Bei Nutzung des dritten Übertragungsfensters (1550 nm) ermöglichen die geringen Verluste dieser Fasern in Kombination mit der Verfügbarkeit von Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs) die Überbrückung großer Entfernungen. Trotz ihrer nahezu unbegrenzten Bandbreite (mehrere hundert THz) begrenzt die chromatische Dispersion bei 1550 nm jedoch die maximal erreichbare Kapazität und Reichweite eines optischen Kommunikationssystems.
Chromatische Dispersion ist eine frequenzabhängige Verzögerung, die bei der Ausbreitung durch die Faser entsteht und zu nichtlinearen Verzerrungen am Ausgang des Fotodetektors führt. Anders ausgedrückt: Die Frequenzkomponenten des optischen Signalspektrums breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Faser aus und erreichen den Fotodetektor zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten. Bei digitalen Übertragungen äußert sich dieser Effekt in einer zeitlichen Verbreiterung der optischen Pulse, was zu Interferenzen zwischen den Symbolen führt. Logischerweise verstärkt sich diese Verschlechterung mit abnehmender Pulsbreite (höhere Modulationsraten) oder zunehmender Länge der Faserstrecke (größere kumulative Dispersion). Daher gibt es eine Grenze, die üblicherweise als Produkt aus Bandbreite und Faserlänge in Gbit/s/km angegeben wird.
Die Forschung an neuen, gegenüber chromatischer Dispersion unempfindlichen Techniken und Bauelementen ist seit einiger Zeit im Gange. Zu den bekanntesten Bauelementen zählen dispersionskompensierende Fasern, optische Faserbeugungsgitter und dispersionsverschobene Fasern. Hinsichtlich der Techniken sind die optische Frequenzmodulation und die Spektralinversion hervorzuheben. Wir werden nun jede dieser Methoden genauer erläutern.
Dispersionskompensierende Fasern
Dispersionskompensierende Fasern (DCFs) zeichnen sich durch einen hohen chromatischen Dispersionsparameter mit entgegengesetztem Vorzeichen zu dem von herkömmlichen Fasern im dritten Fenster aus. Durch das Einfügen einer bestimmten Länge DCF nach der optischen Faserstrecke des Kommunikationssystems lässt sich die auf dem ersten Pfad akkumulierte chromatische Dispersion kompensieren. Bezeichnen wir die Dispersion und Länge der Faserstrecke mit D₁ und L₁ und die Dispersion und Länge der DCF mit D₂ und L₂, so ergibt sich die Bedingung für die Dispersionskompensation zu: D₁L₁ + D₂L₂ = 0. Bei einer optischen Strecke von 100 km Standardfaser (D = 17 ps/km·nm) beträgt die akkumulierte Dispersion während der Ausbreitung 1700 mps/nm. Basierend auf einer DCF mit einem Dispersionsparameter von ca. -100 ps/km·nm wären daher etwa 17 km DCF erforderlich, um die Kompensation zu erreichen. Abbildung 1 zeigt schematisch eine optische Langstreckenverbindung, die DCFs zur Kompensation der chromatischen Dispersion nutzt. Das zu übertragende Signal wird über einen elektrooptischen Modulator am Ausgang der Laserquelle in das System eingespeist und von einem Fotodetektor sowie einem Breitbandverstärker empfangen. Um die entlang der Verbindung auftretende Dispersion auszugleichen, ist die Verbindung in Abschnitte unterteilt, die jeweils aus einem SSMF-Segment, einem DCF-Abschnitt bestimmter Länge und einem EDFA zur Leistungsrückgewinnung bestehen. Obwohl die Abbildung die Technik der „Nachkompensation“ darstellt, könnte durch einfaches Vertauschen der Positionen der SSMF- und DCF-Segmente auch eine „Vorkompensation“ erreicht werden.
Trotz der genannten Vorteile weisen DCFs einige Probleme auf. Erstens kompensiert 1 km DCF nur etwa 10,12 km Standardfaser (jüngste Fortschritte ermöglichen die Herstellung von Fasern mit einer Dispersion von über -200 ps/km·nm). Zweitens sind ihre Verluste bei 1550 nm relativ hoch (ca. 0,5 dB/km). Drittens ist aufgrund ihres geringen Modendurchmessers die optische Intensität innerhalb der Faser bei gleicher optischer Leistung höher, was nichtlineare Effekte verstärkt. Derzeit wird an der Verbesserung der Leistung von DCFs gearbeitet. Einige bereits erzielte Ergebnisse basieren auf einer Bimode-Faserstruktur, die Dispersionsparameter von bis zu -770 ps/km·nm bei identischen Verlusten wie Standardfasern erreicht.
Dispersionsverschobene Fasern
Dispersionsverschobene Fasern (DSFs) sind im eigentlichen Sinne keine Dispersionskompensationsvorrichtungen, sondern vielmehr ein Fasertyp, der aufgrund seiner nichtdispersiven Eigenschaften herkömmliche Fasern ersetzt. Standardfasern weisen mit zunehmender Wellenlänge eine steigende Dispersion auf, die bei etwa 1310 nm (zweites Wellenlängenfenster) null erreicht. Da die Nutzung im dritten Wellenlängenfenster aufgrund der geringen Verluste der Faser wünschenswert ist, besteht das Ziel darin, einen neuen Fasertyp zu entwickeln, der bei etwa 1550 nm keine Dispersion aufweist. So entstanden DSFs. Ihr Name leitet sich vom Herstellungsverfahren ab, bei dem der Kernradius oder die Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel modifiziert wird, um die charakteristische Dispersionskurve von Standardfasern zu längeren Wellenlängen zu verschieben.
Der Herstellungsprozess dieser Fasern führt jedoch zu einer Verringerung der effektiven Kernfläche (50 mm² im Vergleich zu 70–80 mm² bei Standardfasern), wodurch die Nichtlinearitäten des Bauelements verstärkt werden. Da nichtlineare Phänomene in Bereichen mit verschwindender Dispersion bevorzugt auftreten, bedeutet dies, dass die Nichtlinearitäten nun die chromatische Dispersion überwiegen und somit die Hauptbegrenzung dieser Verbindungen darstellen. Die naheliegendste Lösung ist die Konstruktion von DSFs mit ausreichend kleinen Dispersionsparametern, um die Dispersionsbegrenzung zu umgehen und gleichzeitig den Einfluss der Nichtlinearitäten zu reduzieren. Diese Faserart wird üblicherweise als NZDSF (Nearly Zero DSF) bezeichnet, wobei es je nach Vorzeichen des Dispersionsparameters zwei Typen gibt. Abbildung 2 fasst die Dispersionscharakteristika in Abhängigkeit von der Wellenlänge für die verschiedenen betrachteten optischen Fasertypen zusammen: SSMF, DCF, DSF und NZDSF.
Beugungsgitter auf optischen Fasern
Die wichtigsten Bauelemente zur Kompensation chromatischer Dispersion sind zweifellos Faser-Chirped-Gratings (CFGs). Ähnlich wie DCFs sind sie dispersive Bauelemente, weisen aber deutlich andere Eigenschaften auf. Ihre Hauptvorteile sind die geringe Einfügungsdämpfung, die kompakte Größe (im Zentimeterbereich), die eine Integration ermöglicht, und die relativ einfache Massenproduktion. Ihre Funktionsweise basiert auf der Einführung einer wellenlängenabhängigen Verzögerung in die eingespeisten optischen Signale, wodurch die durch die Glasfaserverbindung verursachte variable Verzögerung kompensiert wird. Das CFG besitzt typischerweise einen einzigen Ein-/Ausgang und arbeitet im Reflexionsmodus. Da an diesem Port sowohl das empfangene als auch das entzerrte Signal anliegen, ist ein Zirkulator zur Trennung erforderlich, wie im Blockdiagramm in Abbildung 3 dargestellt. Dies ist die Standardkonfiguration; es existieren jedoch auch CFG-basierte Filter, die im Transmissionsmodus statt im Reflexionsmodus arbeiten.
Die variable Laufzeitverzögerung wird durch Chirp-Modulation der Brechungsindexfrequenz der Faser erreicht. Dadurch werden optische Signale, die sich durch die Faser ausbreiten, je nach ihrer Wellenlänge an unterschiedlichen Punkten reflektiert und legen somit unterschiedliche Strecken zurück. Abbildung 4 veranschaulicht dieses Phänomen sowie die typischen Reflexions- und Gruppenlaufzeitcharakteristiken eines solchen Bauelements. Der CFG (Cyclo-Flow-Faser) zeichnet sich durch eine spezifische Betriebsbandbreite aus, die primär von der Länge des Bauelements abhängt. Im Gegensatz zum DCF (Dyno-Flow-Faser) ist dies die Hauptbeschränkung des CFG. Derzeit wird an der Entwicklung von Breitband-CFGs für den Einsatz in DWDM-Systemen (Dense Wavelength Division Multiplexing) geforscht.
Das CFG-Herstellungsverfahren beinhaltet das Platzieren einer Phasenmaske zwischen einem ultravioletten Lichtstrahl und der optischen Faser. Der einfallende Strahl wird an den Wellenformen der Phasenmaske gebeugt und trifft auf den lichtempfindlichen Faserkern, wodurch der Brechungsindex verändert und moduliert wird. Da dieser Herstellungsprozess nicht perfekt ist, treten, wie in Abbildung 4 dargestellt, zufällige Welligkeiten in der Reflektivität und der Gruppenlaufzeit auf. Im Fall der Gruppenlaufzeit führen diese Welligkeiten zu Dispersionsphänomenen höherer Ordnung, die letztendlich die Systemqualität, insbesondere in analogen Mehrkanalsystemen, beeinträchtigen.
Optische Frequenzmodulation
Eine Alternative zur dispersionstoleranten Übertragung ist die optische Frequenzmodulation. Hierbei wird typischerweise das FSK-Modulationsverfahren verwendet, um das zu übertragende Datensignal auf den vom Laser erzeugten optischen Träger einzukoppeln. Die Modulation besteht aus einer Verschiebung Δl der Trägerwellenlänge in Abhängigkeit vom Bit („0“ oder „1“). Während der Ausbreitung in der Faser bewegen sich die beiden Wellenlängen mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Verzögerung zwischen den Bits „0“ und „1“ lässt sich aus der Verschiebung Δl bestimmen und ist gegeben durch ΔT = ΔLΔl, wobei L die Länge der Faserstrecke ist. Durch die Wahl einer Verschiebung ΔT = 1/B, wobei B die Modulationsrate ist, lässt sich zeigen, dass das reine FSK-Signal am Empfänger in ein amplitudenmoduliertes Signal umgewandelt wird. Mithilfe eines Integrators und einer Entscheidungsschaltung kann schließlich das übertragene Signal wiederhergestellt werden. Mit dieser Technik wurde die Übertragung von 10-Gbit/s-Signalen über 253 km SSMF und von 20-Gbit/s-Signalen über 53 km Glasfaser demonstriert, was bestätigt, dass die Übertragungsdistanz erheblich erhöht werden kann.
Spektrale Inversionstechnik
Die Spektralinversionstechnik, auch bekannt als optische Phasenkonjugation (OPC), hat sich als effiziente Methode zur Kompensation der durch chromatische Dispersion verursachten Verschlechterung in optischen Langstreckenverbindungen erwiesen. Diese Technik basiert auf dem Einsatz eines Konjugators in der Mitte der optischen Verbindung, der die Phase des optischen Signals invertiert. Unter der Annahme, dass die Fasersegmente vor und nach dem Konjugator identische Eigenschaften und Längen aufweisen, kompensiert die Ausbreitung im zweiten Segment die am Ausgang des ersten Segments akkumulierte Dispersion. Der Name Spektralinversion leitet sich vom Konjugationsprozess selbst ab, da dieser einer Drehung des Modulationsspektrums entspricht. Auf diese Weise wird die im zweiten Fasersegment akkumulierte Dispersion von der im ersten Teil der Verbindung eingeführten Dispersion subtrahiert. Abbildung 5 zeigt schematisch das Blockdiagramm eines Systems, das die OPC-Technik verwendet. Obwohl üblicherweise L1 = L2 = L/2 verwendet wird, können auch andere Längen eingesetzt werden, wenn andere Verbindungsparameter, wie z. B. die optische Leistung oder die Dispersions- und Nichtlinearitätseigenschaften der Fasern, angepasst werden.
Einer der Hauptvorteile der optischen Phasenkorrektur (OPC) besteht darin, dass sie die durch chromatische Dispersion und nichtlineare Effekte verursachten Beeinträchtigungen kompensiert. Im Gegensatz zu Verfahren, die auf DCFs oder CFGs basieren, weisen die mit OPC erzielten Entzerrungsergebnisse eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Parameteränderungen entlang der Faserlänge im System auf. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer übermäßig detaillierten Verbindungsplanung. Das OPC-Gerät kann somit in einem zentralen Bereich (Steuerstation) untergebracht und von mehreren optischen Knoten gemeinsam genutzt werden, die über Glasfaserverbindungen mit leicht unterschiedlichen Längen miteinander verbunden sind. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen. Mit dieser Technik wurde die Übertragung von 40-Gbit/s-Signalen über 400 km SSMF im Labormaßstab demonstriert, was ihre Wirksamkeit bei der Kompensation chromatischer Dispersion bestätigt. Derzeit wird an der Anwendung dieser Technik in optischen DWDM-Netzen der nächsten Generation gearbeitet.
Aufbau des optischen Konjugators
Da das OPC-Bauelement die Schlüsselkomponente darstellt, werden wir es genauer analysieren. Der Aufbau des optischen Konjugators basiert auf nichtlinearen Prozessen, die in bestimmten optischen Bauelementen auftreten und zur Phasenumkehr des optischen Signals führen. Die gängigste Methode nutzt die Vierwellenmischung (FWM) in einem nichtlinearen Medium. Hierfür gibt es zwei Hauptmöglichkeiten: die erste basiert auf einem Halbleiter-Verstärker (SOA), die zweite auf einem DSF. In beiden Fällen ist ein Pumplaser erforderlich, um merkliche nichtlineare Effekte zu erzielen. Das optische Eingangssignal wird im SOA oder DSF mit dem Pumplaser gemischt und erscheint am Ausgang konjugiert, jedoch bei einer anderen Wellenlänge. Anschließend wird dieses konjugierte Signal mittels eines optischen Filters selektiert und gegebenenfalls verstärkt. Das Blockdiagramm dieses Bauelements ist in Abbildung 6 dargestellt. Das optische Spektrum am Ausgang des Konjugators, an dem das neu erzeugte Signal sichtbar ist, ist ebenfalls in dieser Abbildung dargestellt.
Die relativ geringe Effizienz der Konjugation in optischen Fasern verdient besondere Erwähnung. Typischerweise liegt der Wirkungsgrad unter 1 %, was eine weitere Verstärkung des konjugierten Signals erforderlich macht. Das FWM-Phänomen ist jedoch nicht per se ineffizient und kann prinzipiell eine Verstärkung ermöglichen. Tatsächlich zeigt die Analyse der Gleichungen zur Modellierung der FWM, dass der Wirkungsgrad durch Erhöhung der Pumpleistung bei gleichzeitiger Verringerung der Signalleistung deutlich steigt. Er kann sogar 100 % übersteigen, indem die Leistungspegel und die Differenz zwischen Pump- und Signalwellenlänge optimiert werden. Hohe Leistungspegel werden jedoch aufgrund der Brillouin-Streuung, die bei etwa 10 mW auftritt, generell vermieden. Die Brillouin-Streuung ist ein nichtlinearer Prozess in optischen Fasern, bei dem die eingekoppelte optische Leistung am Fasereingang oberhalb eines bestimmten, direkt von der Faserlänge abhängigen Wertes reflektiert wird. Dies begrenzt die maximal anwendbare Pumpleistung und führt außerdem zu einer Erhöhung der Rauschintensität am Ausgang.
Bei SOA-basierten Konjugatoren ist die Konversionseffizienz aufgrund der Verstärkung im Allgemeinen höher als bei der Vierwellenmischung (FWM) in DSFs. Das konjugierte Signal kann mit einem nur 1 mm langen Bauelement oder sogar kürzer erzeugt werden. Dieser Vorteil wird jedoch durch die hohen Kopplungsverluste beim Rückkoppeln des Signals in die Faser reduziert. Durch geeignete Wahl des Abstands zwischen Signal und Pumpe lassen sich Konversionseffizienzen von über 100 % erzielen, was einen Nettogewinn des konjugierten Signals bedeutet. Diese Eigenschaften machen diese Technik für Dispersionskompensationssysteme sehr attraktiv. Dennoch hängen Konversionseffizienz und Signal-Rausch-Verhältnis der FWM in SOAs stark von diesem Abstand zwischen Signal- und Pumpwelle ab. Daher wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um dieses Verhalten im Betriebsfrequenzband zu optimieren.
Für einen maximal effizienten FWM-Prozess ist es unerlässlich, dass beide Wellen am Eingang des nichtlinearen Mediums denselben Polarisationszustand aufweisen. Dies wird durch einen Polarisationsregler (Abbildung 6) an der Pumpwelle erreicht, sofern die Polarisation der Signalwelle bekannt und stabil ist. Die Polarisation des elektrischen Feldes variiert jedoch während der Ausbreitung in optischen Fasern zufällig, sodass ihr Zustand am OPC-Eingang in einem realen Dispersionskompensationssystem nicht im Voraus bekannt ist. Diese zufälligen Variationen beeinträchtigen die Effizienz des FWM-Prozesses erheblich und machen die Spektralinversionstechnik für praktische Anwendungen ungeeignet. Glücklicherweise wurde dieses Thema intensiv erforscht, und es wurden FWM-Konfigurationen gefunden, die unempfindlich gegenüber der Polarisation des Eingangssignals sind. Dazu gehören verschiedene Experimente mit Polarisationsdiversitätstechniken oder zwei orthogonal polarisierten Pumpwellen. Kürzlich wurden neue Techniken vorgeschlagen, die auf Mach-Zehnder- und SoAs-Interferometerstrukturen, Sagnac-Interferometern oder sogar auf Fasern basierenden DFB-Lasern basieren und eine Polarisationsabhängigkeit von nur 0,5 dB erreichen.
Neben dem Polarisationsproblem führt die FWM-Konjugation zu einem weiteren unerwünschten Effekt: der optischen Trägerverschiebung. Dies muss bei OPC-Dispersionskompensationssystemen berücksichtigt werden, da sich die Ausbreitungseigenschaften entlang des zweiten Faserpfads ändern und die verfügbare optische Übertragungsbandbreite halbiert wird. Um diesen Effekt zu vermeiden, wurden verschiedene Konfigurationen vorgeschlagen, die auf der Verwendung zweier orthogonaler Pumpwellen basieren. Schließlich beeinflussen auch andere Effekte, wie Verzerrungen durch Restphasenamplitudenmodulation des konjugierten Signals oder Phasenrauschen des Pumpsignals, die Leistungsfähigkeit der OPC-Technik und müssen bei der Auslegung des Konjugators berücksichtigt werden.
Autor: Francisco Ramos Pascual. Telekommunikationsingenieur. Professor für Funkkommunikation an der Polytechnischen Universität Valencia.
