IXIX OptoelektronischeOptoelektronische KomponentenKomponenten

Anforderungen und Probleme für optische Nachrichtentechnik

••Optische NetzeOptische Netze••Optische FasernOptische Fasern••Konzepte zur Erhöhung der BandbreiteKonzepte zur Erhöhung der Bandbreite••VerstärkerVerstärker••Chromatische DispersionChromatische Dispersion••PolarisationsmodendispersionPolarisationsmodendispersion••SignalregenerationSignalregeneration••FilterFilter

IX.1 Aufbau eines DWDMIX.1 Aufbau eines DWDM--SystemsSystems

Dense wavelength division multiplexing

Abb.IX.1: Komponenten eines DWDM-Systems

IX.2 Moderne optische FasernIX.2 Moderne optische Fasern

TeraLight SMF E-LEAF Truewave-RS MetroCorDispersion @ 1550nm

(ps/nm.km)Dispersion slope

(ps/nm2.km)Effective area

(µm2)

-88 17 4,2 4,5

~0.08

65 80 72 55 ~50

0,058 0,058 0,085 0,045

„C“Band

„L“ Band

„S“ Band

1550 160015001400 1700

+20

Dispersion (ps/nm

/km)

+10

0

-10

Standard SMF(G.652)

TeraLightTM

Truewave-RSE-LEAF

Atte

nuat

ion

(dB

/km

)

1300 Wavelength (nm)0

1.0

0.5

Waterpeak

„E“ Band

„O“Band

„U“ Band

Spectral bands according to

ITU/SG15Draft G.dsn

→ Die wahrscheinlich längste Komponente...

Abb.IX.2: Dämpfung und Dispersion moderner Fasern

Tab.IX.1:Dispersion und Querschnittsflächen von Fasern

Geringe Verluste in Glasfasern nur in beschränkten Spektralbereichen

IX.2 Welche Fasern wofür?IX.2 Welche Fasern wofür?

Abb.IX.3: Einsatzbereiche verschiedener Fasertypen

Brechzahl immer zwischen 1,4 und 1,7

IX.2IX.2 PropagationPropagation in der Faserin der Faser

2 22core cladding

dV n nπλ

= −

Abb.IX.4: Propagation in einer Faser (Strahlenoptik)

Anzahl der geführten Moden:

IX.2IX.2 PropagationPropagation in der Faserin der Faser

Transversale Moden

Abb.IX.5: Propagation in einer Faser (Moden)

IX.2 FaserprofileIX.2 Faserprofile

In Fasern mit unterschiedlich radialem Brechzahlverlauf kann die Dispersion maßgeschneidert werden.

Abb.IX.6: Zusammenhang Dispersion und Faserprofil

IX.2 Herstellung von GlasfasernIX.2 Herstellung von Glasfasern

Preform machen: CVD-Prozess

Abb.IX.7: Herstellung der Preform

IX.2 Struktur von amorphem Quarzglas IX.2 Struktur von amorphem Quarzglas

kristallin

Abb.IX.8: Kristallstruktur von SiO2

IX.2 Herstellung von GlasfasernIX.2 Herstellung von Glasfasern

Ziehen und beschichten

•Billige Technologie für dünne Strukturen (single-mode)•Rauheiten und Inhomogenitäten werden geglättet, Verluste minimiert

Abb.IX.9: Ziehen von Glasfasern

IX.2 Aufbau einer GlasfaserIX.2 Aufbau einer Glasfaser

9µm

Typischer Verlust: 0,2 dB/km0,2 100/10

0/ 10 0,01T I I −= = =i

Abb.IX.10: Aufbau einer Glasfaser

Nach 100km:

IX.2 Neue GlasfasernIX.2 Neue Glasfasern

Abb.IX.11: „Holey-Fiber“

Geringere Verluste mit photonischenKristall-Fasern?

IX.3 Erhöhung der BandbreiteIX.3 Erhöhung der Bandbreite

need for morebandwidth?

want to pay formore bandwidth?

Higher frequencies More λPolarization mux New fibers

CD PMD

>10GHz

Cost-effectiveelectronics

λ channels λ range

Cost-effectivefilters

AWGs

Amp

Yes, 55%-85% increase until 2005No, thanks (in 2002)

Egal, welchen Weg man einschlagen möchte zur Erhöhung der Bandbreite, man braucht neue bzw. verbesserte optoelektronische Komponenten

Abb.IX.12: Wege zur Erhöhung der Bandbreite

IX.3 Wahl der IX.3 Wahl der MuxMux--Technik hängt vom Umfeld ab Technik hängt vom Umfeld ab

splitter, λ-muxor fiber switch

DWDM

multiple fiberand / or WDM

λ or fiber

Metro Core:DWDM

Metro Accessfeeder:fiber /

C(D)WDMMetro Access

drop:fiber /

C(D)WDM

Mux technology:

Abb.IX.13: Netzwerk-Klassen

IX.3 Bisherige Rekorde IX.3 Bisherige Rekorde

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Cap

acity

(Tb/

s)

Link Length (x1000 km)

Ultra-long haulterrestrialsystems

Ultra-highcapacity

terrestrialsystems

Regeneratedsystems

Ultra-long haulterrestrialsystems

Ultra-highcapacityterrestrialsystems

Ultra-long haulsubmarine systems

40G, NEC

Competitors

40G, Tycom

40G, Lucent

40G, Lucent

40G, Mintera10G, Alcatel

40G, Alcatel

40G, Alcatel40G, Alcatel

10G, Alcatel

40G, Alcatel

Alcatel

Former ULH

Alcatel, submitted

Status OFC’02 PDP

Je höher die Bandbreite, desto schwieriger die Übertragung über lange Strecken.10Tbit/s entspricht etwa dem gesamten Traffic(Internet und Telefon) Deutschlands über eine einzige Faser!

Abb.IX.14: Übersicht Bandbreitenrekorde

IX.3 Zeitliches optisches MultiplexenIX.3 Zeitliches optisches Multiplexen

→ Mehr Bandbreite über eine Faser

Abb.IX.15: Schema optisches Zeitmultiplexen

IX.3 Entwicklung des optischen ZeitmultiplexensIX.3 Entwicklung des optischen Zeitmultiplexens

100

160200

320400

640

1280

100

1000

10000

10 100 1000 10000

Single channel bit rate [Gbit/s]

Tota

l bit

rate

[Gbi

t/s]

OTDMhybrid WDM-OTDM

N=10 N=1 N=20

NTT(1993), Lucent (1999)

NTT(1995), Lucent (1999), HHI (1999), Agere (2001),Alcatel (2002), Nortel (2002)

NTT(1995)

NTT(1998), Lucent (2000)

NTT(1996)

NTT(1998)

NTT(2000)

19x160GNTT(1999)

6x160GLucent (2001)

10x100GNTT(1999)

4x160GAlcatel (2002)

40x80GAgere(2002)

Abb.IX.16: Entwicklung von OTDM

IX.3 Entwicklung der ModulationsverfahrenIX.3 Entwicklung der Modulationsverfahren

1980 1990 2000 2010

year

100 Mbit/s

1 Gbit/s

10 Gbit/s

100 Gbit/sFirst research results

OTDM

Estimated period from first prototype (field)

testing to main implementation

phase

Bitrate

10Gbit/s

40Gbit/s ?

80Gbit/s ??

2.5 Gbit/s

622 Mbit/s

155 Mbit/s

640Gbit/s

SMF1300 nm

WDMEDFA

1550 nm

Abb.IX.17: Historische Entwicklung der Bitraten

IX.4 Verstärker: IX.4 Verstärker: SOAsSOAs

Elektrische Inversion wird durch stimulierte Emission abgeräumt

→ Das Signal wird schwächer

Abb.IX.18: Schema SOA

Abb.IX.19: Aufbau eines SOAs

Abb.IX.20: Fertiger SOA

IX.4 Verstärker: IX.4 Verstärker: RamanRaman

Raman Streuung:Abgabe/Aufnahme eines optischen Phonons

Raman Verstärker: So ähnlich wie stimulierte Emission unter Abgabe eines optischen Phonons

Abb.IX.21: Raman-Streuung

Abb.IX.22: Schema eines Raman-Verstärkers

IX.4 Erbium dotierte FaserverstärkerIX.4 Erbium dotierte Faserverstärker

Erbium im SiO2ergibt neue Zustände mit passenden Lebensdauern

Spezielle Faser ermöglicht breitbandige Verstärkung

Übergang Faserverstärker Übergang Faserverstärker –– integrierter Verstärkerintegrierter Verstärker

Abb.IX.23: Energieschema Erbiumdotierung

Abb.IX.24: Schema Erbiumverstärker

IX.4 IX.4 BreitbandigeBreitbandige VerstärkungVerstärkung

Abb.IX.25: Verstärkungsspektren Raman- und Erbiumverstärker

Ziele:•Viele Kanäle mit einem Verstärker abdecken•Konstante Verstärkung

IX.5 Chromatische Dispersion IX.5 Chromatische Dispersion

→ Das Signal „zerfließt“ unterwegs

Abb.IX.26: Ursache für chromatische Dispersion

IX.5 Chromatische DispersionIX.5 Chromatische Dispersion

Abb.IX.27: Pulsüberlapp bei chromatischer Dispersion

Höhere Modulationsfrequenzen führen zuHöhere Modulationsfrequenzen führen zugeringerem Pulsabstandgeringerem PulsabstandMehr Dispersion wegen größerer spektraler Mehr Dispersion wegen größerer spektraler Breite eines PulsesBreite eines Pulses

IX.5 RegenerationIX.5 Regeneration

opt.

pow

er

time

degraded input

regenerated output

clockrecoveryRe-timing

amplifierRe-amplification

decisionRe-shaping

→ Das Signal ist nicht mehr gut detektierbar

Abb.IX.28: Probleme der Signalregeneration

IX.5 PolarisationsmodendispersionIX.5 Polarisationsmodendispersion

→ Das Signal „zerfließt“ unterwegs

faster PSP

slower PSPSin

constant polarisation variable polarisation along pulse

first-orderPMD

birefringentelement = ∆τ: DGDγ

1−γ

Abb.IX.29: Dispersion durch Doppelbrechung

•Doppelbrechung ändert sich mit der Zeit•Statistische Natur erfordert angepasste Kompensation

IX.5 PolarisationsmodendispersionIX.5 Polarisationsmodendispersion

Beispielrechnung: PMD @ 40 Gbit/s: PMD < 4 ps(16 % der Bitlänge) nötig für fehlerfreie Übertragung

Angenommene PMD der Faser 0,15ps/√km

PMDfiber 1.5ps/ √km 0.08ps/ √km

max Link length

6km 1500km

PMD-Kompensation ist wichtig für große Faserstrecken, nur 70 % der vorhandenen verlegten Fasern können über mehr als 1000km Strecke betrieben werden!

IX.6 Gewünschte FiltercharakteristikIX.6 Gewünschte Filtercharakteristik

→ Wellenlängenmultiplexen

Abb.IX.30: Filtercharakteristik eines Wellenlängenkanals

IX.6 Filtercharakteristik für MehrkanalsystemeIX.6 Filtercharakteristik für Mehrkanalsysteme

Abb.IX.31: Filtercharakteristik mehrerer Wellenlängenkanäle

IX.6IX.6 ArrayedArrayed waveguide waveguide gratinggrating

Layout 40x50 GHz Layout 40x50 GHz chip auf 4” chip auf 4” Si Si waferwafer

Abb.IX.32: Layout von AWGs auf einem Wafer

IX.6 Funktionsweise AWGIX.6 Funktionsweise AWG

Abb.IX.33: Schema eines AWGs

Grundidee wie bei der Beugung am Gitter: Gangunterschied macht konstruktive Interferenz für eine bestimmte Wellenlänge in einer bestimmten Richtung

IX.6 Charakteristik AWGIX.6 Charakteristik AWG

GaussianGaussian 40 channels40 channels

Loss (max) 3.5 dB

Crosstalk(within +/-0.10 nm clear window)

non-adj. ch. -39.0 dBtotal crosstalk -27.0dB

Loss (max) 3.5 dB

Crosstalk(within +/-0.10 nm clear window)

non-adj. ch. -39.0 dBtotal crosstalk -27.0dB

Abb.IX.34: Filtercharakteristik eines AWGs

ChromatischeChromatische Dispersion <10ps/nmDispersion <10ps/nm

IX.6 DünnschichtfilterIX.6 Dünnschichtfilter

Funktionsweise: Viele dielektrische Spiegel.

Anzahl der Filterkomponenten steigt linear mit der Kanalzahl an. Dünnschichtfilter sind daher für viele Kanäle (>16) ungeeignet.

Abb.IX.35: Schema Dünnschichtfilter

IX.6IX.6 RingresonatorenRingresonatoren

Input

Output (peak)

Output (notch)

Input Output (notch)0

1

1549.85 1550.00

Wavelength (nm)

Tran

smis

sion

FSR

1st step - ringresonators

0

0.5

1549.85 1550.00

Wavelength (nm)

Tran

smis

sion

Abb.IX.36: Schema Ringresonatoren

IX.6 Faser IX.6 Faser Bragg Bragg GitterGitter

Funktionsweise: 1D dielektrisches Spiegel

Abb.IX.37: Schema Faser Bragg Gitter

Abb.IX.38: Faser Bragg Gitter mit Zirkulator

Abb.IX.39: Faser Bragg Gitter mit Phasensprung

IX.6 IX.6 PlanaresPlanares GitterGitter

Vgl. geblaztesGitter im Monochromator

Abb.IX.40: Schema planares Gitter

Abb.IX.41: Mikroskopaufnahme planares Gitter

IX.6 Elliptische GitterIX.6 Elliptische Gitter

Concentric elliptic gratings have two foci

Multiple gratings work as DEMUX

Abb.IX.42: Schema eines elliptischen Reflexionsgitters

AT&T 1990AT&T 1990

IX.6 „Superprisma“IX.6 „Superprisma“

Abb.IX.43: Filtereigenschaften eines „Superprismas“

IX.6 Hauptproblem: Gewünschte Charakteristik treffenIX.6 Hauptproblem: Gewünschte Charakteristik treffen

grating is too long/short/thick/thin index not proper (homogeneously)

Center wavelength does not fit to ITU

Tune the temperatureVernier principle

(multiple inputs and outputs)Grating inhomogeneous

High crosstalk

UV trimmingKonzepte zur Kompensation der Filtercharakteristik, um doch innerhalb der Toleranzen zu bleiben.

Abb.IX.44: Probleme zur Abstimmung von AWGs

IX.6IX.6 Athermische AWGsAthermische AWGs

Abb.IX.45: Kompensation der thermischen EffekteWichtige Anforderung: Alles soll stabil laufen,

unabhängig von der Temperatur

IX.6IX.6 Athermische AWGsAthermische AWGs

Abb.IX.46: Kombiniertes System aus Polymer und SiO2

IX.6IX.6 Athermische AWGsAthermische AWGs

Abb.IX.47: Bimetall-Ansatz zur Temperaturkompensation

IX.6IX.6 Athermische AWGsAthermische AWGs

Chip

slab waveguide at input side

input fibre holder

Phased Array Chip

post for fixing

compensating rod

x

Abb.IX.48: Justage-Ansatz zur Temperaturkompensation

IX.6 MaterialwahlIX.6 Materialwahl

yes

yes

Tab.IX.2: Vergleich der Materialien

IX ZusammenfassungIX Zusammenfassung

Optische Nachrichtentechnik erfordert

•Optimiertes Zusammenspiel zwischen Materialeigenschaften und –kosten

•Je nach Ansatz für höhere Bandbreiten (Mux) unterschiedliche optoelektronische Komponenten

•Weiterentwicklungen hinsichtlich Wellenlängenstabilität, Filtercharakteristik, Hochfrequenz-Eigenschaften und Signal-Rausch-Verhältnis

•Künftig: monolithische Integration vieler Funktionen