Dies ermöglicht die Nutzung bestehender Glasfaserinfrastruktur zur kosteneffektiven und effizienten Steigerung des Kommunikationsverkehrs. Die Technologie erleichtert den Ausbau der Übertragungskapazität in städtischen Gebieten und dicht besiedelten Wohngebieten, wo die Installation komplex sein kann, und bietet das Potenzial, Bereitstellungszeit und -kosten deutlich zu reduzieren.

Die Entwicklung erfolgte im Rahmen des „Forschungs- und Entwicklungsprojekts für verbesserte Infrastrukturen für Post-5G-Informations- und Kommunikationssysteme (1)“ (2), das von der japanischen Organisation für die Entwicklung neuer Energien und industrieller Technologien (NEDO) in Auftrag gegeben wurde.

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Abbildung 1: Bild des Systems mit Hochleistungs-Multiband-Wellenlängenmultiplex-Übertragungstechnologie

Projekthintergrund

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Diensten, die IoT, künstliche Intelligenz (KI) und Big-Data-Analysen nutzen, zielt NEDO darauf ab, Japans Entwicklungs- und Produktionsbasis für Post-5G-Informations- und Kommunikationssysteme durch die Entwicklung von Kerntechnologien für diese Systeme zu stärken. Im Rahmen dieser Bemühungen beteiligen sich Fujitsu und KDDI Research von Oktober 2020 bis Oktober 2023 an einem Projekt zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit optischer Post-5G-Netze. Konventionelle kommerzielle Glasfasernetze verwenden Singlemode-Fasern, in denen Licht nur durch die Fasermitte hindurchtritt, und nutzen das C-Band (Wellenlängenbereich: 1530 nm bis 1565 nm) (3) als optisches Übertragungsband. Mit zunehmendem Kommunikationsverkehr dürfte die Übertragungskapazität des C-Bandes allein jedoch nicht mehr ausreichen. Um die Übertragungskapazität der Glasfaser zu erhöhen, haben sich die beiden Unternehmen zum Ziel gesetzt, das genutzte Wellenlängenband vom C-Band auf das L-Band (1.565 nm bis 1.625 nm), das S-Band (1.460 nm bis 1.530 nm), das U-Band (1.625 nm bis 1.675 nm) und das O-Band (1.260 nm bis 1.360 nm) auszuweiten, um eine Multiband-Technologie zu realisieren.

Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts entwickelte Fujitsu ein Simulationsmodell, das die Beeinträchtigung der Übertragungsleistung bei Mehrbandübertragung berücksichtigt und somit die Entwicklung von Mehrband-Wellenlängenmultiplexsystemen ermöglicht. Das Simulationsmodell bildet die Ergebnisse von Messungen an kommerziellen Glasfasern und Übertragungsparametern ab, die durch die Verifizierung des experimentellen integrierten Mehrbandverstärker-/Wellenlängenwandlersystems gewonnen wurden. Mit diesem Modell führte Fujitsu hochpräzise Simulationen durch, die die tatsächlichen Messfehler auf 1 dB reduzieren und die Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen den Bändern sowie der damit verbundenen Beeinträchtigung der Übertragungsleistung ermöglichen.

KDDI Research hat es ermöglicht, die doppelte Frequenzbandbreite im O-Band im Vergleich zum herkömmlichen C-Band zu nutzen – eine in der DWDM-Übertragung (High-Density Wavelength Division Multiplexing) bisher unbekannte Technologie (4). Durch die Kombination beider Technologien führten die beiden Unternehmen reale Übertragungsexperimente mit bestehenden Glasfasern durch und demonstrierten die Wellenlängenmultiplex-Mehrbandübertragung (Übertragungsdistanz 45 km) in den Bändern O, S, C, L und U (Abbildung 2). Dies beweist, dass Wellenlängenmultiplex mit einer 5,2-fach höheren Wellenlängenanzahl als bei der herkömmlichen C-Band-Übertragung möglich ist. Die beiden Unternehmen bestätigten die Wellenlängenmultiplex-Mehrbandübertragung (Übertragungsdistanz 560 km) in den Bändern S, C, L und U zudem durch Simulationen.

Die wichtigsten Ergebnisse der Studie werden im Folgenden beschrieben:

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Abbildung 2: Optisches Spektrum, das von einer einzelnen installierten Faser empfangen wird, wenn die O-, S-, C-, L- und U-Bänder gleichzeitig übertragen werden.

1. Etablierung der Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) Multiband-Übertragungstechnologie.

Bei der herkömmlichen Auslegung eines C-Band-Übertragungssystems stellen Parameter, die als konstant angenommen werden können, keine praktischen Probleme dar. Im Fall der Mehrbandübertragung im S-, C-, L- und U-Band ist der Unterschied in der Übertragungsleistung zwischen den Wellenlängenbereichen jedoch nicht zu vernachlässigen, sodass eine Auslegung erforderlich ist, die die Wellenlängenabhängigkeit berücksichtigt. Beispielsweise verstärken sich nichtlineare Degradationsfaktoren mit zunehmender optischer Eingangsleistung und Übertragungsdistanz und begrenzen somit die Übertragungsleistung. Insbesondere die durch die Wechselwirkung von Licht mit mehreren Wellenlängen verursachte stimulierte Raman-Streuung (5), Kreuzphasenmodulation (6) und Vierwellenmischung (7) treten bei hohen Wellenlängenmultiplizitäten deutlich auf und beeinträchtigen die Übertragungsleistung von Mehrband-Wellenlängenmultiplexsystemen erheblich.

In diesem Projekt entwickelten Fujitsu und KDDI Research eine Entwurfsmethode für Multiband-Wellenlängenmultiplexsysteme. Dazu erstellten sie ein Simulationsmodell, das die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Bändern sowie die Beeinträchtigung der Übertragungsleistung berücksichtigt. Da die optischen WDM-Signale im S- und U-Band mittels rein optischer Signalverarbeitung aus den optischen Signalen im C- bzw. L-Band erzeugt werden, sind keine dedizierten Sender und Empfänger für das S- und U-Band erforderlich. Die Integration dieser Technologien ermöglicht die DWDM-Übertragung im S-, C-, L- und U-Band mittels kohärenter Übertragungstechnologie. Diese nutzt die Lichtphase und ermöglicht so eine Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungskommunikation.

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Abbildung 3: Optischer Leistungsübergang des Signals zwischen verschiedenen Frequenzbändern mittels stimulierter Raman-Streuung.
Oben: Unkontrollierter Fall. Unten: Kontrollierter Fall zur Gewährleistung einer gleichmäßigen optischen Leistungsverteilung nach der Faserausbreitung.

2. Etablierung einer kohärenten DWDM-Übertragungstechnologie im O-Band

Traditionell neigt die kohärente Übertragungstechnik dazu, O-Band-Übertragungssignale aufgrund des Einflusses anderer optischer Signalkomponenten zu verzerren. Darüber hinaus ist nichtlineares Rauschen, das im O-Band häufig auftritt, mit digitaler Signalverarbeitung oft schwer zu eliminieren, was die Gesamtleistung des Systems mindert. Daher stellt die Implementierung kohärenter Übertragungstechnik im O-Band eine große Herausforderung dar.

Nichtlineares Rauschen im O-Band lässt sich minimieren, indem die optische Sendeleistung für jedes dicht gemultiplexte Wellenlängensignal entsprechend angepasst wird. Dieser Ansatz minimiert die Auswirkungen des nichtlinearen Rauschens und ermöglicht eine kohärente DWDM-Übertragung von über 9,6 THz im O-Band, selbst ohne Signalkompensation auf Senderseite und Dispersionskompensation auf Empfängerseite. Da das O-Band eine nahezu verschwindende Dispersion aufweist, ist es weniger anfällig für Dispersion (8) und bietet den Vorteil, die Belastung der digitalen Signalverarbeitung zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern.


Noten

- 1] Post-5G: Dies ist das Mobilkommunikationssystem, das die extrem niedrige Latenz und die Möglichkeit mehrerer gleichzeitiger Verbindungen des 5G-Mobilkommunikationssystems verbessert.
- 2] Projekt: Projektname (JPNP20017): Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur verbesserten Infrastruktur für Post-5G-Informations- und Kommunikationssysteme (im Auftrag der New Energy and Industrial Technologies Development Organization (NEDO)).
- 3] C-Band: Abkürzung für konventionelles Band. Es bezeichnet den Wellenlängenbereich von 1530–1565 nm, der für die optische Kommunikation verwendet wird.
- 4] DWDM: Akronym für Dense Wavelength Division Multiplexing (dichtes Wellenlängenmultiplexverfahren). Es handelt sich um ein Verfahren des dichten Wellenlängenmultiplexings in der WDM-Technologie (Wellenlängenmultiplex), das die Übertragungsdichte erhöht, indem mehrere optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen in einen einzigen Lichtstrahl gemultiplext werden.
- 5] Stimulierte Raman-Streuung: Ein Phänomen, bei dem ein intensives optisches Signal (Pumplicht), das sich durch eine optische Faser ausbreitet, die Moleküle des Faserglases anregt und dadurch neues Licht (Stokes-Licht) erzeugt. Dieses Stokes-Licht hat eine niedrigere Frequenz als das Pumplicht und breitet sich in dieselbe Richtung aus. Stimulierte Raman-Streuung trägt häufig zum Rauschen bei der Übertragung von optischen Hochleistungssignalen bei und beeinträchtigt die Kommunikationsqualität.
- 6] Kreuzphasenmodulation: Mehrere optische Signale, die sich in einer optischen Faser ausbreiten, beeinflussen sich gegenseitig und verändern die Phase jedes Signals. Genauer gesagt, verändert eine Änderung der Intensität eines optischen Signals (optischer Impuls) die Phase anderer optischer Signale, die sich in derselben optischen Faser ausbreiten. Diese Phasenmodulation wird durch die Nichtlinearität der optischen Faser verursacht. Kreuzphasenmodulation kann in Systemen, in denen sich mehrere optische Signale gleichzeitig ausbreiten, wie z. B. DWDM-Systemen, zu Signalverzerrungen und Interferenzen führen.
- 7] Vierwellenmischung: Mehrere Lichtwellen, die sich in einer optischen Faser ausbreiten, interagieren und erzeugen neue Lichtwellen. Diese neue Lichtwelle breitet sich mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung wie die ursprüngliche Lichtwelle aus, ihre Frequenz ergibt sich jedoch aus der Kombination der Frequenzen der ursprünglichen Lichtwellen. Vierwellenmischung entsteht durch die Nichtlinearitäten der optischen Faser, insbesondere bei optischen Signalen hoher Leistung oder großem Abstand zwischen den optischen Wellen (z. B. DWDM). Dies kann zu Signalverzerrungen und Interferenzen führen und die Leistung optischer Kommunikationssysteme beeinträchtigen.
– 8] Wellenlängendispersion: Ein Phänomen, bei dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen in optischen Fasern mit der Wellenlänge variiert.