Einführung in kohärente Optik

Entwicklung der kohärenten Optik

Die Entwicklung der kohärenten Optik muss im Zusammenhang mit dem Aufkommen und der Entwicklung der Glasfaserkommunikation erwähnt werden. Der Beginn der Glasfaserkommunikation geht auf das Jahr 1966 zurück, als Charles K. Kao, der Vater der Glasfaserkommunikation, Quarzglasfaser als Übertragungsmedium vorschlug und damit 

die Grundlage für das Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkommunikationssystem schaffen.

Und seit den 1980er-Jahren hat die optische Kommunikation mit der Verringerung der Glasfaserverluste und der kontinuierlichen Entwicklung optischer Kommunikationskomponenten wie Halbleiterlasern und Fotodetektoren eine explosive Entwicklung erfahren.

In den frühen 1990er-Jahren war die bedeutendste Erfindung im Bereich der optischen Kommunikationssysteme der erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA), der das Signal an der Relais- oder Empfangsstelle verstärken kann und damit die Grundlage für optische Langstreckenkommunikation legte. Bis heute gilt EDFA weiterhin als die am weitesten verbreitete und zuverlässigste Technologie für optische Verstärker. Etwa im gleichen Zeitraum wurde auch die DWDM-Technologie (Dense Wavelength-Division Multiplexing) entwickelt, die den Bereich niedriger Absorption der Faser vollständig nutzt und die Übertragungskapazität optischer Kommunikation erheblich erhöht. 

Basierend auf der Kombination von EDFA- und DWDM-Technologie wurde das intensitätsmodulierte/direkt detektierende (IM/DD) optische System weit verbreitet eingesetzt. IM/DD bietet eine kostengünstige und einfache Lösung für Glasfaserübertragung mit großer Kapazität und über große Entfernungen, daher entwickelte sich kohärente Optik aufgrund ihrer hohen Kosten und komplexen Technologien eine Zeit lang nur langsam.

Nach dem Eintritt ins 21. Jahrhundert stellt das optische Kommunikationssystem angesichts des stark zunehmenden Netzwerkverkehrs höhere Anforderungen an Übertragungskapazität und Qualität. EDFA- und WDM-Technologie sind begrenzt, und Anbieter optischer Kommunikation müssen dringend neue technologische Durchbrüche finden, um die Übertragungskapazität zu verbessern. Um die Anforderungen zu erfüllen, muss das optische Kommunikationssystem den Faserddispersionseffekt weiter überwinden, die Übertragungskapazität innerhalb der begrenzten Bandbreite verbessern und die Empfängerempfindlichkeit erhöhen, um eine größere Übertragungsdistanz zu erreichen. Daher tritt die kohärente optische Technologie in eine Phase schneller Entwicklung ein. Im Vergleich zum traditionellen optischen IM/DD-System bietet das kohärente optische Kommunikationssystem die Vorteile hoher Empfindlichkeit, großer Übertragungsdistanz und hoher Kommunikationskapazität. Kohärente Technologie hebt die Übertragungskapazität optischer Kommunikationssysteme auf ein höheres Niveau.

Definition kohärenter Optik

Kohärente Optik verwendet kohärente Modulation am Sender und kohärente Detektionstechnologie am Empfänger. Im Vergleich zum herkömmlichen IM/DD-Kommunikationssystem ermöglicht kohärente optische Kommunikation größere Übertragungsdistanzen und eine bessere Kommunikationsqualität.

Die folgende Abbildung zeigt das grundlegende Funktionsprinzip der kohärenten optischen Kommunikation. Am Sender wird das Signal mithilfe externer Modulation in Form von Amplitudenmodulation, Phasenmodulation oder Frequenzmodulation auf den optischen Träger moduliert und anschließend ausgesendet. Am Empfänger wird das Signal mit der lokalen Oszillation (optisches Signal, das vom lokalen optischen Oszillator erzeugt wird) im optischen Mischer gemischt und anschließend an einem symmetrischen Detektor erfasst. Schließlich wird das Signal durch digitale Signalverarbeitung (DSP) verarbeitet und ausgegeben.

Funktionsprinzip der kohärenten optischen Kommunikation

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen nichtkohärenter Optik und kohärenter Optik zusammen.

Kohärente vs. nichtkohärente Optik

Vorteile kohärenter Optik

• Verbessert die Empfindlichkeit des Empfängers. Im kohärenten optischen Kommunikationssystem ist der Ausgangsfotostrom nach der kohärenten Mischung proportional zum Produkt aus optischer Signalleistung und optischer Leistung des lokalen Oszillators. Da die Leistung des lokalen Oszillators wesentlich größer ist als die des Signallichts, steigt der Ausgangsfotostrom erheblich an, und die Detektionsempfindlichkeit erhöht sich entsprechend. Unter denselben Bedingungen kann der Empfänger der kohärenten optischen Kommunikation im Vergleich zur herkömmlichen inkohärenten optischen Kommunikation die Empfindlichkeit um 20dB verbessern, was einer 100-fachen Verbesserung gegenüber der herkömmlichen inkohärenten optischen Kommunikation entspricht.

• Ermöglicht längere Übertragungsdistanzen. Eine erhöhte Empfängerempfindlichkeit ermöglicht es, die relaislose Übertragungsdistanz von Dutzenden von Kilometern auf Tausende von Kilometern zu erhöhen.

• Mehrere Modulationstypen. In herkömmlichen optischen Kommunikationssystemen gibt es nur ein Modulationsformat: Intensitätsmodulation. In der kohärenten optischen Kommunikation können jedoch zusätzlich zur Amplitudenmodulation auch PSK, DPSK, QAM usw. verwendet werden, was den Anwendungen Flexibilität verleiht. Darüber hinaus reagiert der herkömmliche optische Empfänger nur auf Änderungen der optischen Leistung, während die kohärente Detektion alle Informationen erfassen kann, die von Amplitude, Frequenz, Phase und Polarisationszustand getragen werden. 

• Leistungsstarke DSP-Technologie. Die kohärente Technologie nutzt digitale Signalverarbeitung (DSP), um Dispersion, Polarisationsmodendispersion (PMD) und nichtlineare Effekte der Glasfaserstrecke auszugleichen und zu kompensieren sowie die Toleranz gegenüber Streckendispersion und ROADM-Filtern zu verbessern, sodass die Anzahl der Relais bei Übertragungen über extrem lange Distanzen minimiert werden kann.

Kohärente optische Technologie

Zu den wichtigsten Merkmalen der kohärenten optischen Technologie gehören:

• Externe Modulationstechnologie: Wenn ein bestimmter Parameter des optischen Trägers des Halbleiterlasers direkt moduliert wird, kommt es stets zu parasitären Schwingungen anderer Parameter. Beispielsweise wird die direkte ASK-Modulation von einer Phasenänderung begleitet, und die Modulationstiefe ist begrenzt. Daher verwenden im kohärenten optischen Kommunikationssystem, mit Ausnahme von FSK, das den direkten Injektionsstrom zur Frequenzmodulation nutzen kann, alle anderen Verfahren eine externe optische Modulation.

• Polarisationserhaltende Technologie: Um einen guten Mischeffekt zu erzielen und die Empfangsempfindlichkeit zu verbessern, müssen im kohärenten optischen Kommunikationssystem das Signallicht und der lokale Oszillator die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen. Nach der Langstreckenübertragung durch Singlemode-Faser ist der Polarisationszustand zufällig. Daher wurden viele Polarisationssteuerungsverfahren vorgeschlagen, wie z. B. polarisationserhaltende Faser, Polarisationsregler und Polarisationsdiversity-Empfang.

• Frequenzhaltungstechnologie: In der kohärenten optischen Kommunikation ist die Frequenzstabilität von Halbleiterlasern sehr wichtig. Die Frequenz des Lasers reagiert sehr empfindlich auf Änderungen der Betriebstemperatur und des Stroms. Wenn die Frequenz des Lasers bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen driftet, wirkt sich dies auf den Zwischenfrequenzstrom aus und erhöht somit die Bitfehlerrate.

• Spektrumkompressionstechnologie: Die spektrale Breite der Lichtquelle ist auch in der kohärenten optischen Kommunikation sehr wichtig. Um den Einfluss von FM-Rauschen auf die Empfängerempfindlichkeit zu überwinden, muss die schmale Linienbreite der Lichtwellen sichergestellt werden. Je schmaler die Linienbreite, desto geringer das durch die Phasenverschiebung verursachte Phasenrauschen.

Kohärenter optischer Transceiver

Kohärente optische Transceiver sind die wichtigste Lösung für Langstrecken-Backbone-Netzwerke und Metropolitan Area Networks (MANs). Ganz am Anfang nutzten kohärente optische Transceiver den CFP-Formfaktor, der auch als CFP-DCO (digital coherent optics) bezeichnet wird. Der kohärente CFP-DCO-Transceiver ist 82mm breit und der maximale Verbrauch beträgt bis zu 24W. Allerdings sind geringer Verbrauch, kleiner Formfaktor, höhere Datenrate und niedrige Kosten stets das Ziel der optischen Kommunikation, daher wurde der kohärente optische CFP2-Transceiver entwickelt, der auch als CFP2-ACO (analog coherent optics) bezeichnet wird. Er ist 41.5m breit, und die maximale Leistungsaufnahme beträgt 12W. Der technologische Fortschritt lässt sich nicht aufhalten. In den letzten Jahren wurden kleinere Formfaktoren mit höherer Geschwindigkeit und niedrigerem Stromverbrauch eingeführt, wie 400G OSFP DCO und QSFP-DD DCO, wie die folgende Abbildung zeigt.

Zusammenfassend lässt sich der Entwicklungstrend kohärenter optischer Module wie folgt zusammenfassen.

• Hohe Geschwindigkeit: Von 100G/200g bis 400G und sogar 800G.

• Miniaturisierung: von 100G MSA bis CFP/CFP2DCO/ACO. Heute werden auch 400G OSFP DCO und QSFP-DD DCO eingeführt.

• Niedriger Stromverbrauch: Unter Berücksichtigung der Leistungsaufnahmeanforderungen des Gesamtsystems wurde beispielsweise die Leistungsaufnahme von kohärenten optischen Modulprodukten im QSFP-DD-Formfaktor auf weniger als 15W begrenzt.

• Standardisierung und Zusammenschaltung: Traditionell verwenden verschiedene Gerätehersteller ihre eigenen entwickelten speziellen Schnittstellenkarten sowie proprietäre Modulationsverfahren höherer Ordnung und FEC-Algorithmen, was dazu führt, dass die Schnittstellen verschiedener Hersteller nicht miteinander verbunden werden können. Die Zusammenschaltung kohärenter optischer Module ist die zukünftige Richtung der Branche.

Die kohärenten optischen Module werden in den nächsten Jahren ein explosionsartiges Wachstum erleben. QSFPTEK kann kohärente Optiklösungen und Transceiver anbieten. Besuchen Sie gerne www.qsfptek.com und kontaktieren Sie den technischen Support von QSFPTEK.