Im Bereich der optischen Kommunikationssysteme sind in letzter Zeit neue, fortschrittliche Modulationsverfahren entstanden. Insbesondere die Verwendung von DPSK (Differential Phase-Shift Keying) hat sich als vorteilhaft für die Leistung von optischen Langstreckenverbindungen erwiesen. Verglichen mit dem herkömmlichen OOK-Intensitätsmodulationsverfahren (On-Off Keying) bietet DPSK eine um 3 dB höhere Empfängerempfindlichkeit und ist zudem toleranter gegenüber nichtlinearen Effekten, insbesondere der Phasenumtastung in DWDM-Systemen.
Während die NRZ-Intensitätsmodulation (Non-Return-to-Zero) eine kostengünstige Option darstellt, werden die größeren Übertragungsdistanzen und die verbesserte spektrale Effizienz neuerer Modulationsverfahren zukünftig eine höhere Systemrentabilität ermöglichen. Besonders hervorzuheben ist, dass die DPSK-Modulation das grundlegende Prinzip zur Verdopplung der Übertragungskapazität ohne Leistungsverluste aufgrund von chromatischer Dispersion oder Polarisationsmodendispersion (PMD) darstellt.

Architekturen von DPSK-Modulatoren und -Demodulatoren.
Das DPSK-Signal, das Informationen mittels der Phasendifferenz zwischen benachbarten Symbolen überträgt, kann mit verschiedenen Methoden erzeugt werden. Zu den grundlegendsten gehören die Verwendung eines auf Vp vorgespannten Phasenmodulators, eines Zweiarm-Mach-Zehnder-Modulators in Gegentaktkonfiguration mit zwei Verstärkern oder eines einzelnen chirpfreien Mach-Zehnder-Modulators mit einer Vorspannung von 2Vp, um eine vollständige Phasenverschiebung zu erzielen. Der Hauptnachteil direkter Phasenmodulationsverfahren ist die Einführung von Chirp. Andere DPSK-Senderschemata verwenden eine Architektur mit zwei parallel geschalteten Mach-Zehnder-Modulatoren.
Abbildung 1 zeigt das Schaltbild eines möglichen DQPSK-Modulators (Differential Quadrature Phase Shift Keying). Die Daten werden mithilfe von vier verschiedenen Phasenzuständen auf dem optischen Träger codiert. Da jedes übertragene Symbol zwei Bit Information enthält, wird die Symbolrate um den Faktor 2 reduziert, was eine hohe spektrale Effizienz ermöglicht. Der SHF 46213A ist ein Parallelmodulator, der zwei elektrische Datenströme (I und Q) mit bis zu 22 Gbit/s in einen einzigen optischen Datenstrom mit bis zu 44 Gbit/s (22 GBaud) umwandelt. Beide elektrischen Datensignale modulieren den optischen Träger mit einer Phasenverschiebung von π/2 mittels separater chirpfreier Mach-Zehnder-Modulatoren. Vor der Rekombination der beiden optischen Ströme erfährt die Q-Komponente eine zusätzliche Phasenverschiebung von π/2, um die vier verschiedenen Phasenzustände des übertragenen Signals zu erzielen. Die I- und Q-Datenkanäle können unabhängig voneinander aktiviert oder deaktiviert werden, wodurch die Erzeugung von DPSK- oder DQPSK-Signalen ermöglicht wird. Abschließend formt der dritte Mach-Zehnder-Modulator die optischen Ausgangsimpulse, um zwischen NRZ- und RZ-Signalen zu wählen. Abbildung 2 zeigt beispielsweise das Augendiagramm eines 21,4-Gbit/s-RZ-DQPSK-Signals, aufgenommen mit einem DPSK-Empfänger (SHF 47211A). Derselbe Hersteller bietet auch eine weitere Version eines optischen DQPSK-Senders (SHF 46214A) an, der Geschwindigkeiten von bis zu 100 Gbit/s erreicht, allerdings im NRZ-Verfahren. Ein weiteres Beispiel für einen Modulator ist der von COVEGA. Es handelt sich um einen (D)QPSK-Modulator, der auf zwei Mach-Zehnder-Interferometern basiert und auch die Erzeugung von Einseitenbandsignalen mit unterdrücktem Träger (SSB-SC) ermöglicht. Abbildung 3 zeigt das Gerät.

Des Weiteren wurde kürzlich die Verwendung resonanter Mikro-Ringstrukturen für die Realisierung von DPSK-Modulatoren und -Demodulatoren vorgeschlagen. Bisher wurden solche Bauelemente zur Realisierung von Intensitätsmodulatoren eingesetzt, die die optische Ausgangsleistung durch Verschiebung der Resonanzspitze des Resonators zwischen „Ein“- und „Aus“-Zustand umschalten. Diese Verschiebung lässt sich durch Variation der Ladungsträgerdichte und damit des Brechungsindex des Rings, durch Anlegen einer bestimmten elektrischen Spannung oder durch Injektion von Ladungsträgern erreichen.

 

Der Ringradius liegt typischerweise im Mikrometerbereich, und der Gütefaktor des Resonators beträgt etwa 10.000. Das grundlegende Funktionsprinzip wird im Folgenden erläutert. Bei einer Verschiebung der Resonanzspitze kann das kontinuierliche optische Signal entlang des zentralen Bereichs des Phasenprofils eine Phasenänderung von bis zu p Radiant erfahren (siehe Abbildung 4). Die einzige zu beachtende Voraussetzung ist, dass beide Phasenzustände während der gesamten Bitdauer die gleiche Ausgangsleistung liefern, um so eine NRZ-DPSK-Modulation zu erreichen. In jedem Fall treten während der Bitübergänge aufgrund der Resonanz des Resonators Leistungsminima sowie Frequenzänderungen durch die schnellen Phasenänderungen auf. Da beide Effekte gleichzeitig auftreten, ist dieses Problem jedoch minimal.
Soll nun ein DPSK-Signal demoduliert werden, kann eine Struktur verwendet werden, die der in Abbildung 5 gezeigten sehr ähnlich ist. Der Hauptunterschied besteht in einem neuen, symmetrisch zum vorherigen angeordneten Wellenleiter. In diesem Fall fungiert die Resonanzstruktur als Bandpassfilter und erzeugt an den beiden Anschlüssen des Geräts zwei Signalarten:
DB (Duobinärsignal) und AMI (Alternativmarkierungsinversion). Beide Signale, DB und AMI, werden einzeln fotodetektiert und elektronisch kombiniert, um einen symmetrischen Detektor für DPSK-Signale zu erhalten. Kommerziell erhältliche DPSK-Demodulatoren funktionieren ähnlich, verwenden jedoch typischerweise ein Interferometer mit Verzögerungsleitung.
Erwähnenswert ist außerdem, dass Kylia kürzlich eine neue Reihe ultraschneller DPSK-Demodulatoren auf den Markt gebracht hat. Deren piezoelektrischer Aktor gewährleistet eine Zeitkonstante von 0,1 s zur Kompensation sehr schneller Signalfrequenzänderungen, im Vergleich zu den 5 s der Konkurrenz.

Formatkonverter.
Die zunehmende Nutzung der DPSK-Modulation in optischen Netzen erfordert zukünftig die Koexistenz verschiedener Modulationsformate und macht die Konvertierung von Signalen zwischen diesen Formaten gängig. Mit steigenden Bitraten wächst jedoch das Interesse, diese Formatänderungen im optischen Bereich durchzuführen und so optoelektronische Konvertierungs- oder Demodulationsprozesse zu vermeiden. Die Forschung in diesem Bereich ist in den letzten Jahren intensiviert worden, und es wurden bereits mehrere Architekturen für Modulationsformatkonverter vorgeschlagen. Im Folgenden
wird ein Beispiel für eine solche Architektur untersucht: ein rein optischer OOK/DPSK-Online-Konverter, der Hochgeschwindigkeitssignale verarbeiten kann.

Die Architektur dieses Konverters ist in Abbildung 6 dargestellt (C. Schmidt et al., ECOC'06). Kernstück ist eine 630 m lange, hochgradig nichtlineare Faser (HNLF), die einfach funktioniert. Die am Konverter eintreffenden OOK-Datenimpulse induzieren Phasenverschiebungen in einer lokal generierten Impulsfolge (LPT) mit einer anderen Wellenlänge, die aus dem wiederhergestellten Taktsignal gewonnen wird. Eine logische „1“ im OOK-Signal erzeugt eine nichtlineare Phasenverschiebung von XPM. Am Ausgang entfernt ein optischer Filter die Eingangswellenlänge. Da dieser Konverter die Signallogik invertiert, ist am Empfangsende ein Decoder erforderlich. Der Konverter wurde in den HHI-Laboren erfolgreich mit 160-Gbit/s-RZ-OOK-Signalen über Glasfaserverbindungen bis zu 320 km demonstriert, was auf eine vielversprechende Zukunft für diese Architektur hindeutet.

 

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