Um die vom Nutzer erwartete Dienstqualität zu gewährleisten, sind daher Mess- und Charakterisierungsverfahren für optische DWDM-Bauelemente und -Subsysteme sowie Analysen der Betriebsparameter des optischen Netzes erforderlich. Dieser Artikel analysiert die wichtigsten Parameter und Messverfahren für optische DWDM-Bauelemente. Die Analyse der Betriebsparameter und der wichtigsten Messgeräte in optischen DWDM-Netzen wird in einem späteren Artikel behandelt.
Testmessungen an DWDM-Geräten
Bei der Analyse der Qualität optischer Komponenten, sei es für Forschung und Entwicklung, Produktionslinien oder Wartungszwecke, sind umfassende und präzise Messverfahren unerlässlich. Daher müssen Konstruktions- und Produktingenieure über fundierte Kenntnisse der Messprozesse für die wichtigsten optischen Parameter der Komponenten sowie der Interpretation der Messergebnisse verfügen. Die wichtigsten optischen Parameter, die in einem DWDM-Gerät gemessen werden können, werden im Folgenden kurz erläutert.
Einfügungsverluste
Wie bei jedem elektronischen Gerät bezeichnet die Einfügungsdämpfung die Differenz zwischen der in das Gerät einfallenden (in diesem Fall optischen) Leistung und der austretenden Leistung. Idealerweise sollte dieser Wert so klein wie möglich sein. Er ist für eine bestimmte Wellenlänge des optischen Signals definiert. Daher muss bei DWDM-Geräten dieser Wert für alle Wellenlängen der Betriebskanäle angegeben werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Einfügungsdämpfung für passive DWDM-Geräte wie Filter, Koppler oder Multiplexer definiert ist, während für aktive Geräte wie optische Verstärker die Verstärkung – ihr Kehrwert – definiert ist.
Der Hersteller stellt üblicherweise ein Diagramm der Geräteverluste in Abhängigkeit von der Wellenlänge des optischen Signals für die gesamte Bandbreite bereit, in der die Komponente eingesetzt werden soll. Dieses Diagramm spezifiziert die Wellenlängen der DWDM-Kanäle gemäß dem ITU-Raster (Internationale Fernmeldeunion) sowie deren zulässige Toleranz aufgrund von Schwankungen der Senderwellenlänge. Die Einfügedämpfung lässt sich am besten anhand des höchsten Verlustes (Worst-Case-Szenario) innerhalb des jeweiligen ITU-Kanals definieren. Abbildung 1 zeigt beispielsweise diese Parameter für einen DWDNM-Kanalfilter. Bei der Angabe der Einfügedämpfung ist es außerdem wichtig zu wissen, ob die Messung mit oder ohne Steckverbinder durchgeführt wurde.
Lockig
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist der Durchlassbereich eines DWDM-Geräts nicht perfekt flach. Der Wert der Einfügedämpfung gibt die Verluste des Geräts bei einer bestimmten Wellenlänge wieder, liefert aber keine Informationen über die Variation dieser Verluste im Durchlassbereich oder im ITU-Kanal. Daher wurde der Ripple-Parameter definiert, um diese Variation mit der Wellenlänge zu charakterisieren. Der Ripple-Wert ist definiert als die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Einfügedämpfung im Durchlassbereich (siehe Abbildung 1). Die Kenntnis des Ripple-Werts ermöglicht es, potenzielle Schwankungen der gesendeten optischen Leistung abzuschätzen und zu überprüfen, ob das Gerät seine Spezifikationen erfüllt. Bei den meisten Geräten sind hohe Ripple-Werte unzulässig.
Ein weiterer, direkt damit zusammenhängender Parameter ist die maximale Welligkeitsflanke. Sie beschreibt die Schwankung der Kanalleistung, die durch geringfügige Änderungen der Senderwellenlänge hervorgerufen wird. Sie wird in dB/nm angegeben und kann ein Gerät selbst bei geringen Einfügungs- und Welligkeitsverlusten ungeeignet machen.
Bandbreite
Die Bandbreite eines optischen Bauelements ist, wie bei jeder elektronischen Komponente, als die spektrale Breite definiert, bei der die Empfindlichkeit des Bauelements einen bestimmten Wert überschreitet (typischerweise -3 dBm des Maximalwerts oder FWHM-Wert, siehe Abbildung 1). Zur Definition der Bandbreite ist es unerlässlich, diesen Schwellenwert anzugeben. Typische Werte liegen bei 0,5, 1, 3 oder 20 dB unterhalb des Maximalwerts. Die Bandbreite eines Bauelements erfüllt zwei Zwecke. Erstens identifiziert sie den Spektralbereich, in dem das Bauelement akzeptable Dämpfungswerte (etwa 0,5 oder 1 dB) aufweist, also beispielsweise den Durchlassbereich eines Multiplexers. Zweitens definiert sie beispielsweise die Selektivität oder den Flankensteilheit eines Filters. In diesem Fall wird der Bandbreitenwert bei -20 dB verwendet. Ein ideales Rechteckfilter weist somit identische Bandbreitenwerte bei -0,5, -3 und -20 dB auf. Hersteller verwenden zunehmend einen neuen Parameter, die sogenannte Gütezahl (FOM), um die Form der Filtercharakteristik zu beschreiben. Dieser Parameter ist wie folgt definiert:
FOM = Bandbreite bei -3 dB
Bandbreite bei -20 dB
Im Idealfall beträgt die FOM 1, und im Allgemeinen weisen Filter höherer Ordnung einen abrupteren Übergangsbereich und einen FOM-Wert auf, der näher an Eins liegt.
zentrale Wellenlänge
Die Mittenwellenlänge wird häufig zur Beschreibung eines Multiplexerkanals verwendet und ist definiert als der Mittelwert zwischen der oberen und unteren Grenzfrequenz des Durchlassbereichs (den Wellenlängen, bei denen die Verluste um 3 dB ansteigen). Sie stimmt nicht notwendigerweise mit der Wellenlänge des Frequenzmaximums (der Wellenlänge minimaler Verluste) überein. Bei einem Bauelement mit perfekt symmetrischer Kennlinie fallen jedoch beide Wellenlängen zusammen. Die Mittenwellenlänge wird üblicherweise als der Mittelwert der Wellenlängen berechnet, bei denen Verluste von 3 dB auftreten.
Direkt damit verbunden ist die Nennwellenlänge, die der Betriebswellenlänge des Geräts entspricht und typischerweise im ITU-Raster zu finden ist. Der optische Sender arbeitet innerhalb einer gewissen Toleranz nahe dieser Wellenlänge; daher ist dies ein weiterer wichtiger Messparameter bei Lasersendern für DWDM-Systeme. Die Ausgangswellenlänge von Lasern unterliegt einer Temperaturdrift, die streng kontrolliert werden muss (siehe CONECtrónica Nr. 40, S. 14–16).
Optische Rückflussdämpfung
Wird Licht in eine optische Komponente eingekoppelt, wird der größte Teil der optischen Leistung übertragen, ein kleiner Teil jedoch absorbiert oder reflektiert. Reflektierte optische Leistung ist aus mehreren Gründen unerwünscht. Erstens erhöht sie die Verluste. Zweitens reagieren Lasersender für DWDM sehr empfindlich auf reflektiertes Licht, da unerwünschte Reflexionen die Laserstabilität oder das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems beeinträchtigen können. In manchen Fällen können Reflexionen das Gerät sogar beschädigen. Darüber hinaus kann reflektiertes Licht zurückreflektiert werden, sich mit dem ursprünglichen Signal überlagern und Mehrwegeausbreitung verursachen, was zu Demodulationsproblemen führt. Schließlich tragen Reflexionen innerhalb eines EDFA, insbesondere an gegenüberliegenden Enden des Verstärkungsblocks, zur Verschlechterung des Rauschpegels des Verstärkers bei.
In Glasfasersystemen entstehen Reflexionen durch Rayleigh-Streuung und Fresnel-Reflexionen. Rayleigh-Streuung tritt innerhalb der Glasfasern aufgrund der Wechselwirkung von Lichtwellen mit den Kristallmolekülen auf. Die Streuintensität hängt von der Wellenlänge des Signals und der Kristallzusammensetzung ab. Typische Werte liegen bei etwa -70 dB/m. Fresnel-Reflexionen hingegen treten an diskreten Stellen auf, an denen Diskontinuitäten auftreten, beispielsweise in Steckverbindern oder Adaptern. Diese Reflexionen entstehen durch Luftspalte, Fehlausrichtungen oder Änderungen des Brechungsindex.
Die Rückflussdämpfung ist ein positiver dB-Wert, da sie die Dämpfung der reflektierten Welle relativ zur einfallenden Welle beschreibt (einfallende Leistung geteilt durch reflektierte Leistung). Reflexionen hingegen werden mit einem negativen dB-Wert quantifiziert (reflektierte Leistung geteilt durch einfallende Leistung). Hohe Rückflussdämpfungswerte sind im Allgemeinen wünschenswert, obwohl es Bauelemente gibt, bei denen das Gegenteil der Fall ist, da in diesem Fall die Reflexion erwünscht ist. Beispiele für solche Bauelemente sind Bragg-Gitter und Spiegel. Der Versuchsaufbau zur Messung der optischen Rückflussdämpfung ist recht einfach und in Abbildung 2 dargestellt. Der Fotodetektor misst direkt die vom Prüfling (DUT) reflektierte optische Leistung. Allerdings ist eine vorherige Kalibrierung des Systems mit einem Prüfling bekannter Werte erforderlich.
Bei DWDM-Geräten muss die Rückflussdämpfung für alle relevanten Wellenlängen gemessen werden. Dies kann auf zwei Arten erfolgen: entweder mit einer abstimmbaren optischen Quelle oder mit einer Breitband-ASE-Quelle (verstärkte spontane Emission). Bei einem Multiplexer müssen Messungen an jedem Eingang durchgeführt werden, was die Automatisierung des Messprozesses bei Geräten mit einer großen Anzahl von Kanälen erschwert.
Richtwirkung
Der Richtwirkungsgrad eines photonischen Bauelements mit mehreren Eingängen ist ein Maß für die Isolation zwischen seinen Eingängen. Dieser Parameter ist besonders wichtig bei Multiplexern, wo, wie bereits erwähnt, Reflexionen zu den Sendern des Systems minimiert werden müssen. Oft genügt es, den Richtwirkungsgrad nur für wenige Kanäle zu messen. Der Aufbau ist dem in Abbildung 2 gezeigten sehr ähnlich. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die optische Quelle an einen der Eingänge des Multiplexers angeschlossen ist und der optische Empfänger die Leistung misst, die über die anderen Eingänge zurückkehrt. Der Richtwirkungsgrad ist somit die Differenz in dB zwischen der eingespeisten und der gemessenen optischen Leistung. Bei Bauelementen mit einer großen Anzahl von Kanälen ist diese Messung ebenfalls schwer zu automatisieren.
Kanaltrennung und Übersprechen
Diese Messparameter sind typisch für DWDM-Multiplexer und Kanalfilter. Isolation bezeichnet die Unterdrückung der Leistung eines bestimmten Kanals im Vergleich zu einem anderen. Abbildung 3 veranschaulicht schematisch den Isolationsparameter in DWDM-Geräten. Übersprechen hingegen ist ähnlich definiert, bezieht sich aber auf die Unterdrückung der Leistung aller anderen Kanäle im Vergleich zu einem gegebenen Kanal.
Polarisationsabhängige Effekte
Wie bereits erwähnt (siehe CONECtrónica Nr. 48), ist es praktisch unmöglich, den Polarisationszustand eines Signals in einem Glasfasernetz zu kontrollieren. Da viele photonische Komponenten zudem Eigenschaften aufweisen, die vom Polarisationszustand des Eingangssignals abhängen, ist es notwendig, die Polarisationsabhängigkeit bestimmter Geräteparameter zu messen, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Die wichtigsten polarisationsabhängigen Parameter sind Einfügungsdämpfung, Bandbreite und Mittenwellenlänge. Jeder dieser Parameter muss mithilfe eines Polarisationscontrollers in verschiedenen Polarisationszuständen gemessen werden. Idealerweise sollten sie für alle möglichen Polarisationszustände gemessen werden, in der Praxis genügen jedoch einige wenige Stichproben.
Die wichtigsten Messungen umfassen typischerweise polarisationsabhängige und wellenlängenabhängige Verluste. Erstere beschreiben die Änderung der Bauteilverluste in Abhängigkeit vom Polarisationszustand. Zusammen mit den Einfügungsverlusten ergeben sie den maximalen Verlust eines Bauteils bei einer bestimmten Wellenlänge (üblicherweise der nominalen Betriebswellenlänge). Je nach Bauteil können polarisationsabhängige Verluste in einem bestimmten Spektralbereich gemessen werden.
Geräte werden typischerweise so ausgelegt, dass sie geringe polarisationsabhängige Verluste aufweisen. Es gibt jedoch Ausnahmen, wie beispielsweise Polarisatoren. Im Allgemeinen sind die polarisationsabhängigen Verluste im Durchlassbereich des Geräts minimal und an den Rändern sowie im Sperrbereich höher. Einige Hersteller führen Messungen nur in der Kanalmitte und an den Rändern des Durchlassbereichs durch. Werte unter 0,1 dB in diesem Bereich sind für die meisten Anwendungen ausreichend.
Weitere polarisationsabhängige Messparameter sind die polarisationsabhängige Bandbreite und die Mittenwellenlänge. Beide Parameter beschreiben die Änderungen der spektralen Empfindlichkeit des Bauelements infolge von Änderungen der Polarisation des Eingangssignals und können gleichzeitig gemessen werden. Eine Messmethode besteht darin, die Einfügungsdämpfung und die polarisationsabhängigen Verluste in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Signals zu messen und grafisch darzustellen. Die Hüllkurve des Diagramms zeigt die möglichen Dämpfungswerte für verschiedene Polarisationszustände an, aus denen sich die Variationen der Bandbreite und der Mittenwellenlänge im ungünstigsten Fall ableiten lassen. Alternativ kann ein optischer Spektrumanalysator verwendet werden, um verschiedene Messungen für mehrere unterschiedliche Polarisationszustände durchzuführen.
Messung der spektralen Empfindlichkeit eines Geräts
Wie bereits erläutert, erfordert die Bestimmung vieler Parameter von DWDM-Photonikbauelementen die Messung der spektralen Empfindlichkeit jedes einzelnen optischen Kanals. Für diese Messung sind verschiedene experimentelle Aufbauten möglich, die wir im Folgenden beschreiben werden. Die Wahl des Aufbaus hängt von Faktoren wie spektraler Auflösung, Dynamikbereich und der Anzahl der zu messenden DWDM-Kanäle ab.
Die erste Versuchsanordnung nutzt eine Breitband-ASE-Quelle, die eine Leistungsverteilung über den gesamten DWDM-Kanalbereich erzeugt. Diese Quelle ist mit dem Prüfling (DUT) verbunden, und dessen Antwort wird mithilfe eines optischen Spektrumanalysators gemessen. Der Spektrumanalysator wurde zuvor durch Messung des Ausgangsspektrums der ASE-Quelle kalibriert. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Hauptbeschränkung dieser Technik besteht darin, dass die Messauflösung durch die Auflösungsbandbreite des Analysators bestimmt wird, die typischerweise bei etwa 0,05 nm liegt.
Um die Messauflösung zu verbessern, die für bestimmte DWDM-Geräte entscheidend ist, wird die ASE-Quelle häufig durch einen abstimmbaren Laser mit reduzierter Linienbreite ersetzt. In diesem Fall wird die Auflösung durch die Abstimmschrittweite des Lasers bestimmt und erreicht Werte bis zu 0,001 nm bei exzellentem Dynamikbereich. Die Messung beinhaltet einen Scan mit dem Spektrumanalysator für jede Abstimmschrittweite des Lasers. Der Hauptnachteil dieser Technik besteht jedoch im höheren Zeitaufwand, insbesondere bei Mehrkanalgeräten.
Eine weitere Alternative besteht in der Verwendung eines abstimmbaren Lasers und mehrerer optischer Mehrkanal-Leistungsmesser (siehe Abbildung 5), die jeweils mehrere DWDM-Kanäle des Prüflings messen. In diesem Fall ist die Messung unabhängig von der Kanalanzahl des Geräts, was sehr schnelle Messungen ermöglicht. Die Messauflösung wird durch die Laserquelle bestimmt, der Dynamikbereich hingegen durch deren spontanes Emissionsrauschen. Dynamikbereichswerte von etwa 60 dB sind erreichbar. Mit geringfügigen Modifikationen des in Abbildung 5 dargestellten Aufbaus lässt sich diese Technik auch zur Messung der optischen Rückflussdämpfung und polarisationsabhängiger Verluste einsetzen.
Um die Messgeschwindigkeit weiter zu erhöhen, kann der abstimmbare Laser im kontinuierlichen Durchstimmmodus betrieben werden. Die Wellenlängengenauigkeit wird mit einem Referenzinstrument kontrolliert, und typischerweise wird gleichzeitig ein Polarisationsregler eingesetzt, um polarisationsabhängige Parameter zu messen. In der Praxis wird diese Konfiguration im Allgemeinen bevorzugt.
Autor: Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik. Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.
