Kohärente optische Kommunikation

Was ist kohärente optische Kommunikation?

Kohärente optische Kommunikation unterscheidet sich von herkömmlicher optischer Kommunikation dadurch, dass auf der Sendeseite kohärente Modulation und auf der Empfangsseite kohärente Technologie zur Detektion eingesetzt wird. Die Lichtsignale während der Übertragung sind jedoch dieselben wie bei der herkömmlichen optischen Übertragung. Kohärente Lösungen erfordern keine teuren EDFA (die bei der Glasfaserübertragung über große Entfernungen oft alle 80 Kilometer eingesetzt werden) und können vorhandene Glasfaserkabel wiederverwenden, was die Systembetriebskosten senkt.

Wie funktioniert Coherent?

Die beiden Schlüsseltechnologien der kohärenten optischen Kommunikation sind die kohärente Modulation auf der Sendeseite und die Heterodyndetektion auf der Empfangsseite. 

Zusätzlich zur Amplitudenmodulation kann der Sender in kohärenten optischen Kommunikationssystemen auch externe Modulationsverfahren wie QAM, PSK und QPSK zur Frequenz- und Phasenmodulation einsetzen. Die zusätzlichen Modulationstechniken erweitern die Informationsübertragungskapazität und ermöglichen flexible Einsatzmöglichkeiten. 

Auf der Sendeseite verwendet die kohärente Optik den auf MZM basierenden IQ-Modulator und wendet die externe Modulation an, um erweiterte Modulationsformate zu erreichen. Die Signale werden zur Ausgabe auf den optischen Träger moduliert.

Wenn die optischen Signale den Empfänger erreichen, beginnt die entscheidende Phase der kohärenten Kommunikationstechnologie. Durch Mischen der Lasersignale des lokalen Oszillators (LO) mit den Eingangssignalen im optischen Mischer werden ZF-Signale erzeugt, die sich regelmäßig mit der Frequenz, Phase und Amplitude des Quellsignals ändern. Nach dem Mischen erfolgt die Detektion mit dem Abgleichempfänger. Anschließend kompensiert der digitale Signalprozessor (DSP) die Verzerrung der optischen Signale während der Übertragung über Glasfaserverbindungen. Nach der DSP-Verarbeitung wird das endgültige elektrische Signal ausgegeben.

Einfach ausgedrückt: Bei kohärenter Kommunikation werden die Signale verstärkt, wenn sie den Empfänger erreichen. Bei nicht kohärenter Kommunikation werden die Signale jedoch beim Übertragungsprozess verstärkt und wiederholt.

Welche Arten von Kohärenz gibt es?

Anhand der optischen Signalfrequenz des lokalen Oszillators (LO) und der gleichen oder ungleichen Signalfrequenzen kann die kohärente optische Kommunikation in drei Typen eingeteilt werden: Heterodyndetektion, Intradyndetektion und Homodyndetektion.

Heterodyne-Erkennung

Der Fotodetektor erfasst Zwischenfrequenzsignale durch Heterodyndetektion, die eine weitere Demodulation erfordert, um sie in Basisbandsignale umzuwandeln.

Homodyn-Detektion und Intradyn-Detektion

Homodyne und intradyne Detektion verursachen weniger Rauschen, wodurch der Stromverbrauch des nachfolgenden DSP und die Anforderungen an zugehörige Komponenten sinken. Diese beiden Ansätze sind in der kohärenten optischen Kommunikation häufiger anzutreffen.

Homodyn detektierte Signale durch einen Fotodetektor sind Basisbandsignale, die eine sekundäre Demodulation ersparen. Diese Detektionsmethode erfordert jedoch, dass die Frequenz der LO-Lichter genau mit der Signalbeleuchtung übereinstimmt und die Phase der beiden fest ist. 

Was sind die Technologien von Coherent?

Digitale Signalverarbeitung (DSP)

Die DSP-Technologie vereinfacht das Systemdesign, spart Kosten und macht Dispersionskompensationsmodule (DCM) und Dispersionskompensationsfasern (DCF) überflüssig. Dies vereinfacht Langstreckenübertragungsverbindungen. Mit der Weiterentwicklung des DSP werden zudem weitere Algorithmen und Funktionen hinzugefügt, wie beispielsweise die nichtlineare Kompensationstechnologie sowie die Multicode-Modulations- und -Demodulationstechnologie.

Polarisationserhaltungstechnologie

Um eine hohe Empfindlichkeit und eine effiziente Erkennung zu gewährleisten, erfordert die kohärente optische Kommunikation eine konsistente Polarisationsrichtung von Signal- und LO-Lichtern, sodass die beiden elektrischen Vektoren übereinstimmen. Zwei Methoden können die Polarisationserhaltung erreichen: 

Verwendung polarisationserhaltender Fasern zur Stabilisierung des Polarisationszustands von Lichtwellen und zum Schutz vor Störungen in der Übertragungsumgebung.

Anwendung von Standard-Singlemode-Faser- und Polarisationsdiversitätstechnologie zur Reaktion auf Polarisationsänderungen.

Technologie zur Frequenzstabilisierung

Die Frequenzstabilität von Lasern ist entscheidend, da kohärente optische Kommunikation auf eine stabile Frequenz angewiesen ist, um die Bitfehlerrate (BER) zu reduzieren. Die Frequenz von Lasern schwankt jedoch mit Temperatur und Stromstärke. Hier kommt die Frequenzstabilisierungstechnologie ins Spiel.

Spectrum Compression-Technologie

Bei der kohärenten optischen Kommunikation ist auch die schmale spektrale Breite der Lichtquelle entscheidend. Eine schmale Linienbreite kann dazu beitragen, den durch Quantenrauschen verursachten Empfindlichkeitsverlust zu reduzieren und das Phasenrauschen zu verringern. Die Spektrumkompressionstechnologie wird häufig eingesetzt, um die Signalzuverlässigkeit zu optimieren und die Anforderungen an die spektrale Breite der Lichtquelle für die kohärente optische Kommunikation zu erfüllen.

Was sind die Anwendungen der kohärenten optischen Kommunikation?

Coherent ist ein fortschrittliches, aber komplexes optisches Kommunikationssystem, das zur Datenübertragung über größere Entfernungen und mit höherer Kapazität verwendet wird.

Kohärente optische Kommunikation wird häufig in der Rechenzentrumsverbindung (DCI), bei der Aufrüstung von WDM-Systemen in Backbone-Netzwerken sowie in 5G-Midhaul- und Backhaul-Szenarien eingesetzt. Auch andere Nischenbereiche wie FTTx und Satellitenkommunikation werden erforscht.