Im vorherigen Artikel dieser Reihe haben wir die Notwendigkeit der Verbesserung der Signalqualität in Glasfaserverbindungen erörtert und die Grundlagen der 3R-Regeneration vorgestellt. Nun werden wir uns eingehender mit einigen Techniken und Technologien befassen, die sich experimentell als Schlüsselkomponenten zukünftiger optischer 3R-Regeneratoren bewährt haben. Konkret untersucht dieser Artikel Taktrückgewinnungssysteme auf Basis eines Fabry-Pérot-Filters, einer PLL oder eines selbstpulsierenden Lasers. Diese Systeme ermöglichen in Kombination mit SOA-MZIs, elektroabsorptiven Modulatoren oder optischen Halbleiterverstärkern den Aufbau von Hochgeschwindigkeits-3R-Regeneratoren.

Synchrone Modulation und Taktrückgewinnung mittels Fabry-Pérot-Filter.
Die synchrone Modulation basiert auf optoelektronischen oder rein optischen Verfahren zur Remodulation des zurückgewonnenen Taktsignals. Das Blockdiagramm des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. Zwei kaskadierte aktive Mach-Zehnder-Interferometer (SOA-MZI) formen die optischen Pulse, die anschließend mit dem Taktsignal remoduliert werden. In diesem Fall wird eine elektronische Taktrückgewinnung eingesetzt, da dieses Signal den HF-Eingang eines elektrooptischen Mach-Zehnder-Modulators speisen muss. Dies begrenzt die maximale Bitrate, mit der der Regenerator arbeiten kann. Um die Machbarkeit des Verfahrens zu demonstrieren, wurden Experimente an einer optischen Zirkulationsstrecke durchgeführt, die aus zwei LEAF-Fasersegmenten mit einer Gesamtlänge von 125 km (65 + 60 km) und Kompensationsfasern besteht. Die in Abbildung 1 dargestellten Ergebnisse bei 10 Gbit/s zeigen eine hervorragende Leistung bis zu Entfernungen von 400.000 km (Z. Zhu et al, JLT, Bd. 25, Nr. 2, S. 504-510), insbesondere im Vergleich zu Messungen ohne Regeneration (1R, einfache Verstärkung).

Das Schlüsselelement dieses Regenerators ist die Taktrückgewinnungsschaltung (CR). Obwohl ein elektrisches Signal zur Stromversorgung des Mach-Zehnder-Modulators benötigt wird, ist eine optische Taktrückgewinnung wünschenswert. Hierfür wurde der Einsatz von Fabry-Pérot-Filtern vorgeschlagen. Diese Filter zeichnen sich durch eine schmalbandige periodische Antwort aus, mit der die Taktfrequenzkomponenten aus dem Signalspektrum extrahiert werden können. Das Taktrückgewinnungssystem besteht aus einem Fabry-Pérot-Filter und einem sättigten optischen Verstärker (SOA) (Abbildung 2). Als Designanforderung muss der freie Spektralbereich (FSR) des Filters der Wiederholrate des Datensignals entsprechen, wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Zudem muss eine mögliche Frequenzdrift der Filterantwort aufgrund von Änderungen der Polarisation des optischen Eingangssignals berücksichtigt werden. Durch Temperaturregelung des Bauelements können Amplitudenänderungen aufgrund von Polarisationsänderungen bis zu 6 dB erreichen. Da das vom Fabry-Pérot-Filter zurückgewonnene Taktsignal Amplitudenschwankungen aufweisen kann, die vom Datenmuster abhängen, insbesondere bei langen Nullsequenzen, wird ein Sättigungs-SOA verwendet, der solche Schwankungen durch Begrenzung der Verstärkung reduziert.

Regeneration mittels elektroabsorptionsmodulatorischer
(EAM) Wellenlängenkonverter sind eine gute Option für die Entwicklung optischer Regeneratoren. Der Vorteil liegt in der geringen Abhängigkeit von der Polarisation des Eingangssignals von unter 1 dB, bedingt durch die Eigenschaften des EAM-Bauelements. Da die Regeneratorarchitektur diese Wellenlängenkonverter nutzt, wird zunächst deren Funktionsweise beschrieben. Der Wellenlängenkonverter verfügt über zwei Eingänge für das Datensignal ls und die kontinuierliche Wellenlänge lp sowie einen Ausgang für das konvertierte Signal (siehe Abbildung 3). Das Eingangssignal muss eine ausreichende Leistung aufweisen, um eine Kreuzsättigung der Absorption zu induzieren. Dadurch interagieren die beiden Signale im EAM, und die kontinuierliche Welle wird durch die gegenläufig zirkulierenden Eingangsdaten moduliert. Bei hohen Datenpegeln sättigt der EAM, und die kontinuierliche Welle durchläuft das Bauelement mit minimalen Verlusten. Umgekehrt tritt bei niedrigen Datenpegeln keine Sättigung des Geräts mehr auf, und die kontinuierliche Welle erfährt eine stärkere Dämpfung. Die Modulation der kontinuierlichen Welle hängt somit direkt vom Datensignalmuster ab. Anders als bei der Kreuzverstärkungsmodulation in SOAs wird das wellenlängenkonvertierte Signal in diesem Fall nicht invertiert. Der Zirkulator dient der Extraktion des wellenlängenkonvertierten Signals, während der optische Filter unerwünschte Reflexionen im EAM eliminiert.
Wie in Abbildung 4 dargestellt, verwendet der optische Regenerator zwei Wellenlängenkonverter (WCs) ähnlich dem in Abbildung 3 gezeigten. Der erste Konverter wandelt das Eingangssignal ls in eine andere Wellenlänge lp um, um die Daten zu duplizieren. Der zweite Konverter stellt dann die ursprüngliche Wellenlänge ls wieder her. Diese Kaskadenschaltung vermeidet Übersprechen im EAM und stellt gleichzeitig sicher, dass das Signal mit exakt derselben Wellenlänge wie das Originalsignal übertragen wird. Dies ist auch nützlich, um Wellenlängenblockierungen an Netzwerkknoten zu verhindern. Das Taktsignal wird elektronisch mithilfe eines Breitband-Fotodetektors, eines hochselektiven (hoch-Q) Filters und einer auf die halbe Taktfrequenz (in diesem Fall 20 GHz) synchronisierten PLL-Schaltung wiederhergestellt. Obwohl optische Wiederherstellungsverfahren vorzuziehen sind, funktioniert diese Schaltung auch bei Bitraten von 40 Gbit/s einwandfrei (T. Otani et al., JLT, Bd. 20, Nr. 2, S. 195–200). Zur 3R-Regeneration wird das Signal im zweiten Wellenlängenkonverter mit dem wiederhergestellten Taktsignal neu abgetastet. Zur Stabilisierung des Betriebs kann die Pulsbreite des Eingangssignals mithilfe einer hochdoppelbrechenden Faser erhöht werden, was die Synchronisation zwischen Eingangssignal und Takt erleichtert. Wie bereits erwähnt, ist dank der geringen Empfindlichkeit der EAMs kein komplexes Polarisationskontrollsystem erforderlich.

Regeneration mittels selbstpulsierender Laser.
Selbstpulsierende Laser wurden in verschiedenen Experimenten als Taktrückgewinnungselemente eingesetzt. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um gepulste Laser, deren Resonator auf die gewünschte Resonanzfrequenz ausgelegt ist. Beim Einspeisen des Datensignals wird so eine Pulsfolge (Taktsignal) erzeugt. Abbildung 5 zeigt eine mögliche Konfiguration mit zwei DFB-Sektionen und einer zentralen Phasensteuerungssektion. Das Gerät wird als PhasCOMB-Laser bezeichnet (C. Bornholdt et al., ECOC'01, Th.F.1.2). Die beiden DFB-Sektionen sind auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt und erzeugen zwei überlappende Moden im Resonator. Dies führt zu einer Schwebung mit einer Frequenz, die sich von der Frequenz der beiden Moden unterscheidet. Für die korrekte Funktion des Geräts ist die Phasensteuerung in der zentralen Lasersektion unerlässlich. Dieses Taktrückgewinnungsverfahren ist bei hohen Geschwindigkeiten einsetzbar und wurde bereits bei 80 GHz und höheren Frequenzen demonstriert.

Die Anwendung in der optischen Regeneration kann so einfach sein wie das Hinzufügen eines selbstversorgenden Verstärkers (SOA) und eines Dauerstrichlasers zum System. Abbildung 5 zeigt das Blockdiagramm eines möglichen 3R-Regenerators. Der selbstpulsierende Laser dient der Taktrückgewinnung, und sein Ausgangssignal wird zusammen mit dem Datensignal und einem Dauerstrichsignal an einen im nichtlinearen Modus arbeitenden SOA als Wellenlängenkonverter angelegt. Innerhalb dieses Verstärkers wird das Datensignal über das Dauerstrichsignal (CW) übertragen, wobei die anderen Signale mittels eines optischen Filters ausgeblendet werden. Dies ist somit eine einfache und kostengünstige Lösung für die optische Regeneration von Hochgeschwindigkeitssignalen.
In diesem Artikel haben wir verschiedene Entwicklungsmöglichkeiten für optische 3R-Regeneratoren analysiert. Es wurden Beispiele sowohl optoelektronischer Technologien als auch photonischer Bauelemente vorgestellt. Alle zeichnen sich durch ihre Fähigkeit zum Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten aus. Im nächsten Artikel werden wir die Analyse um einige weitere Konfigurationen ergänzen.

 

Weitere Informationen oder ein Angebot

 

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