Faserunabhängiges Dispersionsmanagement zur Unterdrückung von SPM und XPM in 10 Gb/s NRZ-modulierten. WDM-Übertragungssystemen

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1 Faserunabhängiges Dispersionsmanagement zur Unterdrückung von SPM und XPM in 10 Gb/s NRZ-modulierten WDM-Übertragungssystemen vorgelegt von Diplom-Ingenieurin Miroslawa Malach von der Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Dr. Holger Boche Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Norbert Hanik Tag der Wissenschaftlichen Aussprache: 7. November 2008 Berlin 2008 D 83 1

2 Danksagungen Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann für die Ermöglichung dieser Arbeit, das entgegengebrachte Vertrauen und die Diskussionsbereitschaft während der gesamten Betreuungszeit. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Norbert Hanik von der Technischen Universität München für die Bereitschaft im Promotionsverfahren als Zweitberichter mitzuwirken und Herrn Prof. Dr. Dr. Holger Boche für die freundliche Übernahme des Vorsitzes im Promotionsausschuss. Mein herzlicher Dank geht an die Kollegen vom Heinrich-Hertz Institut: R. Freund, C. Caspar und L. Molle für die Unterstützung der messtechnischen Verifizierung meiner theoretischen Untersuchungen sowie H.-J. Thiele, H. Buchta, E.-J. Bachus, E. Schulze, K. Habel, J. Grubor und M. Seimetz für die interessanten und anregenden Diskussionen. In meinen Dank schließe ich natürlich alle Mitarbeiter des Fachgebiets Hochfrequenztechnik - Photonik, vor allem: Christine Hamer, Johannes Fischer, Andrzej Gajda, Ivano Giuntoni, Christian Weber, Stefan Warm, Christian Bunge, Lars Zimmermann, Karsten Voigt, Torsten Mitze, Robert Elschner, Markus Winter, Patrick Runge, Wieland Mann sowie Alessandro Marques de Melo, Anes Hodzic, Fabian Kerbstadt, Hadrien Louchet. Meinem Freundeskreis danke ich für die immer währende Unterstützung. Besonders bedanke ich mich bei Agatha Kuchnicki, Claudia Reuer und Barbara Schnabel für ihre Geduld bei Korrekturarbeiten. Nicht zuletzt danke ich meiner Tochter Agnieszka für ihr Verständnis, ihre Geduld und liebevolle Unterstützung, die sie mir vom Anfang des Studiums bis zum Abschluss der Promotion entgegengebracht hat. 2

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 5 2 Degradationseffekte in optischen Übertragungsstrecken Lineare Effekte Dämpfung Dispersion Polarisationsmodendispersion Optisches Rauschen Nichtlineare Effekte Charakteristische Größen Effektive Faserlänge L eff Dispersionslänge L D und Nichtlinearitätslänge L NL Walk-off und walk-off Länge L W Selbstphasenmodulation SPM Kreuzphasenmodulation XPM Vierwellenmischung FWM Stimulierte Streuprozesse Aufbau einer Übertragungsstrecke Komponenten Optische Sender Optische Verstärker Optische Empfänger Modulationsformate Multiplexverfahren Streckendesign Überlagerung der Degradationseffekte in einem Übertragungssystem 31 3

4 4.1 Überblick über veröffentlichte Forschungsarbeiten aus dem Bereich nichtlineare Störung Dispersionskompensationsschemata im System Akkumulation der SPM-Störung Einfluss der Länge des Streckensegments Einfluss der Streckeninfrastruktur Einfluss des Dispersionskompensationsschemata Akkumulation der XPM Störung XPM-Störung in einem Streckensegment Überlagerung der XPM-Störung in drei Streckensegmenten Überlagerung der nichtlinearen Störung im Übertragungssystem 47 5 Unterdrückung der nichtlinearen Effekte in einem Übertragungssystem Simulationsaufbau Einfluss der Restdispersion pro Übertragungsstrecke (D res ) Abhängigkeit der optimalen Restdispersion pro Span von verschiedenen Systemparametern Allgemeine Designregel für optimale Restdispersion pro Übertragungsstrecke (D res ) im Übertragungssystem Einfluss der Vorkompensation D pre und der Restdispersion am Ende des Übertragungssystems D nrd Abhängigkeit der optimalen Vorkompensation D pre von verschiedenen Systemparametern Allgemeine Designregel für optimale Restdispersion am Ende des Übertragungssystems D nrd Allgemeine Designregel für optimale Vorkompensation D pre (für SSMF-Übertragungssysteme) Optimale Vorkompensation D pre für NZ-DSF-Systeme Anwendung der Designregel beim Entwurf der transparenten Netze 69 7 Zusammenfassung 72 4

5 Kapitel 1 Einleitung Die Entwicklung der Technik am Ende des vergangenen Jahrhunderts war geprägt durch eine stetige Erweiterung der Kommunikationsmöglichkeiten. Der Einsatz von optischen Systemen und Technologien ab Mitte der siebziger Jahre hat dabei die entscheidende Änderung der Kommunikationsnetze verursacht. Ab diesem Zeitpunkt wurden die auf Kupferkabeln basierenden Netze kontinuierlich durch Glasfasernetze ersetzt. Entscheidend für den Wechsel war nicht nur der große Vorteil der Glasfasern, der darin besteht hohe Übertragungsbandbreiten über große Distanzen zu realisieren, sondern auch die Entwicklung von neuen Übertragungstechniken wie z.b. WDM (engl. Wavelength Division Multiplexing) und von optischen Verstärkern. Die Architektur der Kommunikationsnetze (geographisch betrachtet) lässt sich in drei Gruppen aufteilen: Fernnetze WANs (engl. World Area Networks) mit großen Reichweiten (z.b. zwischen verschiedenen Ländern), Regionalnetze MANs (engl. Metropolitan Area Networks), die sich über eine Region bzw. Stadt erstrecken und Teilnehmerbereich LANs (engl. Local Area Networks) bzw. PONs (engl. Passive Optical Networks), die innerhalb eines Grundstücks bzw. eines Gebäudes aufgebaut sind. Unabhängig von den technologischen Lösungen beinhaltet ein Kommunikationsnetz mehrere Vermittlungsknoten (Abbildung 1.1), die mit Übertragungsstrecken verbunden sind. Eine Übertragungsstrecke besteht dann entweder aus einem oder aus mehreren kürzeren Streckenabschnitten (Spans), zwischen denen nach Bedarf die Verstärker eingesetzt werden. Die Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Teilnehmern im Netz erfolgt über den kürzesten Weg, der zwischen deren Verbindungsknoten liegt. In den letzten Jahren unterschieden sich die Evolutionsstufen der faseroptischen Netze im Wesentlichen in den Vermittlungsknoten EXC (engl. Electrical Cross Connect) und DXC (engl. Digital Cross Connect) [1]. An allen solchen Netzknoten werden die optischen Signale nach dem Demultiplexen 5

6 zuerst detektiert. Die Vermittlung erfolgt dann im elektrischen Basisband durch EXCs oder durch Zugriff auf einzelne Daten des z.b. SDH-Protokolls (engl. Synchronous Digital Hierarchy) - durch DXCs. Danach werden die elektrischen Signale wieder in optische Signale umgewandelt und zu dem nächsten Netzknoten übertragen. Diese Art des Netzbetriebs wird als opaque bezeichnet und ist in Abbildung 1.1 a) dargestellt. Abbildung 1.1: Ein Beispiel von Kommunikationsnetzen: a) opaque, b) hybrid, c) transparent. Die Punkte und Kreise im Bild stellen die Vermittlungsknoten dar. Der Nachteil solcher Vermittlungsknoten sind die steigenden Kosten der Transponder (Sender und Empfänger), die durch Erhöhung der Anzahl der WDM- Kanäle oder der Datenrate verursacht werden. Eine Reduzierung der Kosten von Transportnetzen wird durch den Einsatz optischer Vermittlungstechniken angestrebt. Diese Kosteneinsparungen treiben die derzeitige Entwicklung zu optisch transparenten Netzen [24] voran, bei denen die vollständigen optischen Wellenlängenpfade durch ein Netz nach Bedarf automatisch aufgebaut und abgebaut werden [4, 5] (Abb. 1.1 c)). Die Vermittlung in den Netzknoten erfolgt dann mit OXCs (engl. Optical Cross Connect), was die allgemeinen Kosten aufgrund der Einsparung der Transponder erheblich reduziert. Knotenschaltelemente wie optische adddrop Multiplexer (OADM) werden in backbone Netzen von allen Netzbetreibern weltweit eingesetzt [2, 3]. Nachteilig an dieser Technologie sind die optischen Degradationseffekte (vor allem die Selbstphasenmodulation - SPM und die Kreuzphasenmodulation - XPM), die sich bei großen Distanzen über mehrere Übertragungsabschnitte akkumulieren und somit die Übertragungsreichweite stark beschränken können. Eine Zwischenlösung bietet hier der hybride Aufbau des Netzes, zum Teil transparent und zum Teil opaque (Abbildung 1.1 b)), das angestrebte Ziel bleibt jedoch weiterhin ein transparentes Kommunikationsnetz. Um dieses Ziel zu erreichen, muss vor allem das Hauptproblem solcher Netze, Degradationseffekte und deren Überlagerung im Netz, beseitigt werden. In den letzten Jahren haben sich viele Forschungsgruppen mit diesem Thema beschäftigt. Als eine der Lösungen wurde z.b. die so genannte bedingte Vermittlung vorgeschlagen. Diese soll bei der Herstellung der optischen Verbindung über mehrere Vermittlungsknoten (Routing) die 6

7 physikalischen Degradationseffekte und deren Einfluss auf die Signalqualität analytisch bestimmen und abhängig davon einen geeigneten Verbindungspfad aufbauen und freischalten. In diesem Fall erfolgt die Verbindung nicht unbedingt über den kürzesten Weg und es fehlen für die Implementierung dieser Lösung im Netz noch einige zuverlässige analytische Bewertungsregeln. Eine weitere Lösung bietet das Dispersionsmanagement im Netz. Diese Methode kann durch entsprechende Anordnung von Glasfasern mit positiven und negativen Dispersionswerten die akkumulierten Degradationseffekte erheblich reduzieren. Somit kann der kürzeste und schnellste Verbindungsweg erhalten bleiben und die Netz- und Verbindungskosten können maximal reduziert werden. Die Überlagerung und Unterdrückung der verschiedenen nichtlinearen Degradationseffekte in einem Übertragungssystem sowie das Dispersionsmanagement im Netz sind aus diesem Grund das zentrale Thema dieser Arbeit. Die folgenden Kapitel 2 und 3 sind der Beschreibung der einzelnen Degradationseffekte und dem genauen Aufbau der Übertragungsstrecke gewidmet. Sie bilden eine theoretische Grundlage für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen und erklären die verwendeten Grundbegriffe. Die Überlagerung der Degradationseffekte und deren Betrachtung unter verschiedenen Aspekten erfolgt im Kapitel 4. In diesem Kapitel wird auch der Stand der Forschungsarbeiten behandelt, die zu diesem Thema in den letzten Jahren entstanden sind. Außerdem werden die ersten Untersuchungsergebnisse, als Grundlage für Kapitel 5, interpretiert. Den Kern der Arbeit bildet das Kapitel 5. Hier wird die Unterdrückung der nichtlinearen Degradationseffekte mit Hilfe des Dispersionsmanagements im Netz untersucht. Die Ergebnisse und die daraus hergeleitete Designregel bieten eine nützliche und zeitsparende Hilfestellung beim Entwurf der Übertragungssysteme. Anhand der entworfenen Formeln kann das Übertragungsverhalten des Systems optimiert werden, die Übertragungsdistanz und Kapazität können erhöht und die Systemkosten gesenkt werden. Im Kapitel 6 wird mit Hilfe eines Beispiels die Anwendung der Designregel beim Entwurf der transparenten Netze dargestellt. Die Faserparameter, das Abkürzungs- und das Symbolverzeichnis sowie Literaturverzeichnis befinden sich im Anhang dieser Arbeit. 7

8 Kapitel 2 Degradationseffekte in optischen Übertragungsstrecken Dieses Kapitel beinhaltet einen Überblick über die grundlegenden Eigenschaften der Glasfasern. Der Schwerpunkt wurde vor allem auf die für diese Arbeit relevanten Effekte gelegt. Der Begriff Glasfasern umfasst im Allgemeinen sowohl Einmodenfasern als auch Mehrmodenfasern. Die Führung von Licht in einer Glasfaser beruht auf dem Prinzip der totalen Reflexion auf den Grenzschichten von Kern und Mantel, dabei kann sich die Brechzahl dazwischen kontinuierlich (Gradientenfasern) oder stufenförmig (Stufenfasern) ändern. Die üblichen Glasfasern (Abb. 2.1) bestehen aus einem kreisförmigen Kern mit einer Brechzahl n 1, der mit einer Schicht (Mantel) mit der niedrigeren Brechzahl n 2 umgeben ist. Abbildung 2.1: Stufenfaser. In modernen Kommunikationssystemen, vor allem MANs und WANs, werden ausschließlich Einmodenfasern eingesetzt. Die Gruppe der Einmodenfasern besteht aus mehreren Fasertypen, die sich durch ihre linearen und nichtlinearen Eigenschaften unterscheiden [10]. Die zur Zeit am weitesten verbreiteten Fasertypen sind SSMF (engl. Standard Single Mode Fiber), NZ-DSF (engl. Non-Zero Dispersion Shifted Fiber) und DCF (engl. Dispersion Compensating Fiber) [11], weshalb sich die Arbeit auf ebensolche beschränkt. In der Tabelle 1 des Anhangs sind die wichtigsten Faserparameter zusam- 8

9 mengestellt. Abbildung 2.2 stellt den Verlauf der Dispersion für verschiedene Fasertypen in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge dar. Abbildung 2.2: Angenäherter Dispersionsverlauf dreier Fasertypen. Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen und somit auch die von Licht wird durch die physikalischen Eigenschaften der Stoffe (Glasfasern) beeinflusst, in denen die Ausbreitung erfolgt. Dabei entstehen bei der geführten Lichtwelle Störungen, die durch lineare und nichtlineare Effekte verursacht werden. In Abbildung 2.3 sind die in der Glasfaser auftretenden linearen und nichtlinearen Effekte aufgeführt, die in den folgenden Abschnitten diskutiert werden. Abbildung 2.3: Lineare und nichtlineare Effekte in der Glasfaser. 9

10 2.1 Lineare Effekte Dämpfung Eine der wichtigsten Größen, die die Ausbreitung von Licht in einer Glasfaser charakterisiert, ist das Maß der dabei entstehenden Energieverluste, die Faserdämpfung. Abbildung 2.4 stellt den Verlauf der Dämpfungskonstanten in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge dar. Üblicherweise wird die längenbezogene und frequenzabhängige Dämpfung in der Literatur und in Datenblättern in Dezibel pro Kilometer (db/km) angegeben. Abbildung 2.4: Dämpfungsprofil der Glasfasern [15]. Die physikalischen Ursachen, die zu Faserdämpfung beitragen, sind im wesentlichen: die Absorption, die Rayleigh-Streuung und die bei der Glasfaserherstellung entstehenden Geometriestörungen. Die Absorptiondämpfung entsteht, wenn die Elektronen der Materie in eine Wechselwirkung mit den Lichtwellen treten oder durch atomare oder molekulare Schwingungen angeregt werden. Diese Mechanismen sind wellenlängenabhängig und bei der Anregung von Schwingungen entstehen resonanzartige, zu Dämpfungsspitzen bei bestimmten Wellenlängen führende Erscheinungen. Es ist zu unterscheiden zwischen Absorptionen, die im verwendeten Material auftreten und nicht vermieden werden können (Ultravioletabsorption bis ca nm und Infrarotabsorption ab ca nm Wellenlänge) und solchen, die durch Verunreinigungen des Materials zusätzlich entstehen (Verunreinigung mit OH - - Ionen). Die Rayleigh-Streuung ist ein prinzipieller und nicht vermeidbarer Streumechanismus, das eine wesentliche Limitierung bei kürzen Wellenlängen stellt. Dabei handelt es sich um die Streuung von Licht an Unregelmäßigkeiten (regellose Dichteschwankungen des amorphen Siliziumdioxids oder 10

11 - bei Mehrkomponentengläser - die unterschiedliche Verteilung der Moleküle der unterschiedlichen Stoffe), deren Abmessungen kleiner als die Wellenlänge sind. Beide Schwankungen verursachen praktisch gleiche Wellenabhängigkeit der Streuverluste und nehmen mit der vierten Potenz der Wellenlänge ab (α R 1/λ 4 ). Die Geometriestörungen, die bei dem Herstellungsprozess von Glasfasern auftreten sowie extrinsische Zusatzverluste (z.b. Mikrokrümmungen und Makrobiegungen) können starke Verluste vor allem in mehrmodigen Fasern verursachen. Die Einmodenfasern weisen dagegen eine geringe Empfindlichkeit auf. Allgemein kann die Dämpfung in einer Glasfaser durch die Differenzialgleichung beschrieben werden: dp dz = αp (2.1) wobei α der Dämpfungskoeffizient bezüglich der optischen Leistung P ist. Die Lichtleistung P(z) entlang der Faser ergibt sich somit zu P (z) = P (z = 0) exp( αz) (2.2) wobei P(z=0) die optische Fasereingangsleistung beschreibt. Durch technologischen Fortschritt in der Herstellung von Glasfasern ist es heutzutage möglich, Lichtwellenleiter mit Dämpfungswerten von ca. 0,2 db/km, im Wellenlängenbereich von ca nm bis ca nm (was einer Bandbreite von ca. 2 THz entspricht) herzustellen. Dieser Dämpfungswert sowie die, im Vergleich zu Metalleitern hohe nutzbare Bandbreite, sind die wesentlichen Gründe für den Einsatz von Glasfasern in allen Nachrichtenübertragungsbereichen Dispersion Bei der Propagation von Licht (beschrieben als elektromagnetische Welle) in einer Glasfaser kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und Molekülen der Materie. Die Ausbreitungseigenschaften der Welle werden im Zeitbereich mit Re {E 0 exp(j [ωt βz])} beschrieben (E 0 - komplexe Wellenamplitude, ω = 2πν, β - Ausbreitungskonstante) [10]. Betrachtet man das sich in z-richtung ausbreitende transversale elektrische Feld, so bewegen sich die Ebenen konstanter Phase mit einer Geschwindigkeit, die Phasengeschwindigkeit v ph genannt wird. Gleichung (2.3) definiert Phasengeschwindigkeit als: 11

12 v ph = dz dt = ω β = c n (2.3) für konstante Phase der Welle (ωt βz = const.), mit c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und n: Brechzahl des Materials. Die Energie des Signals breitet sich jedoch mit der Gruppengeschwindigkeit v gr aus. Diese ist gegeben als: v gr = dω dβ = c N (2.4) wobei β und ω in beiden Fällen jeweils Ausbreitungskonstante und Kreisfrequenz des optischen Feldes sind. N bezeichnet den Gruppenindex. Im Idealfall sind Gruppen- und Phasengeschwindigkeit gleich, wie z.b. im Vakuum. Im Allgemeinen sind beide Geschwindigkeiten jedoch verschieden. Überträgt man einen kurzen Lichtimpuls über eine Glasfaser, so kommt das Puls am Ende der Faser stark verbreitet. Die Ursache dafür ist die Frequenzabhängigkeit der Gruppengeschwindigkeit, die bewirkt, dass sich die verschiedenen spektralen Komponenten des Pulses mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Dies wird als Gruppengeschwindigkeitdispersion (engl. GVD - Group-Velocity-Dispersion) oder auch mit dem Begriff Faserdispersion D bezeichnet. Allgemein werden die dispersiven Eigenschaften der Glasfaser durch die Dispersion D und deren Steigung S angegeben. Deren theoretische Betrachtung erfolgt im Frequenzbereich durch die Beschreibung der Signalausbreitung entlang einer Glasfaser mittels der Fouriertransformierten des komplexen orts- und zeitabhängigen elektrischen Feldes. Die Ausbreitungskonstante β(ω) lässt sich gemäß Formel (2.5) bei der Referenzkreisfrequenz ω = ω 0 = 2πc/λ 0 in eine Taylor-Reihe entwickeln für m = 0, 1, 2... an der Stelle ω = ω 0. Somit ist β m = dm β dω m (2.5) β(ω) = β 0 + β 1 (ω ω 0 ) β 2(ω ω 0 ) β 3(ω ω 0 ) (2.6) Dabei bezeichnet β 0 eine konstante Phasendrehung und β 1 entspricht dem Reziproken der Gruppengeschwindigkeit (1/v gr ). Die Termen höherer Ordnung beschreiben die Änderung der Gruppenlaufzeit mit der Frequenz und somit die Faserdispersion D und deren Steigung (Dispersionslope) S [8]. 12

13 D = dβ 1 dλ = 2πc λ 2 β 2 (2.7) S = dd dλ = 4πc λ 3 (β 2 + πc λ β 3) (2.8) Weiterhin besteht die Faserdispersion aus zwei Anteilen (Abb. 2.5): der Materialdispersion D M und der Wellenleiterdispersion D W. Abbildung 2.5: Gesamtdispersion D und die Beiträge der Materialdispersion D M und der Wellenleiterdispersion D W einer SSMF [10]. Die Materialdispersion D M ist eine Materialeigenschaft und tritt bei allen Glasfasern auf. Die Ursache dafür ist die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl von Quarzglas und Dotierungsmaterialien, aus denen Kern und Mantel gebaut sind. Im Allgemeinen ist die Materialdispersion als D M λ d 2 n [8] definiert. Ihre Nullstelle liegt bei Quarzglas bei c dλ 2 einer Wellenlänge von λ nm. Für λ < λ 0 ist die Materialdispersion negativ und für λ > λ 0 positiv. Die Wellenleiterdispersion D W entsteht durch die räumliche Struktur der Glasfaser und ist somit abhängig vom Durchmesser des Glasfaserkerns und dem Brechzahlprofil der Faser. In der Gesamtdispersion D = D M + D W (Abbildung 2.5) macht sich die Wellenleiterdispersion durch eine Verschiebung der Nulldispersionswellenlänge λ 0 bemerkbar, so dass die Gesamtdispersion für z.b. SSMF (engl. Standard Single Mode Fiber) bei der Wellenlänge von ca nm ihre Nullstelle besitzt. 13

14 2.1.3 Polarisationsmodendispersion Bei der bisherigen Betrachtung der Feldausbreitung wurde angenommen, dass sich das eingestrahlte elektromagnetische Feld in einer ideal zylindersymmetrischen Glasfaser linear und unabhängig von der Polarisation ausbreitet. In den in dieser Arbeit betrachteten Einmodenfasern sind zwei fundamentale, in ihrer Polarisation orthogonale Moden ausbreitungsfähig und werden mit Indizien x und y bezeichnet. Die Propagation beider Moden erfolgt entlang ihrer Polarisationshauptachsen. Durch herstellungsbedingte Mikrokrümmungen und Asymmetrien sowie durch Umwelteinflüsse wie Temperaturschwankungen oder Druck breiten sich die in x- und y-richtung polarisierten Feldkomponenten mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten β x (ω) β y (ω) aus. Der Effekt, die so genannte Doppelbrechung, ist die Ursache für die Polarisationsmodendispersion (engl. PMD polarisation-mode-dispersion) und kann neben der Dämpfung und der chromatischen Dispersion zu Limitierung der Übertragungsreichweite bei hohen Datenraten führen. Da bei den neuen Glasfasern die PMD-Koeffizienten stark gesunken sind [13] und somit keine nennenswerte Begrenzung bei hier betrachteten 10 Gb/s Kanaldatenraten darstellen, wird im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss der PMD auf die Übertragungsqualität vernachlässigt. 2.2 Optisches Rauschen Unter Rauschen versteht man allgemein einen Störeffekt mit einem breiten, unspezifischen Spektrum, das durch stochastisch bedingte Schwankung einer Größe entsteht. In einem optischen Übertragungssystem entsteht das Rauschen vor allem in den aktiven Komponenten wie Sender, Verstärker oder Empfänger und addiert sich bzw. tritt in Wechselwirkung mit dem übertragenen Signal. In heutigen optischen Übertragungssystemen verursachen die optischen Verstärker, die zur Kompensation der Faserdämpfung eingesetzt werden (Kap ), den größten Anteil des Gesamtrauschens (beschrieben durch so genannte Rauschzahl des Verstärkers). Beim Verstärkungsprozess entsteht ganz unausweichlich optisches Rauschen, das im Signalband liegt, und wird daher zusammen mit dem optischen Nutzsignal detektiert. Dadurch verschlechtert sich die Qualität des übertragenen Signals und die Übertragungsreichweite (Anzahl der kaskadierbaren Streckenabschnitte mit optischen Verstärkern) wird begrenzt. 14

15 Da die Empfänger nur in einem begrenzten Eingangspegel-Dynamikbereich fehlerfrei arbeiten können, wurde in optischen Übertragungssystemen im Wellenlängenbereich um 1550 nm ein für den optischen Empfänger benötigtes Signal-Rauschabstand OSNR (engl. Optical-S ignal-to-n oise-ratio) in db bezogen auf 0,1 nm definiert [12] OSNR /db = 58 db + P a/dbm (αl) F 10 log 10 (m) db (2.9) αl = α T rans L T rans + α DCF L DCF (2.10) Dabei beinhaltet der Sockelbetrag von 58 db das unvermeidliche Schrotrauschen der Laserstrahlung in db, P a - ist die Kanaleingangsleistung, L - Länge der Übertragungsfaser bzw. Dispersionskompensationsfaser in km, α- Dämpfung der Faser in db/km, F - die Rauschzahl der optischen Verstärker in db (diskutiert im Kap ), m - die Anzahl der Streckenabschnitte. Die Abbildung 2.6 zeigt am Beispiel einer Übertragungsstrecke die bei den Formeln 2.9 und 2.10 verwendeten Größen. Abbildung 2.6: Rauschbeiträge für die Berechnung des OSNR in einem Übertragungskanal. Die Formel ermöglicht eine Abschätzung des OSNR eines Kanals am Ende einer Kette von gleichartigen Verstärkern mit identischer Fasereingangsleistung. Die maximale mögliche Kanaleingangsleistung ist begrenzt durch verfügbare Ausgangsleistung der optischen Verstärker bzw. durch die nichtlinearen Effekte (Kap. 2.3) in der Übertragungsfaser. Weil der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung und Analyse der nichtlinearen Eigenschaften der Übertragungssysteme liegt, wird bei der Simulation ein rauschfreies Verstärkermodel verwendet. 2.3 Nichtlineare Effekte Das Ausbreitungsverhalten von Pulsen auf einer nichtlinearen dispersiven Glasfaser kann mittels der nichtlinearen Schrödingergleichung beschrieben werden [8] 15

16 A(z,t) = αa(z, t) + j β 2 2 A(z,t) + β 3 3 A(z,t) jγ A(z, t) 2 A(z, t) (2.11) z 2 2 T 2 6 T 3 Der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung ist dabei die Faserdämpfung α(siehe Abschnitt 2.1.1), der zweite und dritte Term beschreiben jeweils die Dispersion D und deren Steigung S (siehe Abschnitt 2.1.2). Der letzte Term beschreibt mit Hilfe des nichtlinearen Koeffizienten γ den Kerr-Effekt. Unter dem nichtlinearen Kerr-Effekt wird die Abhängigkeit des Brechungsindexes n von der Leistung A(z,t) 2 verstanden. n = n linear + ñ 2 A 2 (2.12) Die nichtlineare Brechzahl ñ 2 wird zur Definition des nichtlinearen Koeffizienten γ der Faser verwendet und liegt für Quarzglas bei Wellenlängen 1550 nm im Bereich von 2, m 2 /W [8]. γ = ñ2ω 0 ca eff (2.13) c bezeichnet hier die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, A eff die effektive Fläche des Faserkerns, über welche sich die transversale Feldverteilung F(x,y) der Grundmode der SSMF (engl. S tandard-s ingle-m ode-f iber) ausbreitet [8]. A eff = ( F (x,y) 2 dx dy) 2 F (x,y) 4 dx dy (2.14) Die effektive Modenfläche kann, abhängig von dem Herstellungsprozess, dem Brechzahlprofil und von der Faserart, unterschiedlich sein. In Bezug auf die SSMF mit A eff 80µm 2 kann γ bei einer Ausbreitungswellenlänge von λ=1550 nm angegeben werden als [6] γ = 1,317 80µm 2 W km A eff (2.15) Im Allgemeinen werden die nichtlinearen Effekte in einer Glasfaser als Degradationseffekte betrachtet, weil sie Signalverzerrungen, Leistungsverlust, Rauschen oder Kanalübersprechen hervorrufen können. Nutzbringend lassen sich die nichtlinearen Effekte zur Realisierung verteilter Faserverstärker oder Laser einsetzen. Ein Ausbalancieren von Dispersion und Nichtlinearitäten ermöglicht die Formung von Solitonen, d.h. Impulsen, die sich auch über lange Faserstrecken hinweg unverzerrt ausbreiten [14]. 16

17 2.3.1 Charakteristische Größen Effektive Faserlänge L eff Die effektive Faserlänge L eff wird zur Gewichtung nichtlinearer Fasereffekte benötigt. Sie ist definiert als die Länge einer ideal verlustlosen Glasfaser mit α = 0, die den gleichen nichtlinearen Einfluss wie eine Glasfaser der Länge L mit Verlusten hervorruft [8] L P (z) dz = L P (0) exp( αz) dz = P (0) L 0 0 eff (2.16) mit P(0) als Fasereingangsleistung. Nach Integration ergibt sich L eff = 1 exp( αl) α (2.17) Für sehr kleine Distanzen konvergiert L eff gegen L, für sehr große Faserlängen gegen 1/α. Bei Annahme einer typischen Faserdämpfung von ca. 0,22 db/km und Faserlängen ab ca. 80 km folgt die effektive Länge in guter Näherung zu 20 km. In optischen Übertragungssystemen mit Zwischenverstärkern ist die gesamte effektive Länge als Summe der effektiven Längen der einzelnen Streckenabschnitte gegeben Dispersionslänge L D und Nichtlinearitätslänge L NL Der Effekt der chromatischen Dispersion wird durch GVD-Parameter β 2 und die Pulszeit T 0 beschrieben mit: L D = T 2 0 β 2 (2.18) Auch die nichtlinearen Fasereffekte können durch eine charakteristische Länge definiert werden. Bestimmt durch die Pulsspitzenleistung P und den nichtlinearen Koeffizienten γ ist die nichtlineare Länge definiert als: L NL = 1 γp (2.19) Beide Größen (Dispersionslänge und Nichtlinearitätslänge) ermöglichen eine erste Abschätzung, ob dispersive oder nichtlineare Effekte oder beide für Übertragungsverhalten entscheidend sind. Die Abhängigkeit zwischen L D, L NL und der Länge der Übertragungsfaser L kann grob in vier verschiedene Kategorien unterteilt werden: L L NL und L L D : die Faserlänge ist viel kleiner als Nichtlinearitätsund Dispersionslänge. Die beiden Effekte beeinflussen kaum das Übertragungsverhalten des Signals und die Glasfaser dient als nahezu störungsfreies Übertragungsmedium. Nur aufgrund der Faserdämpfung nimmt die Pulsenergie ab. 17

18 L L NL und L L D : die Faserlänge ist größer oder vergleichbar mit der Dispersionslänge und viel kleiner als die Nichtlinearitätslänge. Das Übertragungsverhalten des Signals ist somit beeinflusst durch die Faserdispersion und Faserdämpfung, die Fasernichtlinearitäten spielen eher eine untergeordnete Rolle. L L NL und L L D : die Faserlänge ist größer oder vergleichbar mit der Nichtlinearitätslänge und viel kleiner als die Dispersionslänge. Das Übertragungsverhalten des Signals ist in diesem Fall durch die Fasernichtlinearitäten und Faserdämpfung beschrieben. Zu beachten ist jedoch, dass sich aufgrund der Fasernichtlinearitäten das Spektrum des Signals verbreiten kann und damit auch geringe Dispersionswerte zu dispersiven Pulsverzerrungen führen können. L L NL und L L D : die Faserlänge ist größer oder vergleichbar mit der Nichtlinearitäts- und Dispersionslänge. Die beiden Effekte und deren Interaktion sowie die Faserdämpfung beeinflussen das Übertragungsverhalten des Signals Walk-off und walk-off Länge L W Durch die chromatische Dispersion der Faser propagieren Signale verschiedener Wellenlängen mit unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten. Die Distanz, bei welcher sich zwei Signale auf benachbarten Wellenlängen um eine Laufzeit T B voneinander entfernt haben, ist gegeben durch: L W = T B D λ (2.20) Eine charakteristische Größe stellt dabei der walk-off w dar. Für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen wurde der walk-off definiert als: w = Dacc λ T B (2.21) Dabei ist D acc die akkumulierte Dispersion an der betrachteten Stelle der Übertragungsstrecke(D L) (in ps/nm), λ ist der Kanalabstand (in nm) und T B ist die Bitdauer (in ps). Die Abbildung 2.7 zeigt ein Beispiel für den Dispersionsverlauf im Übertragungssystem sowie die durch akkumulierte Dispersion verursachte zeitliche Verschiebung der einzelnen Bits im Übertragungskanal. Weiterhin wurden in Abb. 2.7 die definierten walk-off Werte am Anfang des ersten Spans (w 1 ) und des letzten Spans (w N ) des Übertragungssystems eingetragen. Diese Bezeichnungen werden auch im weiteren Verlauf der Untersuchung verwendet. 18

19 Abbildung 2.7: Beispiel für den Dispersionsverlauf im Übertragungssystem sowie die durch akkumulierte Dispersion verursachte zeitliche Verschiebung der einzelnen Bits im Übertragungskanal Selbstphasenmodulation SPM Die Selbstphasenmodulation beschreibt einen nichtlinearen Prozess, bei dem der intensitätsabhängige Anteil des Brechungsindex ñ 2 in Formel 2.12 die Phasenmodulation eines Signals durch seine eigene Intensität bewirkt. Eine charakteristische Größe ist dabei die nichtlineare Phasendrehung φ NL : φ NL (L, t) = γ A(0, t) 2 L eff = γ P L eff (2.22) Bei einem Übertragungssystem mit mehreren Verstärkersektionen wird φ NL als akkumulierte nichtlineare Phasendrehung betrachtet: φ NL = γp (z) dz (2.23) z was bei einem System mit N Verstärkersektionen und immer gleichen Verstärkerausgangsleistungen P(z=0) zu φ NL = γ P (z = 0) L eff N (2.24) 19

20 führt. Nach Gleichung 2.11 gilt ohne Dispersion (β 2 = β 3 = 0) und ohne Faserdämpfung α A(L, t) = A(0, t) exp(jφ NL ) (2.25) Die Phasenmodulation lässt die Hüllkurve des Signals unverändert, verursacht aber eine zeitlich aufgelöste Abweichung seiner Momentanfrequenz von der Trägerfrequenz (sog. Chirp), was im Frequenzbereich zu einer symmetrischen Verbreitung des Signalspektrums führt. Die steigende Flanke des Signalpulses erfährt daher durch SPM eine Verringerung der Momentanfrequenz (Rotverschiebung), die fallende Flanke des Pulses eine Verschiebung zu höheren Frequenzen (Blauverschiebung). In der Zusammenwirkung der chromatischen Dispersion und SPM entsteht PM-AM-Konversion (engl. PM : P hase M odulation, AM: Amplitude M odulation) des Signals (der Chirp wird in Amplituden- bzw. Leistungsschwankungen umgewandelt), sowie - abhängig von dem Vorzeichen der Dispersion - Impulsverbreitung (D<0) oder Impulskompression (D>0). Dispersion höherer Ordnung führt in Verbindung mit SPM zu einer spektralen und zeitlichen Asymmetrie der Signalpulse. Der Sonderfall der Zusammenwirkung von der chromatischen Dispersion und SPM sind Solitone, d.h. optische Pulse, bei denen die durch Faserdispersion verursachte Impulsveränderung von der Fasernichtlinearität kompensiert wird. Charakteristische Größen von Solitonen sind: Solitonordnung N sol (bei α = 0) L N sol = D L NL (2.26) und Solitonperiode z sol z sol = π 2 L D (2.27) Solitone erster Ordnung (N sol = 1) ändern ihre Form entlang der Übertragungsstrecke weder im Zeit- noch im Frequenzbereich. Solitone höherer Ordnungen nehmen erst nach einer Solitonperiode ihre ursprüngliche Form wieder an Kreuzphasenmodulation XPM Die Kreuzphasenmodulation ist ein nichtlinearer Prozess, der u.a. im WDM- Systemen induziert wird. Im betrachteten Kanal wird durch die benachbarten optischen Kanäle eine Phasenmodulation ausgelöst, die eine nichtlineare Kanalkopplung bewirkt. Genauer betrachtet: im ersten Schritt erfährt ein Signal durch ein kopropagierendes Signal eine Phasenmodulation: 20

21 φ NL (L, t) = γ ξ P cp L eff (2.28) P cp ist die Leistung des kopropagierenden Signals, der Koeffizient ξ hängt ab von Polarisationszustand und dem Kanalabstand der beiden Signale. Den maximalen Wert erreicht ξ bei parallel polarisierten Signalen (ξ=2), bei orthogonalpolarisierten Signalen ist der Wert deutlich kleiner und beträgt ξ= 2/3. Im zweiten Schritt bewirkt die Dispersion der Übertragungsfaser eine Umwandlung der Phasenmodulation in Leistungsschwankungen. Gleichzeitig kann die Dispersion, bzw. Dispersionslope zu einem Walk-off (Kap ) zwischen den Kanälen führen, welcher den XPM-Einfluss reduzieren kann. Eine weitere Analyse der Kreuzphasenmodulation wird im Kapitel 4.2 durchgeführt, indem der Einfluss einer Pumpwelle (moduliertes Signal) auf ein unmoduliertes Testsignal untersucht wird Vierwellenmischung FWM Die Vierwellenmischung ist ein weiterer nichtlinearer Effekt, bei dem durch nichtlineare Interaktion von drei optischen Wellen (ω i, j, k mit ω i ω j ω k ) ein neuer Beitrag bei einer vierten Wellenlänge erzeugt wird. ω ijk = ω i + ω j ω k (2.29) Durch Interaktion einer Anzahl von W WDM-Kanälen eines Übertragungssystems entstehen daher M Mischprodukte mit: M = 1 2 (W 3 W 2 ) (2.30) In WDM-Systemen mit gleichen Kanalabständen fallen die Mischprodukte genau mit den Kanalfrequenzen der WDM-Signale zusammen und führen dort zu einer Degradation des Nutzsignals. Die Vierwellenmischung hat in Fasern mit geringer Dispersion einen größeren Einfluss. Eine höhere chromatische Dispersion verringert die Effizienz der FWM, da die Distanz, mit welcher die erzeugenden WDM-Kanäle phasensynchron propagieren, abnimmt Stimulierte Streuprozesse Neben den Kerr-Nichtlinearitäten treten in Glasfasern stimulierte Streuprozesse wie stimulierte Brillouin Streuung (engl. S timulated B rillouin S cattering) und stimulierte Raman Streuung (engl. S timulated Raman S cattering) auf. 21

22 Stimulierte Brillouin Streuung (SBS) entsteht durch Streuung an akustischen Phononen, die aus dem thermischen Rauschen heraus entstehen. Durch Interferenz zwischen rückgestreuter Welle und Pumpwelle kommt es durch Elektrostriktion zu verstärkten periodischen Dichteschwankungen in Form einer akustischen Welle. Die gebildete Gitterstruktur führt zu einer weiteren Streuung der Pumpwelle bzw. Verstärkung der rückgestreuten Welle. Dieser Effekt wird allgemein durch die Bragg Bedingung beschrieben. Die rückgestreute Welle weist bei Einmodenfasern eine um ca GHz gegenüber der Pumpwelle reduzierte Frequenz auf [14]. Die SBS-Schwelle wird definiert als Eingangsleistung, bei der die rückgestreute Leistung so groß wie die vorwärts propagierende Leistung ist. Der Schwellenwert hängt wesentlich von der Bandbreite der Pumpwelle ab. Bei der Intensitätsmodulation und unter Verwendung eines chirparmen externen Modulators liegt die SBS-Schwelle (je nach Modulationsformat) im Bereich einer mittleren Leistung von ca. 9 dbm. Eine Möglichkeit die SBS-Schwelle bis auf 15 dbm zu erhöhen ist z.b. die Frequenzmodulation des Signals mit einem Hub von einigen Hundert MHz und einer Frequenz im khz -Bereich [14]. Beim unelastischen Stoß zwischen einem Photon und einem Molekül kann die Energie des Photons abgegeben oder ein Teil der Energie des Moleküls von dem Photon aufgenommen werden. Diese Energie entspricht der Differenz zwischen zwei Energieniveaus der Molekülschwingung. Die dabei beobachtete Streuung wird als spontane Raman-Streuung (SRS) bezeichnet. Das gestreute Licht enthält (um die Molekülfrequenz verschobenen) höheren bzw. niedrigeren Frequenzen und die Wechselwirkungsbandbreite der Raman-Streuung liegt im Bereich von ca. 100 nm mit einem maximalen Streuung um ca. 13 THz von der Pumpwellenlänge entfernt. SRS ist daher in Einkanalsystemen vernachlässigbar. In Mehrkanalsystemen mit großen Kanalzahlen kann es zu nichtlinearem Nebensprechen und zum Leistungstransfer zwischen den einzelnen Übertragungskanälen kommen; dabei werden die langwelligen Kanäle entsprechend dem Ramangewinnprofil von den kurzwelligen Kanälen verstärkt, was zur Verschlechterung der Signalqualität in den kurzwelligen Kanälen führt. Da im Rahmen dieser Arbeit nur Systeme mit kleinen Kanalzahlen untersucht wurden, wird der Effekt der stimulierten Raman-Streuung nicht weiter berücksichtigt. 22

23 Kapitel 3 Aufbau einer Übertragungsstrecke Die optischen Kommunikationsnetze, wie z.b. das in Abbildung 3.1. dargestelltes Backbone-Netz der Deutschen Telekom, bestehen aus mehreren Schaltknoten, welche durch Verbindungspfade von unterschiedlichen Längen vernetzt sind. Abbildung 3.1: Das Backbone-Netz der Deutschen Telekom [Quelle DT AG]. In diesem Kapitel wird der prinzipielle Aufbau eines Verbindungspfades vorgestellt. Es wird dabei kurz auf die wesentlichen Komponenten, Modulationsformate und verwendeten Multiplexverfahren eingegangen. Am Ende des Kapitels wird das Streckendesign und das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Systemmodell erläutert. Dabei wird sich diese Arbeit auf intensitätsmodulierte direktdetektierende IM-DD (engl. Intensity Modulated Direct Detection) 23

24 Systeme beschränken. In Abbildung 3.2. ist der schematische Aufbau eines Verbindungspfades, der aus N Streckenabschnitten besteht, dargestellt. Abbildung 3.2: Schematischer Aufbau eines Verbindungspfades. Die Abkürzungen im Bild bezeichnen die in den folgenden Kapiteln beschriebenen Teile des Netzes: Tx - optische Sender im Kap , WDM-MUX - Multiplexer bzw. Demultiplexer im Kap. 3.3, SSMF, DCF - Glasfasern im Kap. 2, EDFA - optische Verstärker Kap und Rx - optische Empfänger im Kap Komponenten Optische Sender Der prinzipielle Aufbau eines optischen Senders ist in Abbildung 3.3. dargestellt. Zur Erzeugung eines kohärenten optischen cw-signals (engl. continuous wave) werden meist DFB-Laser (engl. Distributed Feedback Laser) verwendet. Für die Übertragung wird heute meist ein Wellenlängenfenster von nm genutzt, das so genannte C-Band (engl. Conventional Band). In zukünftigen Systemen wird jedoch angestrebt, auch das S-Band (engl. Short wavelength) ( nm) und das L-Band (engl. Long wavelength) ( nm) zu nutzen. Band Bezeichnung Wellenlängenbereich O-Band Original nm E-Band Extended nm S-Band Short wavelength nm C-Band Conventional nm L-Band Long wavelength nm U-Band Ultralong wavelength nm Tabelle 3.1: Wellenlängenbereiche in der optischen Nachrichtentechnik. 24

25 Abbildung 3.3: Prinzipieller Aufbau des Senders eines intensitätsmodulierten direktdetektierenden Übertragungssystems. Für Simulationszwecke wird mittels einer digitalen Signalquelle eine pseudozufällige Bitsequenz der Länge 2 n bestehend aus gleichverteilten 0 - und 1 -Datenbits erzeugt. Diese Bitsequenz wird entsprechend dem gewünschten Modulationsformat (Kap. 3.2) kodiert und einem Modulator zugeführt. Um die Schwankungen der Laseremissionswellenlänge des Lasers zu verhindern, werden externe Intensitätsmodulatoren verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wird es ausschließlich der Mach-Zender-Modulator sein Optische Verstärker Um den Einfluss der Dämpfung auszugleichen, werden in den Verbindungspfaden optische Verstärker eingesetzt. In den letzten 20 Jahren wurden mehrere Arten optischer Verstärker untersucht: Halbleiterverstärker, Brillouinund Raman-Verstärker sowie optische Faserverstärker, die mit seltenen Erden wie z.b. Praseodymium, Ytterbium oder Erbium dotiert sind. Letztere, mit Erbium dotierte optische Faserverstärker EDFA (engl. Erbium Doped Fiber Amplifier), werden seit Jahren in modernen Kommunikationssystemen eingesetzt, da sie eine von der Datenrate nahezu unabhängige Verstärkung bieten und über mehrere Wellenlängen ausreichend flaches Gewinnspektrum im Dämpfungsminimum der SSMF aufweisen. Mit dem Einsatz der EDFAs in einem Übertragungssystem wird jedoch eine weitere physikalische Störgröße eingefügt: Verstärkerrauschen. Gemeinsam mit einer erwünschten stimulierten Emission, die zu einer Verstärkung des optischen Signals führt, kommt in EDFA zu einer spontanen Emission, die sich als Zusatzrauschen zu dem übertragenen Signal addiert. Die Rauscheigenschaften des optischen Faserverstärkers werden durch die Rauschzahl F erfasst. Diese wird als das Verhältnis der Signal-Rauschleistungverhältnisse am Eingang und Ausgang des Verstärkers definiert. Die Kaskadierung der Verstärker führt zu der weiteren Verstärkung der einzelnen Zusatzrauschen- 25

26 beiträge und ist insbesondere in optischen Weitverkehrsübertragungssystemen über die maximale Übertragungsdistanz mitbestimmend. Da der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung und Analyse der nichtlinearen Eigenschaften der Übertragungssysteme liegt, wird bei der Simulation ein vereinfachtes rauschfreies Verstärkermodel verwendet Optische Empfänger Üblicherweise werden in der Literatur zwei Empfangskonzepte betrachtet: Geradeausempfang (engl. DD: direct detection) und Überlagerungsempfang bzw. kohärenter Empfang. In heutigen kommerziellen Übertragungssystemen hat sich das Konzept des Geradeausempfängers (Abb. 3.5) aufgrund seiner relativ einfacher und kostengünstigen Implementierung durchgesetzt. Abbildung 3.5: Aufbau eines Geradeausempfängers. Zur Signaldetektion werden Halbleiterdetektoren (Photodioden) mit hohem Quantenwirkungsgrad eingesetzt, die das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandeln. Hierbei wird das zu detektierende optische Signal mittels eines optischen Filters (OBPF in der Abb. 3.5) ausgewählt und von der Photodiode detektiert. Hinter der Photodiode wird ein elektrisches Tiefpaßfilter nachgeschaltet. In dieser Arbeit wurde für die Simulationszwecke eine rauschfreie Photodiode gewählt. Die genauen Parameter der Filter sind im jeweiligen Ergebniskapitel aufgeführt. 3.2 Modulationsformate In heutigen optischen Übertragungssystemen ist die Intensitätsmodulation (engl. IM: Intensity Modulation), bei der zwischen zwei Formaten: NRZ (engl. nonreturn-to-zero) und RZ (engl. return-to-zero) zu unterscheiden ist, das fast ausschließlich verwendete Modulationsformat (Abb. 3.6). Dabei werden die logische Eins durch das Senden einer bestimmten Lichtleistung und das logische Null durch ausbleibende Lichtleistung realisiert. 26

27 Abbildung 3.6: Signalverlauf bei unterschiedlichen Modulationsformaten. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Modulationsformaten liegt an der Pulsdauer einer logischen Eins. Bei RZ ist der optische Puls kürzer als die Zeitdauer eines Bits und ändert seine Amplitude, bevor eine Bitzelle endet. Bei NRZ hat der optische Puls die Zeitdauer eines Bits. Für zeitlich nacheinander folgende logische Einsen behält er dauerhaft seine Amplitude. In der Praxis wird aufgrund der kleineren Signalbandbreite das NRZ - Modulationsformat bevorzugt und deshalb im Rahmen dieser Arbeit als einziges Modulationsformat verwendet. Alternativ wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl von Modulationsformaten untersucht, bei denen neben der Amplitude auch die Frequenz (engl. FSK: Frequency Shift Keying), Phase (engl. PSK: Phase Shift Keying) und Polarisation (engl. APol-RZ: alternate-polarization return-to-zero) verändert werden. Einige von diesen Modulationsformaten weisen sehr hohe Toleranz gegenüber nichtlinearen Fasereffekten auf [16], erfordern aber zusätzlichen Aufwand im Sender und im Empfänger. 3.3 Multiplexverfahren Für die bessere Ausnutzung der Übertragungskapazität einer Übertragungsstrecke werden mehrere Nutzkanäle gleichzeitig übertragen. Dieses Verfahren wird als Multiplexen bezeichnet. Es existieren mehrere elektrische [33] und optische Multiplexverfahren. Die modernen Weitverkehrsnetze basieren fast ausschließlich auf Systemen mit Wellenlängenmultiplex (engl. WDM : Wavelength Division Multiplex). Die Zeitmultiplex (engl. OTDM : Optical Time Division Multiplex) ist das zweitwichtigste Multiplexverfahren für die Übertragung von hohen Datenraten [17] und wird auch in Verbindung mit WDM eingesetzt [18]. 27

28 Da in dieser Arbeit ausschließlich WDM Systeme untersucht werden, wird nur diese Multiplexart im Weiteren erläutert. Abbildung 3.7: Optisches Zeitmultiplex (oben), optisches Wellenlängenmultiplex (unten). Die hohe Bandbreite der Fasern wird bei WDM ausgenutzt, indem verschiedenen Übertragungskanälen unterschiedliche optische Wellenlängen zugeordnet werden. Auf der Senderseite wird für jeden Kanal ein separater Laser vorgesehen. Die optischen Signale aller Laser werden mit Hilfe von wellenlängenabhängigen Koppelanordnungen in eine Faser eingekoppelt und übertragen. Am Empfänger werden die Kanäle durch entsprechende Filter bzw. wellenlängenselektive Koppelanordnungen wieder getrennt und optischen Empfängern zugeleitet. In den letzten Jahren ist der Nutzungsgrad der WDM Übertragungsstrecken erheblich gestiegen. Es konnten bei Laborexperimenten z.b. 10 Tb/s übertragen werden [20, 21]. Dabei wird angestrebt, den Nutzungsgrad nicht nur durch höhere Kanaldatenraten zu verbessern, sondern auch durch Verringerung der Kanalabstände (bei 10 Gb/s-Übertragung) von 100 GHz über 50 GHz bis zu 25 und 12,5 GHz. 28

29 3.4 Streckendesign Das Design von heutigen optischen Übertragungssystemen ist einerseits durch die Forderungen des Marktes, andererseits durch die Technologien, um diese Forderungen zu erfüllen und die daraus resultierenden Probleme, geprägt. Die Definition von internationalen Standards (durch ITU, engl.: International Telecommunication Union) bietet dabei eine weltweit einheitliche Basis, die eine weitgehende Interoperabilität von unterschiedlichen Systemen ermöglicht. Bei der Planung und Optimierung eines Übertragungssystems, das aus mehreren Streckenabschnitten (Spans) besteht, sind zuerst zwei wesentliche Aspekte zu berücksichtigen: Dispersionsmanagement (Dispersionskompensation) Leistungspegelverlauf (Kompensation der Dämpfung) Das Dispersionsmanagement wird vor allem durch Einsatz von dispersionskompensierenden Fasern realisiert. Diese werden in der Übertragungsstrecke in Abständen von 60 bis 120 km verteilt. Die Dämpfung der Faser wird durch die zwischen den einzelnen Spans eingeschalteten Faserverstärker kompensiert. Eine Übertragungsstrecke besteht also aus einer wiederholten Anordnung von diesen drei Elementen. Je nach Dispersionskompensationsart unterscheidet man zwischen vor- (pre-), nach- (post-) und hybridkompensierten Systemen. Abbildung 3.8: Beispiel eines Abschnitts einer dispersionskompensierten Übertragungsstrecke. a) vorkompensiert, b) nachkompensiert, c) hybridkompensiert. 29

30 In Abbildung 3.8 sind drei Dispersionskompensationsschemata mit dem jeweils dazugehörigen Verlauf der akkumulierten Dispersion dargestellt. Jede der dargestellten Systeme weist während des Betriebs unterschiedliches Übertragungsverhalten auf. Die Optimierung von einer einzelnen Anordnung reicht nicht aus, um optimalen Betrieb eines Übertragungsnetzes zu gewährleisten. Nach mehreren Untersuchungen wurde das Konzept der hybridkompensierten Übertragungsstrecken mit 99% Dispersionskompensation als optimal für 10 Gb/s-Systeme gewählt [22]. Dieses Konzept entspricht dem Beispiel c) in der Abbildung 3.8 und die gesamte Dispersion (L DCF D DCF ) von DCF 1/2 beträgt jeweils 49,5% der gesamten SSMF-Dispersion (L SSMF D SSMF ). Weiterhin wurde von der Deutschen Telekom das Konzept der Normsektion [23] mit SSMF-Länge von 80 km und nahezu symmetrisch als Vor- und Nachkompensation (hybridkompensiert) verteilten DCFs (Abb. 3.8 c) propagiert. Diese Standards wurden daher für die Simulationszwecke im Rahmen dieser Arbeit zuerst verwendet. Wie schon in diesem Kapitel erklärt wurde, treten in Übertragungssystemen weitere Störungen auf, die von den zwei gerade besprochenen Degradationseffekten abhängig sind. Durch ein optimiertes Dispersionsmanagement (abhängig unter anderem von der Signalleistung) können diese Störungen deutlich verringert und somit die Übertragungsreichweiten erhöht werden. Mit diesem Thema beschäftigt sich diese Arbeit ab Kapitel 4. 30

31 Kapitel 4 Überlagerung der Degradationseffekte in einem Übertragungssystem In transparenten optischen Netzen ohne opto-elektronischer Regeneration des Signals ist die Übertragungsqualität durch die akkumulierten linearen sowie nichtlinearen Effekte in der Übertragungsfaser begrenzt [25]. Dieses Kapitel konzentriert sich auf die Untersuchung der Akkumulation der nichtlinearen Effekte innerhalb des Übertragungssystems, da die Akkumulation der linearen Effekte relativ einfach zu beschreiben ist. Dabei ist zu beachten, dass die Struktur der Netze nicht homogen ist. Beim Aufbau eines Verbindungspfades über mehrere Netzknoten können die einzelnen Übertragungssegmente (Spans) z.b. unterschiedliche Länge oder Dispersionskompensationsschemata besitzen sowie aus unterschiedlichen Faserarten aufgebaut sein. Abhängig davon ist die Akkumulation der nichtlinearen Effekte entlang des aufgebauten Übertragungspfades unterschiedlich. In der letzten Zeit wurde die Überlagerung der Störung in einem Netz sehr intensiv untersucht. Es wurden neue Konzepte und Lösungen entwickelt [26, 27, 28]. In diesem Kapitel werden die Untersuchungen der Signaldegradation in Übertragungssystemen mit unterschiedlichen Dispersionskompensationsschemata und unterschiedlicher Spanlänge beschrieben. Alle numerischen Simulationen wurden mit der Software TransmissionMaker der Firma VPI durchgeführt. 31

32 4.1 Überblick über veröffentlichte Forschungsarbeiten aus dem Bereich nichtlineare Störung Ende der achziger Jahre sowie in den neunziger Jahren wurde die nichtlineare Störung und deren Unterdrückung sehr intensiv untersucht [34, 35, 36]. In früheren Übertragungssystemen konnte man, abhängig von der Kanaldatenrate (< 10 Gb/s), dem Kanalabstand (> 100 GHz) und der Signalleistung, manche nichtlineare Störungen vernachlässigen. In heutigen Übertragungssystemen mit Kanaldatenraten von 10 Gb/s und Kanalabständen < 100 GHz ist das nicht mehr möglich. Somit gab es eine Reihe von Forschungsarbeiten, die sich mit nichtlinearen Störungen und deren Reduzierung im System beschäftigt haben. In diesem Unterkapitel werden einige Beispiele von diesen Arbeiten aufgelistet, dabei wird die Aufteilung in: allgemeine Arbeiten über SPM und XPM und deren Wechselwirkung mit Dispersion, Optimierung der Dispersionskompensations-Schemata, Methoden zur Unterdrückung der nichtlinearen Effekte vorgenommen. In den letzten Jahren untersuchten mehrere Forschungsgruppen den Einfluss von SPM [37, 38] sowie XPM [39, 40, 41] auf Signalqualität sowie deren Wechselwirkung mit Dispersion in einem Übertragungssystem. In [42] wurde gezeigt, dass eine entsprechende Anordnung von Übertragungsfasern (z.b. SSMF) und Dispersionskompensationsfasern (DCF) die Übertragungsqualität im System verbessern kann. Diese Arbeit hat auch die große Bedeutung vom Dispersionsmanagement im System angesprochen. Die Vorschläge zur optimalen Dispersionsverteilung im System findet man auch in [43] mit Unterkompensation pro Span oder in [44]: Dispersionsverteilung im System in Verbindung mit optimalen Kanalleistung (P max - Gesetz: maximale Kanalleistung in Abhängigkeit von Anzahl der Spans im System bei einer definierten OSNR-penalty-Grenze). Die Veröffentlichungen [45] und [46] bestätigen den positiven Einfluss von Vorkompensation auf Reduzierung von FWM- und SPM-Störung. Gleichzeitig wird in der Arbeit [45] ein weiterer bedeutender Parameter im System - walk-off - angesprochen sowie eine Vermutung gestellt, dass hohe walk-off-werte im System die XPM-Störung reduzieren können. Mit dem Thema walk-off und walk-off-länge (hier im Kap ) haben sich auch viele andere Arbeiten beschäftigt. So zeigt [47], dass bei bestimmten walk-off-werten XPM-bedingte Resonanzen bzw. Störungen im System auftreten können. Die Arbeit [48] bestätigt die Vermutung von [45] und zeigt, dass XPM-Störung am Anfang des Übertragungsspans entsteht und die Störung bei kleinen walk-off-werten größer ist. Eine weitere theore- 32

33 tische und messtechnische Betrachtung von walk-off liefern die Arbeiten [49] und [50]. Diese Arbeiten zeigen, dass für L w < L eff die induzierte XPM- Störung 1/ λ ist und dass für Systeme mit sehr kleinen Kanalabständen (L w > L eff ) die induzierte Störung nicht mehr von λ abhängig ist. Die Abhängigkeit der XPM-Störung von dem Kanalabstand und eine Abschätzung von XPM-Störung im System wird in den Veröffentlichungen [51] und [52] vorgenommen. Beide Arbeiten nutzen für die Untersuchung ähnliche Pump-Probe -Konfiguration wie bei dieser Arbeit im Kapitel 4.2. Ein weiteres Thema der Arbeiten in diesem Bereich war die Untersuchung von Nichtlinearitäten [53] und XPM-Störung [54] in Systemen mit NZ-DSF sowie gemischten Faserinfrastrukturen (SSMF und DSF). Die zweite Gruppe der hier dargestellten Forschungsarbeiten bilden die Veröffentlichungen über Dispersionskompensation. Die Notwendigkeit des Dispersionsmanagements in einem Übertragungssystem wurde schon Anfang der neunzigen Jahre [55] für Systeme mit Kanaldatenraten von 2,5 Gb/s gezeigt. Eine experimentelle Untersuchung der Dispersionskompensation in Systemen mit Kanaldatenraten von 2,5 Gb/s und 10 Gb/s ist in [56] beschrieben. Weitere Arbeiten beschäftigten sich vor allem mit der Optimierung der Dispersionskompensationsschemata. Somit wurde von vielen Forschungsgruppen der Dispersionsverlauf in Abhängigkeit von der Kanalleistung [57, 58], Faserart [59, 60] und Spanlänge [22, 23] untersucht. Die Arbeiten [22] und [23] haben auch die optimale Eingangsleistung in SSMF und DCF vorgeschlagen sowie den Begriff Normsektion bezüglich Spanlänge eingeführt. Eine weitere Verbesserung der Übertragungsqualität wurde in [61] durch die periodische Wiederholung (jede 5 Spans) der Dispersionskompensationsschemata erzielt. In den letzten Jahren wurde auch der Dispersionskompensationsgrad im System untersucht. Neben den Arbeiten mit zu 100% kompensierten Systemen [62] haben die Arbeiten [43, 44] und [75, 76] gezeigt, dass unkompensierte Dispersion am Empfänger die Übertragungsqualität des Systems verbessern kann. Eine Optimierung der unkompensierten Dispersion am Empfänger wurde in [63, 64] vorgenommen. Die dritte Gruppe der hier dargestellten Forschungsarbeiten beschäftigt sich mit unterschiedlichen Methoden zur Unterdrückung der nichtlinearen Störung im System. In den bisher aufgelisteten Arbeiten war die Unterdrückung der nichtlinearen Störung im System zwar eingeschlossen, aber nicht explizit betrachtet. Eine der Methoden zur Reduzierung der nichtlinearen Störung im System wurde in [65] und [66] dargestellt. In beiden Arbeiten wurde der SPM-Effekt in Verbindung mit positiv- bzw. negativgechirpten Signal am Sender zur Verbesserung der Übertragungsqualität genutzt. Ähnliches Prinzip (prechirp) 33

34 wurde in [67] zur Unterdrückung von XPM-Störung gezeigt. Die für diese Arbeit interessanten Methoden wurden in [68] und [69] behandelt. In [68] wurde gezeigt, dass unkompensierte Restdispersion pro Span eine destruktive Addition der nichtlinearen Beiträge im System verursacht und somit die Übertragungsqualität bezüglich XPM-Störung verbessert. Die Unterdrückung von XPM-Störung in [69] basiert auch auf dem Prinzip der destruktiven Addition, wurde jedoch durch die Einführung von definierter Signalverzögerung zwischen den Kanälen realisiert. Da die letzte Methode ( destruktive Addition der nichtlinearen Beiträge im System) die besten Ergebnisse erzielt und mit relativ kleinem Aufwand zu realisieren ist, wird sie in dieser Arbeit weiter genutzt, um mit Hilfe des optimierten Dispersionsmanagements die Übertragungsqualität zu verbessern. 4.2 Dispersionskompensationsschemata im System Im Kapitel 3.4 wurden mögliche Arten der Dispersionskompensation für einen Übertragungsspan dargestellt (Vor-, Nach- und Hybridkompensation). Hier werden das allgemeine Dispersionsmanagement sowie die im weiteren Verlauf der Untersuchung verwendeten Begriffe erklärt. Das nichtlineare Verhalten der Pulse in einem Übertragungskanal (engl. intrachannel effects) und die Wechselwirkung zwischen den Pulsen der Nachbarkanäle (engl. interchannel effects) verschlechtern die Übertragungsqualität des Signals. Bei langen Übertragungssystemen (bestehend aus mehreren Übertragungsspans) reicht es nicht aus, die Dispersion am Anfang und am Ende des Systems zu kompensieren. Eine Lösung bietet hier die verteilte periodische Dispersionskompensation, auch das Dispersionsmanagement genannt. Um das zu realisieren, werden in einem Übertragungssystem Glasfasern mit positiven und negativen Dispersionswerten entsprechend angeordnet [30, 31]. Die Abbildung 4.1 zeigt beispielhaft den Dispersionsverlauf in einem System. Abbildung 4.1: Dispersionsverlauf in einem Übertragungssystem. 34

35 Diese Art Dispersionskompensation wird im Allgemeinen als hybrid bezeichnet. Dabei wird das System (bzw. der erste Span) zuerst vorkompensiert (D pre ). Danach erfolgt die Nachkompensation für den ersten Span und gleichzeitig die Vorkompensation für den nächsten Span. Die Nach-/Vorkompensation kann unterschiedlichen Wert haben. Ein Span kann zu 100% kompensiert bzw vorkompensiert werden, öfter werden jedoch Werte 100% verwendet. Dies wird entsprechend als Über- oder Unterkompensation bezeichnet. Dem entsprechend erhält man am Anfang des zweiten Spans einen anderen Wert der akkumulierten Dispersion als am Anfang des ersten Spans. Die Differenz zwischen den Werten wird Restdispersion pro Span (D res ) genannt und kann über mehrere Spans wiederholt werden. Die D res -Werte akkumulieren sich (abhängig von dem Vorzeichen) entlang des Übertragungssystems und müssen am Ende des Systems entsprechend nachkompensiert werden. Die Nachkompensation kann genauso wie im Fall des ersten Spans zu 100%, aber auch als 100% realisiert werden. Die verbleibende nicht zu 100% kompensierte Dispersion am Ende des Systems wird im Weiteren als D nrd bezeichnet. 4.3 Akkumulation der SPM-Störung Einfluss der Länge des Streckensegments Im Kapitel 3.4 wurde die Normsektion der Deutschen Telekom [23] mit SSMF-Länge von 80 km beschrieben. Diese Streckenlänge bzw. Abstand zwischen den einzelnen EDFAs ist bei 10 Gb/s-Systemen optimal, jedoch in der Praxis nur teilweise realisierbar, weil sich die Entfernung zwischen zwei Netzknoten nicht immer in Abschnitte von 80 km aufteilen lässt. Somit besteht ein Kommunikationsnetz zum Teil aus Spans, die länger bzw. kürzer als 80 km sind. Aus diesem Grund wurde bei dieser Arbeit zuerst untersucht, welchen Einfluss die Länge des Streckensegments auf die Akkumulation der Degradationseffekte im System hat. Der Aufbau der untersuchten hybridkompensierten Übertragungssysteme ist in der Abbildung 4.2 dargestellt. Abbildung 4.2: Aufbau des hybridkompensierten Übertragungssystems für die Untersuchung der SPM-Störung. 35

36 Der Sender erzeugt ein 10 Gb/s Signal (1 Kanal) der Wellenlänge 1550,12 nm NRZ-ASK-moduliert. Die Übertragungsstrecke besteht aus N Segmenten (N=1...30) zu jeweils SSMF, dispersionskompensierenden Faser (DCF) und erbiumdotierten Faserverstärker (EDFAs). Das Rauschen der optischen Verstärker wird nicht berücksichtigt. Als optimaler Wert der Dispersionskompensation für hybridkompensierte Systeme wurde [nach 23] 99% mit symmetrischer Aufteilung auf Pre- und Postkompensation gewählt. Die kumulierte Restdispersion sowie Dispersionsslope wurden nicht kompensiert. Die verwendeten Faserdaten sind im Anhang (Tabelle 1) aufgelistet. Um den Einfluss der nichtlinearen Effekte in der DCF vernachlässigen zu können, wurde die Eingangsleistung P DCF auf -3 dbm festgelegt. Basierend auf Ergebnissen in [29] wurde für die Signaleingangsleistung in der SSMF der Wert von 10 dbm gewählt, weil oberhalb dieser Grenze bei hybridkompensierten Systemen die Übertragungsqualität stark reduziert wird. Im Empfänger (OSNR-Modul wurde im Institut von S. Randel entwickelt) wurde der mittlere Kanal mit einem Gaußfilter 1. Ordnung mit einer Bandbreite von 25 GHz gefiltert und mit einer idealen Photodiode detektiert. Danach erfolgte elektrische Filterung mit einem Bessel-Filter 5. Ordnung mit einer Filterbandbreite von 7 GHz. Das Rauschen entlang der Übertragungsstrecke wird analytisch mit Gauß-Näherung (nach Forestieri) berechnet und auf den Empfänger transformiert. Als Ergebnis wird der OSNR-Wert des gemessenen Signals ausgegeben. Für jede Untersuchung wurde jeweils der OSNR-Wert der Sender-Empfänger-Konfiguration (ohne Übertragungsstrecke) als Referenzwert ermittelt. Als Auswertekriterium wurde die optical signal-to-noise ratio (OSNR)-penalty (Differenz zwischen dem OSNR-Wert des Signals nach der Übertragungsstrecke und dem OSNR-Referenzwert) bei einer Bitfehlerrate von 10 9 ausgewählt und die 3-dB OSNR-penalty als Grenze der zulässigen Übertragungsqualität definiert. Es wurde zuerst der Einfluss der Länge des Streckensegments auf die Übertragungsqualität eines 1600 km langen Übertragungssystems untersucht. Die Länge des Streckensegments wurde variiert (60 km, 80 km, 100 km), wobei die entsprechende, symmetrische Dispersionskompensation von 99% in allen Fällen eingehalten wurde (Abb. 4.3 rechts). Das System bestand jeweils aus 16 Segmenten je 100 km bzw. 20 Segmenten je 80 km bzw. 27 Segmenten je 60 km. Wie man es der Abbildung 4.3 (links) entnehmen kann, zeigen die untersuchten Übertragungssysteme bis ca. 500 km keine signifikanten Differenzen der Übertragungsqualität. Der Beitrag der akkumulierten nichtlinearen Störung (hier bei 1-Kanal-Übertragung nur SPM) ist bei der Entfernung 36

37 noch nicht besonders hoch und die Übertragungsqualität der Systeme wird dadurch nicht stark beeinflusst. Abbildung 4.3: Einfluss der Streckensegmentslänge auf die Übertragungsqualität eines 10 Gb/s Übertragungskanals ohne ASE Rauschen (links); Dispersionsverläufe der untersuchten Übertragungssysteme (rechts). Ab ca. 500 km zeigt sich eine deutliche Verschlechterung bei dem System mit 60 km Spans. Da die hier betrachteten Degradationseffekte innerhalb der effektiven Faserlänge L eff entstehen, ist die Verschlechterung der Übertragungsqualität auf die höhere Anzahl der Übertragungsspans (N) und somit auf einen höheren Beitrag der akkumulierten nichtlinearen Störung ( N L eff ) als bei den anderen Systemen zurück zu führen. Das kontinuierlich günstigste Verhalten weist das System mit 80 km langen Spans auf, weil für diese Segmentlänge die Dispersionskompensation optimiert wurde [23]. Die deutlich schlechtere Übertragungsqualität des Systems mit 100 km langen Spans konnte zum Zeitpunkt der Simulation nicht eindeutig erklärt werden, wurde jedoch laut späterer Untersuchungen (siehe Kap. 5.1) durch den zu hohen Wert (-817 ps/nm) der Vorkompensation bei der hohen Kanalleistung (10 mw) verursacht Einfluss der Streckeninfrastruktur Für die Untersuchung der Akkumulation der nichtlinearen Effekte in einem System mit gemischter Streckeninfrastruktur wurde das Verhalten eines Übertragungssystems, das aus hintereinander geschalteten Segmenten unterschiedlicher Länge bestand, simuliert. Zu diesem Zweck wurden 60 km, 80 km und 100 km lange Übertragungsspans abwechselnd zu einer Gesamtlänge von ca km zusammengeschaltet und alle anderen Systemparameter 37

38 gleich wie bei dem System im Kapitel eingestellt. Die Werte der akkumulierten Dispersion entlang der Übertragungsstrecke sind in Abbildung 4.4 (rechts) dargestellt. Abbildung 4.4: Vergleich der Übertragungssysteme mit verschiedenen Strecken- Infrastrukturen (links), Dispersionsverläufe der untersuchten Übertragungssysteme (rechts). Die Simulationsergebnisse sowie einen Vergleich des untersuchten Systems mit einem aus gleichlangen Segmenten bestehenden System zeigt die Abbildung 4.4 (links). Bis zu ca km weisen die untersuchten Systeme keine Unterschiede der Übertragungsqualität auf. Ab ca km ist es deutlich zu sehen, dass das aus unterschiedlicher Spanlänge bestehende System über eine bessere Übertragungsqualität verfügt. Dies ist entweder auf den unterschiedlichen Wert der Vorkompensation am Anfang der beiden Übertragungssysteme oder das Dispersionsmanagement in den Systemen oder auf die unterschiedliche Spanlänge zurück zu führen. Um eine eindeutige Aussage machen zu können, wurde als nächstes der Einfluss der Dispersionskompensationschemata auf die Übertragungsqualität (Kap ) untersucht Einfluss des Dispersionskompensationsschemata Es wurde zuerst das Übertragungsverhalten von drei Systemen mit unterschiedlicher Streckeninfrastruktur verglichen. Alle Systeme wurden zu 99% kompensiert, die Dispersionskompensation war jedoch unterschiedlich verteilt. Bei der Auswertung der Ergebnisse stand im Vordergrund vor allem der Einfluss des Dispersionsmanagements der Systeme auf die Übertragungsqualität. Das erste System (a) bestand (wie im Kap ) aus 60 km, 80 km und 100 km langen, abwechselnd hintereinandergeschalteten Übertragungsspans. Der Dispersionsverlauf im System ist in Abbildung 4.5a (rechts) dargestellt. Die Werte der akkumulierten Dispersion am Anfang der ersten drei Übertra- 38

39 gungsspans betrugen jeweils ca ps/nm, -660 ps/nm und -820 ps/nm. Diese Werte haben sich dann im System periodisch wiederholt. Das zweite System (b) beinhaltete Spans gleicher Länge (80 km). Dabei wurden die Werte der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans wie bei System a) festgesetzt (Dispersionsverlauf in Abb. 4.5 b). Das dritte System c) bestand auch aus 80 km langen Spans, die akkumulierte Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans betrug jedoch jeweils -490 ps/nm (Dispersionsverlauf in Abb. 4.5 c) um den gleichen Vorkompensationswert wie bei Systemen a) und b) zu gewährleisten. Die Simulationsergebnisse der Systeme sind in Abbildung 4.5 (links) dargestellt. Abbildung 4.5: Vergleich der Übertragungssysteme mit verschiedenen Dispersionskompensationschemata (links); Dispersionsverläufe der untersuchten Übertragungssysteme (rechts). Die Ergebnisse zeigen deutlich gleiches Übertragungsverhalten der Systeme a) und b) und liefern gleichzeitig einen Teil der Antwort auf die ungeklärte Frage im Kap Es ist in Abb. 4.5 deutlich zu sehen, dass der Wert der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans und nicht die Spanlänge den größeren Einfluss auf die Übertragungsqualität im System hat. Die Erklärung für den kleinen Einfluss der Spanlänge liefert die Betrachtung der effektiven Längen der Übertragungsspans. Wie es schon in diesem Kapitel (bzw. im Kapitel ) erwähnt wurde, ist nur die effektive Länge L eff (Gl. 2.17) der Übertragungsfaser bei der Betrachtung der Nichtlinearitäten von Bedeutung. Da die effektive Länge der verwendeten Spans (60 km, 80 km und 100 km) vergleichbar war (sie betrug bei System (a) zwischen 18,1-18,8 km und bei System (b) ca. 18,6 km), lieferten die untersuchten Spans beinahe gleiche nichtlineare Beiträge für das Übertragungsverhalten der beiden Systeme. 39

40 Der Vergleich der drei Systeme weist bis ca km ähnliches Verhalten auf. Ab ca km ist System c) deutlich besser und ermöglicht somit eine höhere Übertragungsreichweite. Zwei Gründe erklären dieses unterschiedliche Verhalten (offene Frage im Kap ): Einfluss der Vorkompensation oder allgemeines Dispersionsmanagement im System (was auch mit der Vorkompensation verbunden ist). Da die Vorkompensation bei allen drei Systemen identisch war, hatte sie allein keinen großen Einfluss auf die Übertragungsqualität. Somit ist das allgemeine Dispersionsmanagement genauer zu betrachten. Zu diesem Zweck wurden symmetrisch hybridkompensierte 60 km, 80 km und 100 km Spans in verschiedenen Konfigurationen hintereinander geschaltet und simuliert. Dabei ist zu beachten, dass der Wert der Vorkompensation jeweils von der Länge des ersten Spans abhängig und somit unterschiedlich war. Abbildung 4.6: Einfluss der Spanreihenfolge und der unterschiedlichen Vorkompensation auf die Übertragungsqualität. Wie man es im Bild 4.6 erkennen kann, ist die Übertragungsqualität der Systeme bis zu der 3 db OSNR penalty Grenze beinahe identisch, obwohl die Vorkompensation unterschiedlich war. Es wurden daher die Unterschiede und Gemeinsamkeiten aller in diesem Unterkapitel simulierten Systeme betrachtet. Wie in diesem Kapitel schon erwähnt wurde, ist die akkumulierte Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans von Bedeutung. Diese wird im Weiteren als D ACC(n) bezeichnet, wobei n = 1, 2,...N die Nummer des jeweiligen Spans im Übertragungssystem ist. 40

41 Abbildung 4.7: Akkumulierte Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans D ACC(n). Weiter wurde ein neuer Parameter definiert: die durchschnittliche akkumulierte Dispersion (D aver ) im System, die aus den Werten der akkumulierten Dispersion am Anfang des jeweiligen Spans berechnet wird. D aver = N D ACC(n) n=1 N (4.1) Berechnet man für die Systeme in Abb. 4.6 die durchschnittliche Dispersion, so stellt man fest, dass unabhängig von der jeweiligen Konfiguration alle Systeme gleiche D aver besitzen. Das erklärt die gleiche Übertragungsqualität der Systeme. Die Betrachtung der Ergebnisse in Abb. 4.5 liefert ähnliche Aussage: Systeme a) und b) haben gleiche D aver = -610 ps/nm und damit auch gleiches Übertragungsverhalten. Die bessere Übertragungsqualität im System c) ist durch den kleineren Wert von D aver (ca ps/nm) zu erklären. Schlussfolgerung: Die Akkumulation der nichtlinearen SPM-Störung hängt von dem durchschnittlichen Wert der Dispersion im System (D aver ) ab. Um eine gute Übertragungsqualität (bezüglich der SPM-Störung) zu gewährleisten, muss D aver optimiert werden. 4.4 Akkumulation der XPM Störung XPM-Störung in einem Streckensegment Die Untersuchungen im Kapitel 4.3 haben sich auf 1-Kanal-Systeme und somit auf die Akkumulation der SPM-Störung im System konzentriert. In einem Kommunikationsnetz mit WDM-Multiplex werden jedoch mehrere optische Kanäle gleichzeitig übertragen. Abhängig von dem Kanalabstand beeinflussen sich diese gegenseitig. Die dabei enstehende XPM-Störung (Kap ) 41

42 überlagert sich, ähnlich wie SPM, über mehrere Übertragungsspans. Für die Untersuchung der Akkumulation von einer XPM-Störung wurde bei sowohl bei der Simulation als auch bei der Messung zuerst ein zwei-kanal System, bestehend aus einem 80 km langen, 99% hybridkompensierten SSMF Span, verwendet (Abb. 4.8). Die Sendekanäle wurden dabei als Pump- und Probekanal konfiguriert ( Kanalabstand 100 GHz) mit der Anordnung: Pumpkanal: 10 Gb/s Signal der Wellenlänge 1549,32 nm, NRZ-ASKmoduliert, P IN SSMF = 7 dbm Probekanal: CW (engl. Continuous Wave) Signal der Wellenlänge 1550,12 nm, P IN SSMF = 0 dbm. Abbildung 4.8: Messaufbau des hybridkompensierten Übertragungssystems für die Untersuchung der XPM-Störung. Um den Einfluss der nichtlinearen Effekte in der DCF vernachlässigen zu können, wurde die Eingangsleistung P DCF auf -3 dbm festgelegt. Am Empfänger wurde der jeweils untersuchte Kanal mit einem optischen Bandpassfilter (Bandbreite von 40 GHz) ausgefiltert und mit einem digitalen Oszilloskop analysiert. Da der Schwerpunkt der Untersuchung auf der XPM-Störung lag, wurde das Rauschen der optischen Verstärker (EDFAs) bei der Simulation nicht betrachtet und bei dem experimentellen Aufbau zeitlich gemittelt. Die Abbildung 4.9 (links) zeigt den gemessenen Signalverlauf im modulierten Pumpkanal nach 80 km SSMF. Die Störung der Pulsform wurde in diesem Fall sowohl durch SPM als auch durch die zum Probekanal abgegebene Leistung (XPM) verursacht. Die im Probekanal aufgenommene XPM-Störung zeigt die Abb. 4.9 (Mitte). Die Häufigkeitsverteilung der Messwerte im Probekanal als Histogramm befindet sich in Abbildung 4.9 (rechts). 42

43 Abbildung 4.9: Messergebnisse: (links) Signalverlauf im modulierten Kanal nach 80 km SSMF, (Mitte) XPM-Störung im CW-Kanal, (rechts) Histogramm der XPM-Störung im CW-Kanal. Weiterhin wurden die Länge der Übertragungsspans (zwischen 60 und 120 km) und das Dispersionskompensations-Schemata (symmetrisch, unsymmetrisch) variiert. Die Auswertung der Störung im Probekanal ergab jedoch in allen untersuchten Fällen keine signifikanten Unterschiede. Daraus lässt sich schließen, dass die in einem begrenzten Bereich (hier zwischen -400 und -900 ps/nm) variierende Vorkompensation zuerst keinen großen Einfluss auf die XPM-Störung hat. Der noch kleinere Einfluss der Spanlänge entsteht (ähnlich wie bei SPM) durch den kleinen Unterschied der effektiven Längen L eff der SSMF Spans. Wie erwartet, hatte die Pumpkanalleistung und/oder Kanalabstand den größten Einfluss auf die vom Probekanal aufgenommene XPM-Störung. Aufgrund den vorhandenen Filterbandbreiten bei dem Messaufbau konnten die Kanalabstände, die kleiner als 100 GHz waren, nicht untersucht werden Überlagerung der XPM-Störung in drei Streckensegmenten Des Weiteren wurde die Überlagerung der XPM-Störung in hintereinander geschalteten Streckensegmenten untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Übertragungsverhalten von drei unterschiedlichen Systemen, bestehend jeweils aus drei Übertragungssegmenten mit der Gesamtlänge 240 km, verglichen. Der Simulations- und Messaufbau der Systeme ist in Abbildung 4.10 A), B) und C) dargestellt. Den jeweiligen Verlauf der Dispersionswerte entlang der Übertragungsstrecken zeigt Abbildung

44 Abbildung 4.10: Simulations- und Messaufbau mit: A) symmetrisch kompensierten Spans gleicher Länge, B) symmetrisch kompensierten Spans unterschiedlicher Länge, C) unsymmetrisch kompensierten Spans gleicher Länge. Abbildung 4.11: Verlauf der akkumulierten Dispersion der in Abb dargestellten Systeme. Die Sender und Empfänger der Übertragungssysteme wurden identisch wie im Kap , Abb. 4.8 konfiguriert (Pump- und Probekanal mit dem Kanalabstand 100 GHz). Die Übertragungsstrecken aller Systeme wurden zu 99% mit unterschiedlicher Verteilung der Dispersionswerte kompensiert. Bei der Auswertung der Ergebnisse stand vor allem der Einfluss des Dispersionsmanagements der Systeme auf die Übertragungsqualität im Vordergrund. Das erste System (A) bestand aus 80 km langen, hintereinander geschalteten und symmetrisch kompensierten Übertragungsspans. Das zweite System (B) bestand aus 60 km, 80 km und 100 km langen, hintereinandergeschalteten und symmetrisch kompensierten Übertragungsspans. Die Werte der akkumulierten Dispersion am Anfang der Übertragungsspans betrugen jeweils ca ps/nm, -660 ps/nm und -820 ps/nm. Das dritte System (C) beinhaltete Spans gleicher Länge (80 km), jedoch unsymmetrisch kompensiert. Dabei 44

45 wurden die Werte der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans wie bei System B) festgesetzt. Die ersten Simulations- und Messergebnisse (Abb und 4.13) liefern bereits Informationen über die Akkumulation der XPM-Störung in einem System. Abbildung 4.12 zeigt die Akkumulation der XPM-Störung im CW Kanal des Systems A). Wie man hier erkennen kann: mit jedem weiteren Übertragungsspan erhöht sich die Amplitude des Störsignals sehr stark jeweils um den gleichen Beitrag und die Form des Störsignals bleibt erhalten. Abbildung 4.12: Akkumulation der XPM-Störung im CW Kanal des Systems A), (Simulationsergebnis). Abbildung 4.13: Akkumulation der XPM-Störung im CW Kanal der Systeme B) und C), (Simulationsergebnis). In den Systemen B) und C) akkumuliert sich die XPM-Störung im CW Kanal (Abb. 4.13) deutlich anders als im System A). Hier ändert sich jedes mal die Form des Störsignals und die Amplitude erhöht sich sehr gering. Noch deutlicher zeigen die Unterschiede bzw. Gemeinsamkeiten im Übertragungsverhalten der Systeme A), B) und C) die Histogramme in Abbildung Die Bilder links zeigen jeweils die simulierte Häufigkeitsverteilung der Messwerte im Probekanal nach dem dritten Übertragungsspan, die Bilder rechts die gemessenen Werte. Vergleicht man das Übertragungsverhalten der drei untersuchten Systeme und deren Dispersionskompensation-Schemata, so stellt man fest, dass Systeme B) und C) mit den gleichen Werten der akkumulierten Dispersion am Anfang der Übertragungsspans (jeweils ca

46 ps/nm, -660 ps/nm und -820 ps/nm) gleiche Mess-/Simulationsergebnisse liefern. Das Übertragungsverhalten des Systems A), mit jeweils konstantem Wert der akkumulierten Dispersion am Anfang der Übertragungsspans (ca ps/nm), ist dagegen anders als das der Systeme B) und C) und deutlich schlechter. Schlussfolgerung: Die Akkumulation der nichtlinearen XPM-Störung hängt von der Differenz der Werte der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans ab. Um eine gute Übertragungsqualität (bezüglich der XPM-Störung) zu gewährleisten, sollen diese Werte Unterschiede aufweisen (im untersuchten Fall lag der Unterschied um ps/nm). A) B) C) Abbildung 4.14: Histogramme der XPM-Störung im CW-Kanal, links: Simulationsergebnisse, rechts: Messergebnisse. A) für symmetrisch kompensierte Spans gleicher Länge, B) für symmetrisch kompensierte Spans unterschiedlicher Länge, C) für unsymmetrisch kompensierte Spans gleicher Länge. 46

47 Die Betrachtung der walk-off Werte im System lieferte eine weitere Erklärung für Übertragungsverhalten der untersuchten Systeme (vgl. Abb. 4.10: A, B, C und Abb. 4.14: A, B, C). Die Abbildung 4.15 zeigt noch einmal die Dispersionsverläufe der untersuchten Systeme B) und C), jedoch mit berechneten walk-off Werten (Formel 2.21) am Anfang jedes Übertragungsspans. Abbildung 4.15: Dispersionsverläufe der untersuchten Systeme (Abb. 4.10) mit walk-off Werten an Anfang jedes Übertragungsspans. Vergleicht man die Systeme in Abb. 4.15, so stellt man fest, dass sie trotz teilweise unterschiedlichen Dispersionsverläufen den gleichen walk-off Wert am Anfang jedes Übertragungsspans besitzen. Das erklärt beinahe identisches Übertragungsverhalten der beiden Systeme. Im untersuchten System A) war der walk-off Wert am Anfang jedes Übertragungsspans jeweils gleich (5,4) und das Übertragungsverhalten deutlich schlechter als der Systeme B) und C). Schlussfolgerung: Unterschiedliche walk-off Werte am Anfang jedes Übertragungsspans im System (und somit die Restdispersion pro Span (D res ) ) verringern den gesamten Wert der im System akkumulierten Störung und verbessern die Übertragungsqualität des Signals. 4.5 Überlagerung der nichtlinearen Störung im Übertragungssystem Einer der Beiträge zu Akkumulation von XPM bzw. nichtlinearen Störung in einem System ohne Regeneration des Signals erschien im Jahr 1999 [32]. In der Veröffentlichung wurde gezeigt, dass sich die akkumulierte Störung über mehrere Übertragungsspans entsprechend dem Betrag und der Phase des einzelnen Beitrags (Störung im einzelnen Übertragungsspan) addiert. Abhängig von dem Dispersionsverlauf im einzelnen Span kann die gesamte Störung im 47

48 System unterschiedlich sein. Es wurden zwei Systeme mit N Übertragungsspans untersucht: 1. mit Dispersionskompensation am Anfang und am Ende des Systems 2. mit gleichmäßig und periodisch verteilter Dispersionskompensation. Es wurde gezeigt, dass sich im ersten System die XPM-induzierte Intensitätsmodulation mit N 2 erhöht. Im zweiten System dagegen bewirkt die verteilte Dispersionskompensation die Akkumulation der Störung beinahe proportional N. Wie die Untersuchungen im Kap. 4.3 und 4.4 gezeigt haben, kann das Übertragungsverhalten vom zweiten System in [32] noch durch die Restdispersion pro Span (D res ) verbessert werden. Die Abbildung 4.16 zeigt beispielhaft die unterschiedliche Überlagerung der nichtlinearen Störung in Abhängigkeit von der lokalen Dispersion am Anfang des Übertragungsspans. Die Pfeile am Anfang jedes Spans bezeichnen die einzelnen Beiträge der nichtlinearen Störung. Abbildung 4.16: Überlagerung der nichtlinearen Störung abhängig von der lokalen Dispersion am Anfang des Übertragungsspans. Es wird vorausgesetzt, dass die Störung innerhalb der effektiven Länge (L eff ) der Übertragungsfaser entsteht. Im oberen Teil der Abbildung 4.16 ist ein System mit gleichmäßig und periodisch verteilter Dispersionskompensation (entspricht System A in Abb. 4.10) dargestellt. Da die lokale Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans gleich ist, wird pro Span eine nahe zu identische (Betrag und Phase) Störung generiert. Diese überlagert sich im System 48

49 proportional der Anzahl der Spans. Das Bild unten entspricht dem Systemaufbau C bzw. B in Abb Durch die unterschiedlichen Dispersionswerte am Anfang jedes Übertragungsspans (die Restdispersion pro Span (D res ) ) ändert sich vor allem die Phase der einzelnen Beiträge. Dadurch wird die gesamte akkumulierte Störung im System kleiner (siehe auch die Simulationsund Messergebnisse in Abb und 4.14). Diese Eigenschaft, in [68] und [69] auch destruktive Addition der nichtlinearen Beiträge im System genannt, wird im weiteren Verlauf der Arbeit untersucht und für die Optimierung der Dispersionswerte im System genutzt. 49

50 Kapitel 5 Unterdrückung der nichtlinearen Effekte in einem Übertragungssystem Im Kapitel 4 wurde gezeigt, dass die Werte der akkumulierten Dispersion am Anfang (bzw. innerhalb der effektiven Länge) jedes SSMF Spans den größten Einfluss auf die Überlagerung der nichtlinearen Störung im System haben. Um diese Störung zu minimieren (bzw. zu unterdrücken), müssen diese Werte optimiert werden. Es ist auch bekannt, dass der Optimierungsvorgang mit großem Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden ist, weil die Anzahl der voneinander abhängigen Parameter hoch ist. Viele Arbeitsgruppen haben die Dispersionswerte im System in Abhängigkeit von einigen Parametern untersucht. Die Veröffentlichung [44] zeigt z.b. die D pre - und D nrd -Abhängigkeit von der Signalleistung, die Arbeiten [45-52] berichten über die Abhängigkeit der XPM-Störung von dem Kanalabstand und D res, in [42] wurde die Abhängigkeit zwischen optimaler D res und Anzahl der Spans beobachtet. Eine allgemeine Optimierungsregel, die möglichst alle Parameter berücksichtigt, fehlt jedoch. Es ist das Ziel dieser Arbeit, diese Regel zu entwerfen. Um den Arbeitsvorgang zu strukturieren und die Anzahl der Parameter im untersuchten System fest zu legen, wurden zuerst mit dem Simulationsaufbau in Abb. 5.2 zwei Systeme untersucht. Die verwendeten Systemparameter wurden für diese Untersuchung wie folgt gewählt: Anzahl der Übertragungsspans: N = 5 und 15 = const Eingangsleistung pro Kanal: P IN SSMF = 3 mw = const Kanalabstand: λ= 50 GHz = const 50

51 Faserart: SSMF Anzahl der Übertragungskanäle: j = 1 und 5 Vorkompensation: D pre = bis 0 [ps/nm] = var Restdispersion pro Span: D res = 30 bis 200 [ps/nm] = var Dispersion am Ende des Systems: D nrd = 0 [ps/nm] 100 % Kompensation Wie die Simulationsparameter zeigen, wurden zwei Systeme bestehend aus 5 und 15 Übertragungsspans mit jeweils einem und fünf Übertragungskanälen untersucht. Während der Simulation wurden in beiden Fällen die Werte der Vorkompensation und der Restdispersion pro Span variiert, um den optimalen Wertebereich zu ermitteln. Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 5.1 dargestellt. Abbildung 5.1: OSNR-Penalty von: oben 400 km (5 Spans), unten 1200 km (15 Spans) Übertragungsstrecken, P IN SSMF = 3 mw pro Kanal; jeweils: links 1 Kanal, rechts 5 WDM Kanäle mit 50 GHz Kanalabstand optimaler Wertebereich für SPM Unterdrückung, X optimaler Wertebereich für XPM und SPM Unterdrückung. 51

52 Für jedes System wurde aus dem Bereich der niedrigsten OSNR-penalty ein optimaler Wert für D pre und D res gewählt. Für 1-Kanal Systeme, die durch Selbstphasenmodulation (SPM) begrenzt sind, liegen die niedrigsten OSNR-penalty Werte auf einer Gerade, die durch die Mitte der streifenförmigen 1-dB OSNR-penalty Toleranz-Bereiches verläuft (Abb. 5.1 jeweils links). Entlang dieser Linie hat die durchschnittlichie akkumulierte Dispersion im System D aver (berechnet nach Formel 4.1) jeweils den gleichen Wert. In diesem Fall besteht ein optimales Übertragungsverhalten bei mehreren verschiedenen D pre - und D res -Wertepaaren, die entlang der Gerade liegen, wobei sich der Wert der Vorkompensation durch die Wahl der Restdispersion pro Span ergibt. Bei Mehrkanalsystemen (Abb. 5.1 jeweils rechts) ist es deutlich zu erkennen, dass das optimale Übertragungsverhalten nur für ein D pre - und D res -Wert vorliegt, der eine leicht geringere Vorkompensation als für das 1-Kanalsysteme-Optimum benötigt. Weiterhin, wenn man den 1-dB OSNR-penalty Toleranz-Bereich betrachtet, stellt man fest, dass dieser für kurze Systeme (hier 5 Spans) sehr groß ist. Mit steigender Anzahl der Spans wird dieser Bereich kleiner, da sich im System mehr Nichtlinearitäten akkumulieren. Zu beachten ist noch, dass die 1-dB OSNR-penalty Grenzen (vor allem die obere) sowie die Gerade, die den Bereich der niedrigsten OSNRpenalty für 1-Kanalsysteme beschreibt, jeweils die gleiche Steigung besitzen. Diese ist nur durch die Anzahl der Spans im System bestimmt und wird mit steigender Anzahl der Spans steiler. Sie ist in beiden Fällen von der Anzahl der Kanäle und der Leistung im System unabhängig. Im weiteren Verlauf der Untersuchung liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung der D pre, D res und D nrd Werte für Mehrkanalsysteme sowie der Bestimmung deren Abhängigkeit von den vorher aufgelisteten Parametern. 5.1 Simulationsaufbau Um die Unterdrückung der nichtlinearen Effekte in einem Übertragungssystem zu optimieren, wurde ein 10 Gb/s NRZ-ASK-System mit fünf Wellenlängenkanälen bei verschiedenen Kanalabständen und Kanalleistungen, verschiedener Anzahl der Spans und unterschiedlichen Kombinationen von Vorkompensation (D pre ), Restdispersion pro Span (D res ) und Restdispersion am Empfänger (D nrd ) untersucht. Um die Simulationszeit zu reduzieren, wurde die Anzahl der Wellenlängenkanäle auf fünf beschränkt. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass eine höhere Anzahl der Übertragungskanäle keinen signifikanten Einfluss auf Übertragungsverhalten des untersuchten mittleren Kanals hat. Der Simulationsaufbau ist in Abbildung 5.2 dargestellt. 52

53 Abbildung 5.2: Simulationsaufbau. Der Sender erzeugt fünf 10 Gb/s NRZ-ASK-modulierte WDM Kanäle, die symmetrisch um den mittleren Kanal (1550,12 nm) mit dem Kanalabstand 200, 100 bzw. 50 GHz verteilt sind. Die Übertragungsstrecke besteht aus 3 bis 30 SSMF Segmenten, dispersionskompensierenden Fasern (DCF) (die verwendeten Faserdaten sind im Anhang A aufgelistet) und erbiumdotierten Faserverstärkern (EDFAs). Das Rauschen der optischen Verstärker wird nicht berücksichtigt. Um den Einfluss der nichtlinearen Effekte in der DCF vernachlässigen zu können, wurde die Eingangsleistung P DCF auf -3 dbm pro Kanal festgelegt. Die Eingangsleistung in die SSMF wurde zwischen 0 und 10 dbm pro Kanal variiert. Im Empfänger (OSNR-Modul) wurde der mittlere Kanal mit einem Gaußfilter 1. Ordnung mit einer Bandbreite von 25 GHz gefiltert und mit einer idealen Photodiode detektiert. Danach erfolgte elektrische Filterung mit einem Bessel-Filter 5. Ordnung mit einer Filterbandbreite von 7 GHz. Das Rauschen entlang der Übertragungsstrecke wird analytisch mit Gauß-Näherung (nach Forestieri) berechnet und auf den Empfänger transformiert. Als Ergebnis wird der OSNR-Wert des gemessenen Signals ausgegeben. Um den optimalen Übertragungsparameterbereich zu finden, wurden die Werte der Vorkompensation (D pre ) am Sender zwischen 0 und ps/nm und der Restdispersion pro Span (D res ) zwischen 0 und 200 ps/nm bzw und 0 ps/nm variiert. Vor dem Empfänger wurde die kumulierte Restdispersion mit einer zusätzlichen DCF kompensiert, wobei der Wert (D nrd ) zwischen 900 ps/nm Unterkompensation und 300 ps/nm Überkompensation variiert wurde. Als Auswertekriterium wurde die optical signal-to-noise ratio (OSNR) penalty bei einer Bitfehlerrate von 10 9 ausgewählt. 1-dB OSNRpenalty wurde als Grenze für den mittleren Kanal definiert, um die optimalen D pre, D res und D nrd Werte für jede Kanalleistung, Kanalabstand und Anzahl der Spans zu ermitteln. 53

54 5.2 Einfluss der Restdispersion pro Übertragungsstrecke (D res ) Abhängigkeit der optimalen Restdispersion pro Span von verschiedenen Systemparametern Die bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass der Wert der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans und somit die Restdispersion pro Span einen großen Einfluss auf die Überlagerung der nichtlinearen Beiträge in einem Übertragungssystem haben. Da der optimale Wert der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans nicht nur von D res, sondern auch von D pre abhängig ist, müssen bei der Simulation beide Parameter optimiert werden. In diesem Teil der Untersuchungen wurde D nrd = 0 ps/nm festgelegt, d.h. die Dispersion wurde vor dem Empfänger zu 100% kompensiert. In diesem Abschnitt wird ausschließlich D res und deren Abhängigkeit von verschiedenen Parametern in Mehrkanalsystemen betrachtet. Zuerst wurde die Abhängigkeit der optimalen D res von der Kanalleistung (P in SSMF ) untersucht. Es wurden drei Systeme mit jeweils 5 Spans, 5 WDM Kanälen mit 50 GHz Kanalabstand simuliert. Bei jedem der Systeme wurde eine andere Leistung pro Kanal eingestellt und zwar: 1, 3 und 5 mw (die Gesamtleistung in der Übertragungsfaser betrug dem entsprechend 5, 15 und 25 mw). Die Abbildung 5.3 zeigt die OSNR-penalty (mit 1-dB OSNR-penalty Grenze) der untersuchten Systeme. Der dunkle Kreis in jedem Bild markiert jeweils den Bereich der niedrigsten OSNR-penalty, also den optimalen D res - Wert. Abbildung 5.3: OSNR-penalty nach 400 km Übertragungsstrecke (5 Spans) mit 5 WDM Kanälen und 50 GHz Kanalabstand für unterschiedliche Kanalleistungen; der dunkle Kreis in jedem Bild markiert jeweils den Bereich der niedrigsten OSNR-penalty. Wie man den Ergebnissen entnehmen kann, verringert sich mit steigender Leistung im System der 1-dB OSNR-penalty Grenzbereich. Dieses Verhalten war auch zu erwarten, da mit steigender Leistung im System sich auch 54

55 der Wert der nichtlinearen Störung pro Span erhöht und dadurch der OSNRpenalty-Wert sinkt. Betrachtet man den Bereich der niedrigsten OSNR-penalty- Werte (dunkler Kreis), so stellt man fest, dass diese für alle drei Systeme im gleichen Bereich der D res -Werte liegen (ca. 180 ps/nm). Schlussfolgerung: Der optimale Wert der Restdispersion pro Span (D res ) ist unabhängig von der Kanalleistung. Als nächstes wurde die Abhängigkeit der optimalen Restdispersion pro Span von dem Kanalabstand untersucht. Zu diesem Zweck wurden drei Systeme von gleicher Systemlänge (400 km, 5 Spans) simuliert. Die 5 WDM Übertragungskanäle wurden jeweils mit dem Kanalabstand 50, 100 und 200 GHz zueinander eingeordnet. Abbildung 5.4: OSNR-Penalty nach 400 km Übertragungsstrecke (5 Spans) mit 5 WDM Kanälen für unterschiedliche Kanalabstände; der dunkle Kreis in jedem Bild markiert jeweils den Bereich der niedrigsten OSNR-penalty. Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 5.4 dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass in diesem Fall die Bereiche der niedrigsten OSNR-penalty-Werte (dunkler Kreis) jeweils in einem anderen Bereich der optimalen D res -Werte liegen. Betrachtet man die optimalen D res -Werte genauer, kommt man zum Ergebnis, dass diese sich umgekehrt proportional dem Kanalabstand ändern (z.b. bei 50 GHz Kanalabstand, D res = 180 ps/nm; bei 100 GHz Kanalabstand, D res = 90 ps/nm; bei 200 GHz Kanalabstand, D res = 45 ps/nm). Schlussfolgerung: Der optimale Wert der Restdispersion pro Span (D res ) ändert sich umgekehrt proportional zum Kanalabstand. Eine weitere Untersuchung sollte Informationen über die Abhängigkeit der optimalen Restdispersion pro Span (D res ) von der Faserart liefern. Bei dem Aufbau der untersuchten Systeme von 960 km Länge (12 Spans) wurden drei verschiedene Faserarten verwendet: NZ-DSF mit dem Dispersionskoeffizienten D = 4 ps/km/nm und der effektiven Faserfläche A eff = 72 µm 2, NZ-DSF mit D = 8 ps/km/nm und A eff = 76 µm 2, SSMF mit D = 16,5 ps/km/nm und A eff = 80 µm 2. Alle anderen Systemparameter wie Anzahl 55

56 der Kanäle, Kanalleistung und Kanalabstand waren für die untersuchten Systeme identisch (5 WDM Kanäle, 50 GHz Kanalabstand, 3 mw pro Kanal). Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 5.5 dargestellt. Abbildung 5.5: OSNR-Penalty nach 960 km Übertragungsstrecke (12 Spans) mit 5 WDM Kanälen, 50 GHz Kanalabstand und 3 mw Leistung pro Kanal für unterschiedliche Faserarten (NZ-DSF und SSMF); der dunkle Kreis in jedem Bild markiert jeweils den Bereich der niedrigsten OSNR-penalty. Als Erstes fällt bei der Betrachtung der Bilder der sehr kleine 1-dB OSNRpenalty Grenzbereich im Bild links (NZ-DSF mit D = 4 ps/km/nm und A eff = 72 µm 2 ) auf. Die Übertragungsqualität in diesem System ist durch hohen nichtlinearen Beitrag der einzelnen NZ-DSF-Spans stark beeinträchtigt. Dieses Verhalten kommt einerseits durch die relativ kleine effektive Fläche der Faser zustande, andererseits wird bei Einmodefasern mit kleinem Dispersionskoeffizienten die Signalübertragung stärker durch FWM gestört [40, 71]. Bei NZ-DSF System mit D = 8 ps/km/nm ist die Übertragungsqualität deutlich besser und beinahe mit dem SSMF System vergleichbar. Ein weiteres neues Ergebnis liefert die Betrachtung der optimalen D res -Werte. Für alle Faserarten ist der Wert identisch und beträgt ca. 80 ps/nm. Schlussfolgerung: Der optimale Wert der Restdispersion pro Span (D res ) ist unabhängig von der Faserart (für Faser mit D>0). Bis jetzt wurden in diesem Abschnitt nur Übertragungssysteme mit gleicher Spanlänge (80 km Spans) untersucht. Es ist jedoch bekannt, dass bei bereits bestehenden realen Netzen die Spanlängen im relativ großen Bereich (abhängig von der Netzknotenentfernung) variieren können. Die folgende Untersuchung liefert einen Vergleich von zwei Systemen, deren Gesamtlängen identisch sind (1200 km, 15 Spans), die Infrastruktur jedoch unterschiedlich. Das erste System ist mit Spans gleicher Länge (80 km) gebaut, das zweite mit Spans, deren Längen zwischen km variieren. Unabhängig von der Spanlänge wurden während der Simulation in beiden Systemen jeweils vergleichbare Werte der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans eingestellt. Die Simulationsergebnisse sowie den jeweils zugehörigen Dispersionsverlauf im System zeigt die Abbildung

57 Abbildung 5.6: Dispersionskompensation-Schemata und OSNR-Penalty nach 1200 km Übertragungsstrecke (15 Spans) mit 5 WDM Kanälen, 50 GHz Kanalabstand und 3 mw Leistung pro Kanal. Links: System mit gleichen Übertragungsspans (80 km), rechts: System mit unterschiedlichen Übertragungsspans ( km); X - in jedem Bild markiert jeweils den Bereich der niedrigsten OSNR-penalty. Wie es zu erwarten war, weisen die OSNR-penalty-Bereiche von den untersuchten Systemen keine signifikanten Unterschiede auf. Dieses Ergebnis stimmt mit den im Abschnitt beschriebenen Ergebnissen überein und bestätigt die Behauptung, dass die effektive Länge L eff der Übertragungsfaser bei der Betrachtung der Nichtlinearitäten von Bedeutung ist. Da die effektive Länge der verwendeten Spans sehr ähnlich war (zwischen km), lieferten die untersuchten Spans beinahe gleichen nichtlinearen Beiträge für das Übertragungsverhalten der beiden Systeme. Entscheidend für die gleiche Übertragungsqualität der Systeme war in diesem Fall letztendlich ein jeweils vergleichbarer Wert der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans sowie die gleiche Anzahl der Spans und nicht die einzelne Spanlänge. Schlussfolgerung: Der optimale Wert der Restdispersion pro Span (D res ) ist unabhängig von der im Bereich zwischen km variierenden Spanlänge im System. Zuletzt wurde die bereits in der Einleitung dieses Kapitels angesprochene Abhängigkeit der Restdispersion pro Span (D res ) von der Anzahl der Übertragungsspans im System untersucht. Es wurde das Übertragungsverhalten von mehreren Systemen mit unterschiedlicher Anzahl der Spans simuliert und ausgewertet. Die Abbildung 5.7 zeigt beispielhaft drei der Simulationsergebnisse für Systeme mit 5, 7 und 15 Übertragungsspans. 57

58 Abbildung 5.7: OSNR-Penalty für unterschiedliche Systemlängen (5, 7 und 15 Spans) mit 5 WDM Kanälen, 50 GHz Kanalabstand und 3 mw Leistung pro Kanal; der dunkle Kreis in jedem Bild markiert jeweils den Bereich der niedrigsten OSNR-penalty. Sowohl der Vergleich der Ergebnisse in Abb. 5.7 als auch der übrigen (hier nicht dargestellten) Simulationsergebnisse von Systemen mit bis zu 30 Übertragungsspans liefert die eindeutige Aussage, dass für Systeme mit unterschiedlichen Anzahl der Spans die optimale Restdispersion pro Span (D res ) jeweils einen anderen Wert besitzt. Schlussfolgerung: Der optimale Wert der Restdispersion pro Span (D res ) wird kleiner mit der Anzahl der Übertragungsspans im System Allgemeine Designregel für optimale Restdispersion pro Übertragungsstrecke (D res ) im Übertragungssystem Die bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass der Wert der akkumulierten Dispersion am Anfang jedes Übertragungsspans, und somit der walk-off, eines der Schlüsselparameter im Systemdesign ist. Im Kap wurde bereits walk-off als w = D acc λ/t (siehe auch Formel 2.21) definiert. Dabei ist D acc die akkumulierte Dispersion an der betrachteten Stelle der Übertragungsstrecke (in ps/nm), λ ist der Kanalabstand (in nm) und T B ist die Bitdauer (in ps). 58