Netzwerke-107-1Bei Übertragungsgeschwindigkeiten von 40 Gbit/s und darüber ist bekannt, dass die chromatische Dispersion in der Faser die Reichweite des Systems auf wenige Kilometer begrenzt und daher Dispersionskompensationsverfahren erforderlich macht. Bei Vorhandensein von Chirp ist die durch Dispersion verursachte Verschlechterung der optischen Pulse jedoch in der Regel noch gravierender. Genauer gesagt kommt es zu einer stärkeren Pulsverbreiterung und Interferenz zwischen den Symbolen, was einen Leistungsverlust zur Folge hat. Zusätzlich verursacht Chirp eine spektrale Verbreiterung der Kanäle und begrenzt somit die verfügbare Bandbreite. Daher ist es wichtig, über Messinstrumente zur Bestimmung und Charakterisierung des Chirp-Pegels optischer Sender zu verfügen. Ebenso wichtig ist es, die Ursachen des Phänomens zu verstehen und ein mathematisches Modell zu entwickeln, das die Beobachtung des Einflusses der wichtigsten Geräteparameter ermöglicht. Im Folgenden werden wir kurz einige grundlegende Prinzipien des Chirps sowohl bei Lasern als auch bei externen Modulatoren beschreiben. Der folgende Artikel stellt einige der wichtigsten Messverfahren zur Charakterisierung des Chirps optischer Sender sowie Beispiele für Laborinstrumente vor.


Chirp-Modell.
Netzwerke-107-2Bevor wir den in verschiedenen optischen Sendern erzeugten Chirp, der typischerweise unterschiedliche Eigenschaften aufweist, detailliert untersuchen, ist es hilfreich, das Phänomen zunächst zu definieren. Chirp kann als eine unerwünschte Restfrequenzmodulation am Ausgang des optischen Senders definiert werden, die stark von der Intensitätsmodulation abhängt. Daher entsteht Chirp nur in dem Gerät, an das das Modulationssignal angelegt wird, und sollte nicht mit Phasen- oder Frequenzrauschen verwechselt werden, das die Linienbreite von Lasern (Lorentz-Frequenzspektrum) beeinflusst. Chirp lässt sich üblicherweise in zwei Komponenten zerlegen: transienten und adiabatischen Chirp. Transienter Chirp tritt an den Anstiegs- und Abfallflanken der Pulse auf; er ist also proportional zu den zeitlichen Schwankungen der optischen Leistung (Modulationssignal). Im Gegensatz dazu hängt adiabatischer Chirp vom Signalpegel ab und manifestiert sich daher als Frequenzverschiebung des Trägers zwischen niedrigen und hohen Pegeln. Die durch Chirp verursachten Änderungen der Trägerfrequenz lassen sich in einer Gleichung wie folgt ausdrücken:

Für-107-1Hierbei bezeichnet P(t) die optische Leistung des Signals. Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich, lässt sich die Frequenzänderung (Chirp) als Summe eines Phasenverschiebungsterms (transienter Chirp) und eines Frequenzverschiebungsterms (adiabatischer Chirp) modellieren. Ein abrupter Phasensprung impliziert somit einen Frequenztransienten. Die Proportionalitätskonstanten hängen von den physikalischen Parametern des Bauelements ab, die wir im Folgenden erläutern werden.


Chirp bei Lasern.
Laser mit direkter Modulation stellen eine kostengünstige Option für Kurzstreckensysteme dar, sollten jedoch aufgrund des typischerweise hohen Chirp-Niveaus nicht für Langstrecken- oder Hochgeschwindigkeitssysteme eingesetzt werden. Zur Datenübertragung wird der Laser mit einem Gleichstrom I<sub>bias</sub> vorgespannt, an den das Modulationssignal I<sub>data</sub> angelegt wird. Die mittlere Ausgangsleistung P<sub>avg</sub> und das Extinktionsverhältnis ER werden durch die Amplituden dieser beiden Stromsignale eingestellt, wie in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Im Allgemeinen erzeugen Laser mit steigendem Extinktionsverhältnis mehr Chirp, sodass ein Kompromiss zwischen den Leistungsverlusten durch Chirp und dem Extinktionsverhältnis (Signal-Rausch-Verhältnis) besteht. Dies ist in der Grafik in Abbildung 2 zu sehen.
Die Gleichung, die den Chirp eines Lasers mit direkter Modulation charakterisiert, lautet:


Für-107-2Dabei bezeichnet „a“ den Linienverbreiterungsfaktor. Der erste Term beschreibt den transienten Chirp, der zweite und dritte den adiabatischen Chirp. Der transiente Chirp erzeugt Phasenverschiebungen mit entgegengesetztem Vorzeichen an den ansteigenden und abfallenden Flanken der Datensignalimpulse. Diese Phasenverschiebungen sind umgekehrt proportional zur Dauer der Flanken (proportional zur Steigung bzw. zeitlichen Ableitung). Erschwerend kommt hinzu, dass diese Phasen- und Laserverstärkungssprünge die natürliche Resonanz des Lasers anregen: Relaxationsschwingungen. Bis sich der Laser wieder stabilisiert hat, Netzwerke 107-4tritt während dieses transienten Zustands ein signifikanter Energieverlust auf. Nach der Stabilisierung weist die neue Ausgangsleistung eine zugehörige Frequenzverschiebung auf, die dem zweiten Term der vorherigen Gleichung (adiabatischer Chirp) entspricht. Der dritte Term der Gleichung ist auf spontan emittierte Photonen zurückzuführen.
Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für die Messung der Chirp-Pegel eines DFB-Lasers. Wie in der Abbildung zu sehen ist, treten signifikante transiente und adiabatische Chirp-Pegel auf. Übergänge zwischen hohen und niedrigen Pegeln regen die Relaxationsschwingungen des Bauelements an und verursachen Schwankungen sowohl der Intensität als auch der Frequenz des optischen Signals. Tatsächlich erstrecken sich die Frequenzschwankungen (Chirp) über einen Bereich von etwa 8 GHz. Daher ist es offensichtlich, dass Verfahren zur Reduzierung des Chirp-Pegels in optischen Direktmodulationssendern erforderlich sind.


Chirp in externen Modulatoren:
Um den Chirp-Pegel von Lasern bei direkter Modulation zu begrenzen, wurde die Verwendung externer Modulatoren vorgeschlagen (Abbildung 4). Theoretisch tritt bei Modulation außerhalb des Laserresonators kein adiabatischer Chirp auf. Netzwerke 107-5Der vom Laser erzeugte Träger mit konstanter Frequenz erfährt beim Durchlaufen des Modulationsbereichs lediglich eine Änderung in Amplitude und Phase. In der Praxis können jedoch optische Reflexionen, thermische Wechselwirkungen oder parasitäre Packungseffekte zu adiabatischen Eigenschaften führen.
Eine der interessantesten Optionen für die externe Modulation ist der elektroabsorptive Modulator (EAM). Da dieser zusammen mit dem Laser auf demselben Chip integriert werden kann, lassen sich die Sender kostengünstig herstellen. In diesem Fall wird das Modulationssignal, üblicherweise eine elektrische Spannung, direkt an den EAM angelegt. Diese elektrische Spannung steuert die Absorption des Wellenleiters (Einfügungsdämpfung) und moduliert so den vom Laser erzeugten optischen Träger. Bei diesem Sendertyp wird die Leistung primär durch den transienten Chirp des Modulators bestimmt, wodurch Schwankungen aufgrund von Laserrelaxationsschwingungen vollständig eliminiert werden. Abbildung 5 zeigt beispielhaft Chirp-Messungen eines EAM-basierten optischen Senders. Der Chirp tritt nur an den ansteigenden und abfallenden Flanken der Pulse auf, wenn der dP/dt-Term dominiert.
Netzwerke 107-6Alternativ kann zur Intensitätsmodulation auch ein Mach-Zehnder-Modulator verwendet werden. In diesem Fall ist der Modulator separat untergebracht, und die optische Polarisation an seinem Eingang muss präzise kontrolliert werden. Dieser Modulatortyp basiert auf einer interferometrischen Struktur aus einem kristallinen Material wie Lithiumniobat (LiNbO₃). Das optische Eingangssignal wird in zwei Zweige aufgeteilt und durch elektrische Felder, die von zwei Datensignalen erzeugt werden (Pockels-Effekt), differentiell phasenmoduliert. Anschließend werden diese Signale am Ausgang wieder zusammengeführt, was zur PM-IM-Wandlung führt. Abbildung 6 zeigt das Modulationsschema. Die Vorspannungssignale Vbias1 und Vbias2 dienen zur Einstellung des Arbeitspunktes des Modulators, der durch eine sinusförmige Übertragungsfunktion VP charakterisiert ist. Der Chirp-Wert ergibt sich aus folgender Gleichung:
Dabei ist ersichtlich, dass er eliminiert werden kann, wenn V1 = Vdata/2 und V2 = -Vdata/2.
Abbildung 7 zeigt Chirp-Messungen für einen Mach-Zehnder-Modulator mit NRZ-Signalen und verdeutlicht die erreichbaren niedrigen Chirp-Werte von ca. 300 MHz Spitze-Spitze.


RZ-Modulation mit Chirp.
Netzwerke 107-7Trotz der negativen Auswirkungen von Chirp in optischen Sendern gibt es auch Situationen, in denen sein Vorhandensein vorteilhaft ist. Dies ist bei der RZ-Signalübertragung der Fall, wo durch geeignete Anpassung des Chirp-Pegels des Senders der Einfluss der chromatischen Dispersion reduziert werden kann. Betrachtet man eine Standardfaser im dritten Fenster und negative Chirp-Werte, so lässt sich beobachten, dass die RZ-Pulse anfänglich komprimiert werden. Dieser Effekt tritt jedoch nur über kurze Distanzen auf, und mit zunehmender Faserlänge verschlechtert sich das Ergebnis im Vergleich zur Situation ohne Chirp.
Daher ist Chirp, abgesehen von diesem letzten Punkt, im Allgemeinen ein nachteiliges Phänomen, das die Leistung optischer Kommunikationssysteme einschränkt. Dieser Artikel hat seine Grundlagen und Eigenschaften vorgestellt, die vom verwendeten optischen Sendertyp abhängen. Im nächsten Artikel werden wir uns auf Messtechniken konzentrieren und einige Beispiele für kommerziell erhältliche Geräte für diese Aufgaben vorstellen.

 

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Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik.
Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.