Komponenten optischer Kommunikationssysteme
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Komponenten optischer Kommunikationssysteme WS 2010/11 Prof. Dr.-Ing. Bernhard Schmauß Dipl.-Ing. Michael Holtmannspötter Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik Optische HF-Technik und Photonik [email protected] 1. Einführung - 1 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg Überblick 1. Einführung 2. Halbleiterlaser als Sendeelement Halbleiter-Grundlagen, Emission und Absorption, Strukturierung, Chirp, Pulsbetrieb 3. Externe Modulatoren EAM, MZM, Kennlinien, Chirp, Arbeitspunkt, RZ-Quellen 4. Lichtwellenleiter Herstellung, POF, Glasfaser als Wellenleiter, Moden, lineare / nichtlineare Effekte 5. Optische Verstärker Halbleiter-Verstärker, Faserverstärker, Verstärkerrauschen, Rauschakkumulation 6. Detektoren pn-Photodioden, pin-Photodioden, Avalanche Photodioden, Rauschen von Photodioden 7. Empfänger Bitfehlerwahrscheinlichkeit, Charakterisierung von Empfängern 8. Sonderbauelemente Faserkoppler, Fasergitter, Integrierte optische Bauelemente, Interleaver 1. Einführung - 2 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg Kapitel 1 – Einführung 1. Einführung 1.1 Geschichtlicher Überblick 1.2 Dämpfungsbelag verschiedener Übertragungsmedien 1.3 Optische Nachrichtenübertragung 1.4 Wegbereitende Entwicklungen der optischen Übertragung 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme 1.6 Struktur eines komplexen optischen Übertragungssystems 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme 1. Einführung - 3 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.1 Geschichtlicher Überblick (1) • xxxx • 500 v. Chr. • 18. Jh. • 1792 • 1830 • 1866 • 1876 • 1940 • 1948 • 1975 Rauchzeichen Äschylus schreibt im Drama Agamemnon, wie Hephaistos, der Feuergott, die Nachricht über eine Kette von Leuchtfeuern von Berg zu Berg übermittelt. Signallampen, Flaggen Relaisstationen für Signallampen: 100km, 1bit/s Telegraphie Morse-Code (digital): 1000km, 10bit/s Erstes Transatlantik-Kabel Telefon (analoge Übertragung) Erstes Koaxsystem: 3MHz, 300 Kanäle (Limit: frequenzabhängige Kabeldämpfung) Erstes Mikrowellensystem: 4GHz, 100Mbit/s Koax-System mit Repeater Abstand: 1km, 274Mbit/s www.efuse.com www.britannica.com 1. Einführung - 4 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.1 Geschichtlicher Überblick (2) Historische Entwicklung des Bandbreite-Länge-Produkts Maß für Systemleistungsfähigkeit: Bandbreite-Länge-Produkt BL richtiger: Bitrate-Länge-Produkt Einheit: [BL] = (bit/s) km Begrenzt durch: • Dämpfung • Rauschakkumulation • Signalverzerrung 1. Einführung - 5 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.2 Dämpfungsbelag verschiedener Übertragungsmedien 1. Einführung - 6 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.3 Optische Übertragung (1) Empfänger Sender optisch optisch elektrisch Optische Übertragungsstrecke elektrisch Daten-Eingang Daten-Ausgang • Umwandlung eines elektrischen Datensignals in ein optisches Datensignal • Übertragung über optische Übertragungsstrecke • Wiederherstellung des elektrischen Datensignals im Empfänger Ziele: • Fehlerfreie Übertragung • Höchstmögliche Bitrate • Längstmögliche Übertragungsstrecke • Kosteneffektivität 1. Einführung - 7 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.3 Optische Übertragung (2) Sender Empfänger Faser Faser Modulator Laserdiode Signalaufbereitung Verstärker Verstärker Photodiode Daten-Eingang Daten-Ausgang 1. Einführung - 8 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.3 Optische Übertragung (3) Multiplexer 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s Lineares Übersprechen Demultiplexer Verstärkerrauschen O D U 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s Selbstphasen-Modulation Dämpfung Chromatische Dispersion Vierwellen-Mischung Kreuz-Phasen-Modulation Polarisationsmoden-Dispersion Stimulierte Raman-Streuung Stimulierte Brillouin-Streuung Link-Design: Balance zwischen verschiedenen Effekten finden 1. Einführung - 9 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.4 Wegbereitende Entwicklungen der optischen Übertragung (1) Wichtige Entwicklungsschritte: 1960: 60er: Laser (Maiman) Glas als Wellenleiter für Licht Problem Dämpfung: 1960: 1000dB/km 1970: 20dB/km 70er: 1dB/km 1995: 0.2dB/km Dämpfungsminimum bei 1550nm Æ zunächst keine Quellen verfügbar Frühe Systeme mit Multimodefasern 70er: GaAs-Laser als kompakte Quelle bei Raumtemperatur (800nm) Æ Quelle und Übertragungsmedium verfügbar Æ Weltweite Anstrengung im Bereich optische Nachrichtentechnik 1. Einführung - 10 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.4 Wegbereitende Entwicklungen der optischen Übertragung (2) Entwicklung des Bitrate-Länge-Produkts [1] Wellenlängenabstimmung von HalbleiterMaterialsystemen und Fasereigenschaften [14] Die Entwicklung optischer Übertragungssysteme nicht kontinuierlich, sondern durch verschiedene Schlüsselentwicklungen geprägt. Æ Verschiedene Generationen optischer Übertragungssysteme 1. Einführung - 11 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (1) Erste Generation Zweite Generation • 800nm • Multimodefasern • 1300nm • SSMF (standard single mode fiber) • D ≈ 0; a ≈ 0.5dB/km • Durch Dämpfung begrenzt 1978: 50-100Mbit/s ΔL = 10km BL=500 (Mbit/s) km 10-facher Repeaterabstand Æ geringere Installationsund Unterhaltskosten 1979: InGaAsP-Laser bei 1300nm 1981: 2Gbit/s, 44km 1987: 1.7Gbit/s, 50km 1997: 10Gbit/s, 200km (SOA) Dritte Generation • • • • • 1550nm SSMF, Direkt-Detektion (DD) D ≈ 17ps/nm/km a ≈ 0.2dB/km Laser longitudinal singlemodig Durch Dispersion begrenzt 1985: 1990: 1995: 1997: 2000: 2005: 2001: 4Gbit/s, >100km(im Labor) 2.5Gbit/s kommerziell 10Gbit/s Demonstrator 10Gbit/s kommerziell 40Gbit/s Demonstrator 40Gbit/s kommerziell 1.28Tbit/s experimentell 1. Einführung - 12 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (2) Fünfte Generation Vierte Generation • Optische Verstärker • WDM (WellenlängenMultiplex) • Zum Teil auch kohärente Systeme • Repeaterabstand ca.80km 1991: 2.5Gbit/s 4500km 10Gbit/s 1500km 2.4Gbit/s 21000km (Loop) 10Gbit/s 14300km (Loop) 2003: 10Gbit/s 100000km (Loop, Regenerator) • Solitonen-Systeme: Interaktion von Dispersion und Nichtlineare Effekte 1988: 4000km Ramanverstärkung 1989: Erbium Dotierte Faser Verstärker (EDFA) 1991: 2.4Gbit/s, 12000km Sechste Generation • DWDM-Systeme (Dense WDM) 1996: 2.6Tbit/s, 120km 132x20Gbit/s 2000: 7Tbit/s, 50km 176x40Gbit/s 2000: 10Tbit/s, 100km (128+128)x40Gbit/s PolMux, FEC 2001: 5Tbit/s, 12x100km 128x40Gbit/s, FEC 2001: 11Tbit/s, 2x58km 273x43Gbit/s, C,L,S-Band 2002: 3.2Tbit/s, 52x100km 80x42.7Gbit/s, FEC, DPSK 1. Einführung - 13 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (3) Wachstum der Faserübertragungskapazität und des Bandbreite-Länge-Produkts Terabit Experimente 1 10 100 Tbit/s 100 10 Bitrate-Länge-Produkt 1,0E+08 1 1 10 100 1000 Kanal-Bitrate 10000 1,0E+07 Gbit/s km Kanalzahl 1000 1999 2000 2001 2002 2005 2007 2008 2009 2010 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 Jahr 1. Einführung - 14 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (4) Zukünftige Systeme der siebten Generation: DWDM mit phasenmodulierten Signalen 2002: 2005: 2007: 3.2Tbit/s, 52x100km, 80x42.7Gbit/s, FEC, DPSK 2.5Tbit/s, 160km, 80Gbit/s ETDM, PolMux, DQPSK (single channel) 25.6Tbit/s, 160x2x85Gbit/s, PolMux, DQPSK Beispiel: 2.56Tbits/s (O)TDM Experiment (ECOC 2005 PD 4.1.2) 1. Einführung - 15 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (5) 2009: 5.1Tbit/s, OTDM OFC 2009 PDPC6 (FhG HHI, Berlin) 1. Einführung - 16 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.5 Generationen optischer Übertragungssysteme (6) Beispiel: 25.6Tbit/s Experiment (WDM, ETDM), OFC2007, PDP 19 1. Einführung - 17 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.6 Struktur eines komplexen optischen Übertragungssystems Struktur eines komplexen optischen Übertragungssystems MUX: Multiplexer DMUX: Demultiplexer OCC: 1. Einführung - 18 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg Optical Cross Connect 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität (1) Triebkräfte für den Anstieg der Kapazität optischer Übertragungssysteme: • Zunahme an Telefonie (ca. 5 - 10% pro Jahr) • Datenverkehr im Internet (bis zu 100% pro 1.5 – 2 Jahre) Z.B.: Video on demand, tripple play, quadrupel play, …. Die Erhöhung der Übertragungskapazität besonders durch: • Erhöhung der Übertragungsrate eines optischen Signals (TDM) • Parallelisierung mehrerer optischer Signale verschiedener Wellenlänge (WDM) Weitere Techniken zur Erhöhung der Übertragungskapazität: • Erhöhung der spektralen Effizienz durch mehrstufige Modulationsformate • Kapazitätsverdopplung durch Polarisationsmultiplex 1. Einführung - 19 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität (2) Zeitbereichsmultiplex (TDM) • Datenrate in elektrischen Multiplexern begrenzt durch verfügbare Halbleitertechnologien • 43Gbit/s Systeme verfügbar • 85Gbit/s und 100Gbit/s ETDM Systeme demonstriert 1. Einführung - 20 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität (3) 2 Standards: SDH and SONET • SDH (Synchrone Digitale Hierarchie – Europa, Japan) • SONET (Synchronous Optical Network – Nord Amerika) • Grundbitrate:155.52Mbit/s = 3 x 51.84Mbit/s (2Mbit/s x 3 x 7); 10Gbit/s≈120 000 Telefonate SONET Bitrate Level Name Mbit/s STS-1 OC-1 51.840 STS-3 OC-3 STS-12 OC-12 SDH Level Name 155.520 1 STM-1 622.080 4 STM-4 16 STM-16 Gbit/s STS-48 OC-48 2.5 STS-192 OC-192 10 64 STM-64 STS-768 OC-768 40 256 STM-256 • Neue Systeme: FEC (forward error correction) Æ 7% höhere Bitrate bei Overhead-Übertragung 1. Einführung - 21 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.7 Erhöhung der Übertragungskapazität (4) Wellenlängenmultiplex (WDM) Mehrstufenübertragung • Mehrstufige Übertragungsverfahren zunehmend für die optische Übertragungstechnik im Einsatz • Aussichtsreichstes Übertragungsformat in kommerziellen Produkten: DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) Æ Weitergehende Diskussion der Mehrstufen-Übertragungsverfahren ÆVorlesung Optische Übertragungstechnik 1. Einführung - 22 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (1) Einsatz für nahezu alle Entfernungsbereiche kurzreichweitige Lösungen als • Transozeanischen (Untersee-) Systeme • Gebäudenetze ~7.000km bzw. ~10.000km • Terrestrische Weitverkehrssysteme ~1.000km • Metronetze ~ 200km • Optische Zugangsnetze ~ 20km Metro Oceanic • Fahrzeugnetze (z.B. MOST-Bus in KFZ) • Intrasystemverbindungen • Optical Backplane Access Core 1. Einführung - 23 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (2) MOST-Bus für automobile Anwendungen (Media Oriented System Transport) 1. Einführung - 24 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (3) www.alcatel-lucent.com 1. Einführung - 25 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (4) 1. Einführung - 26 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.8 Einsatz optischer Kommunikationssysteme (5) Zunahme installierte Faser im Jahr 2005 (Mio km) 6,8 Nordamerika 3,4 23,8 10,2 China Japan Westeuropa Asien Rest 10,2 Welt Rest 13,6 • Nachfrage nach optischen Fasern 2005: 68Mio km • 68 Mio. km/Jahr Æ 7800 km/h Æ 2,15 km/s 1. Einführung - 27 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg 1.8 Faseroptische Kommunikation in Zahlen • Dämpfung: 0.2dB/km Æ Halbierung der Intensität nach 15km Bitrate: 10Gbit/s, 40Gbit/s Æ120000, 480000 Telefonate • Bit-Dauer: 40Gbit/s Æ 25ps Ein Bit in der Faser: 5mm Länge • Rekord-Bitrate (Einzelkanal): 2.56Tbit/s • Kapazität: Experimentell ca.25Tbit/s Æ 320 Mio. Telefonate • Abdeckbare Entfernungsbereiche: lokal, terrestrisch, transozeanisch • Fehler: Bitfehlerwahrscheinlichkeit 10-16 im Schnitt alle ca.12 Tage ein Fehler in Entfernungen: 1m ÅÆ 1 Lichtjahr 1. Einführung - 28 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
