiert Abb.IX.9: Ziehen von Glasfasern

11 IX.2 Aufbau einer Glasfaser 9µm Abb.IX.10: Aufbau einer Glasfaser Typischer Verlust: 0,2 db/km Nach 100km: T = I I = = 0,2i100/10 / ,01

12 IX.2 Neue Glasfasern Abb.IX.11: Holey-Fiber Geringere Verluste mit photonischen Kristall-Fasern?

13 IX.3 Erhöhung der Bandbreite need for more bandwidth? No, thanks (in 2002) Yes, 55%-85% increase until 2005 want to pay for more bandwidth? Higher frequencies Cost-effective electronics CD >10GHz Polarization mux PMD λ channels Cost-effective filters AWGs Abb.IX.12: Wege zur Erhöhung der Bandbreite More λ λ range Amp New fibers Egal, welchen Weg man einschlagen möchte zur Erhöhung der Bandbreite, man braucht neue bzw. verbesserte optoelektronische Komponenten

14 IX.3 Wahl der Mux-Technik hängt vom Umfeld ab Mux technology: DWDM Metro Core: DWDM multiple fiber and / or WDM splitter, λ-mux or fiber switch λ or fiber Metro Access feeder: fiber / C(D)WDM Metro Access drop: fiber / C(D)WDM Abb.IX.13: Netzwerk-Klassen

15 IX.3 Bisherige Rekorde Capacity (Tb/s) G, Alcatel Ultra-high capacity terrestrial systems 40G, Alcatel Ultra-long haul terrestrial systems 40G, Lucent 40G, Lucent 10G, Alcatel 40G, Mintera 40G, Alcatel 40G, NEC Ultra-long haul submarine systems Status OFC 02 PDP 10G, Alcatel 40G, Tycom Competitors Alcatel Former ULH Alcatel, submitted 40G, Alcatel Regenerated systems Je höher die Bandbreite, desto schwieriger die Übertragung über lange Strecken. 10Tbit/s entspricht etwa dem gesamten Traffic (Internet und Telefon) Deutschlands über eine einzige Faser! Link Length (x1000 km) Abb.IX.14: Übersicht Bandbreitenrekorde

16 IX.3 Zeitliches optisches Multiplexen Mehr Bandbreite über eine Faser Abb.IX.15: Schema optisches Zeitmultiplexen

17 IX.3 Entwicklung des optischen Zeitmultiplexens Total bit rate [Gbit/s] OTDM hybrid WDM-OTDM 40x80G Agere(2002) 10x100G NTT(1999) 4x160G Alcatel (2002) x160G NTT(1999) 6x160G Lucent (2001) N= NTT(1995) NTT(1993), Lucent (1999) N=10 N= NTT(1998) NTT(1996) NTT(1998), Lucent (2000) NTT(2000) NTT(1995), Lucent (1999), HHI (1999), Agere (2001), Alcatel (2002), Nortel (2002) Single channel bit rate [Gbit/s] Abb.IX.16: Entwicklung von OTDM

18 IX.3 Entwicklung der Modulationsverfahren Bitrate 640Gbit/s 100 Gbit/s First research results OTDM 40Gbit/s? 80Gbit/s?? 10 Gbit/s 10Gbit/s 2.5 Gbit/s 1Gbit/s 100 Mbit/s 155 Mbit/s SMF 1300 nm 622 Mbit/s EDFA 1550 nm WDM Estimated period from first prototype (field) testing to main implementation phase Abb.IX.17: Historische Entwicklung der Bitraten year

19 IX.4 Verstärker: SOAs Das Signal wird schwächer Abb.IX.18: Schema SOA Abb.IX.19: Aufbau eines SOAs Abb.IX.20: Fertiger SOA Elektrische Inversion wird durch stimulierte Emission abgeräumt

20 IX.4 Verstärker: Raman Raman Streuung: Abgabe/Aufnahme eines optischen Phonons Abb.IX.21: Raman-Streuung Abb.IX.22: Schema eines Raman-Verstärkers Raman Verstärker: So ähnlich wie stimulierte Emission unter Abgabe eines optischen Phonons

21 IX.4 Erbium dotierte Faserverstärker Erbium im SiO 2 ergibt neue Zustände mit passenden Lebensdauern Abb.IX.23: Energieschema Erbiumdotierung Abb.IX.24: Schema Erbiumverstärker Spezielle Faser ermöglicht breitbandige Verstärkung Übergang Faserverstärker integrierter Verstärker

22 IX.4 Breitbandige Verstärkung Abb.IX.25: Verstärkungsspektren Raman- und Erbiumverstärker Ziele: Viele Kanäle mit einem Verstärker abdecken Konstante Verstärkung

23 IX.5 Chromatische Dispersion Das Signal zerfließt unterwegs Abb.IX.26: Ursache für chromatische Dispersion

24 IX.5 Chromatische Dispersion Abb.IX.27: Pulsüberlapp bei chromatischer Dispersion Höhere Modulationsfrequenzen führen zu geringerem Pulsabstand Mehr Dispersion wegen größerer spektraler Breite eines Pulses

25 IX.5 Regeneration Das Signal ist nicht mehr gut detektierbar degraded input opt. power time amplifier Re-amplification clock recovery Re-timing Abb.IX.28: Probleme der Signalregeneration decision Re-shaping regenerated output

26 IX.5 Polarisationsmodendispersion Das Signal zerfließt unterwegs S in slower PSP γ 1 γ faster PSP constant polarisation birefringent element = first-order PMD Abb.IX.29: Dispersion durch Doppelbrechung τ: DGD variable polarisation along pulse Doppelbrechung ändert sich mit der Zeit Statistische Natur erfordert angepasste Kompensation

27 IX.5 Polarisationsmodendispersion Beispielrechnung: 40 Gbit/s: PMD < 4 ps (16 % der Bitlänge) nötig für fehlerfreie Übertragung Angenommene PMD der Faser 0,15ps/ km PMD fiber 1.5ps/ km 0.08ps/ km max Link length 6km 1500km PMD-Kompensation ist wichtig für große Faserstrecken, nur 70 % der vorhandenen verlegten Fasern können über mehr als 1000km Strecke betrieben werden!

28 IX.6 Gewünschte Filtercharakteristik Wellenlängenmultiplexen Abb.IX.30: Filtercharakteristik eines Wellenlängenkanals

29 IX.6 Filtercharakteristik für Mehrkanalsysteme Abb.IX.31: Filtercharakteristik mehrerer Wellenlängenkanäle

30 IX.6 Arrayed waveguide grating Layout 40x50 GHz chip auf 4 Si wafer Abb.IX.32: Layout von AWGs auf einem Wafer

31 IX.6 Funktionsweise AWG Abb.IX.33: Schema eines AWGs Grundidee wie bei der Beugung am Gitter: Gangunterschied macht konstruktive Interferenz für eine bestimmte Wellenlänge in einer bestimmten Richtung

32 Gaussian 40 channels IX.6 Charakteristik AWG Loss Loss (max) (max) db db Crosstalk (within (within +/ /-0.10 nm nm clear clear window) window) non-adj. ch. ch. total total crosstalk db db -27.0dB Chromatische Dispersion <10ps/nm Abb.IX.34: Filtercharakteristik eines AWGs

33 IX.6 Dünnschichtfilter Funktionsweise: Viele dielektrische Spiegel. Anzahl der Filterkomponenten steigt linear mit der Kanalzahl an. Dünnschichtfilter sind daher für viele Kanäle (>16) ungeeignet. Abb.IX.35: Schema Dünnschichtfilter

34 IX.6 Ringresonatoren 1st step - ringresonators Input Output (notch) Output (peak) Output (notch) Input Abb.IX.36: Schema Ringresonatoren Transmission Transmission 1 FSR Wavelength (nm) Wavelength (nm)

35 IX.6 Faser Bragg Gitter Abb.IX.37: Schema Faser Bragg Gitter Funktionsweise: 1D dielektrisches Spiegel Abb.IX.38: Faser Bragg Gitter mit Zirkulator Abb.IX.39: Faser Bragg Gitter mit Phasensprung

36 IX.6 Planares Gitter Abb.IX.40: Schema planares Gitter Vgl. geblaztes Gitter im Monochromator Abb.IX.41: Mikroskopaufnahme planares Gitter

37 IX.6 Elliptische Gitter Abb.IX.42: Schema eines elliptischen Reflexionsgitters Concentric elliptic gratings have two foci Multiple gratings work as DEMUX AT&T 1990

38 IX.6 Superprisma Abb.IX.43: Filtereigenschaften eines Superprismas

39 IX.6 Hauptproblem: Gewünschte Charakteristik treffen grating is too long/short/thick/thin index not proper (homogeneously) Center wavelength does not fit to ITU Tune the temperature Grating inhomogeneous Vernier principle (multiple inputs and outputs) High crosstalk Konzepte zur Kompensation der Filtercharakteristik, um doch innerhalb der Toleranzen zu bleiben. UV trimming Abb.IX.44: Probleme zur Abstimmung von AWGs

40 IX.6 Athermische AWGs Wichtige Anforderung: Alles soll stabil laufen, unabhängig von der Temperatur Abb.IX.45: Kompensation der thermischen Effekte

41 IX.6 Athermische AWGs Abb.IX.46: Kombiniertes System aus Polymer und SiO2

42 IX.6 Athermische AWGs Abb.IX.47: Bimetall-Ansatz zur Temperaturkompensation

43 IX.6 Athermische AWGs Phased Array Chip slab waveguide at input side Abb.IX.48: Justage-Ansatz zur Temperaturkompensation x input fibre holder Chip post for fixing compensating rod

44 IX.6 Materialwahl yes Tab.IX.2: Vergleich der Materialien yes

45 IX Zusammenfassung Optische Nachrichtentechnik erfordert Optimiertes Zusammenspiel zwischen Materialeigenschaften und kosten Je nach Ansatz für höhere Bandbreiten (Mux) unterschiedliche optoelektronische Komponenten Weiterentwicklungen hinsichtlich Wellenlängenstabilität, Filtercharakteristik, Hochfrequenz-Eigenschaften und Signal- Rausch-Verhältnis Künftig: monolithische Integration vieler Funktionen