Wie wir wissen, wird die WDM-Technologie seit den 1990er Jahren für Glasfaser-Langstreckenverbindungen von Hunderten oder sogar Tausenden von Kilometern eingesetzt. In den meisten Regionen des Landes ist die Glasfaserinfrastruktur das teuerste Kapital, während die Kosten für Transceiver-Komponenten relativ niedrig sind.
Mit der explosionsartigen Zunahme der Datenraten in Netzwerken wie 5G gewinnt die WDM-Technologie jedoch auch bei Kurzstreckenverbindungen zunehmend an Bedeutung, da diese in viel größeren Mengen eingesetzt werden und daher stärker auf die Kosten und die Größe der Transceiver-Baugruppen reagieren.
Derzeit basieren diese Netzwerke noch auf Tausenden von Singlemode-Glasfasern, die parallel über Kanäle im Raummultiplexverfahren übertragen werden, mit relativ niedrigen Datenraten von höchstens einigen hundert Gbit/s (800G) pro Kanal und einer kleinen Anzahl möglicher Anwendungen in der T-Klasse.
Das Konzept der gemeinsamen räumlichen Parallelisierung wird jedoch in absehbarer Zukunft an die Grenzen seiner Skalierbarkeit stoßen und muss durch eine spektrale Parallelisierung der Datenströme in jeder Faser ergänzt werden, um weitere Datenratensteigerungen zu ermöglichen. Dies könnte einen völlig neuen Anwendungsbereich für die WDM-Technologie eröffnen, bei dem maximale Skalierbarkeit hinsichtlich Kanalanzahl und Datenrate entscheidend ist.
In diesem Zusammenhangder optische Frequenzkammgenerator (FCG)spielt eine Schlüsselrolle als kompakte, feste Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen, die eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger liefern kann. Ein besonders wichtiger Vorteil optischer Frequenzkämme besteht darin, dass die Kammlinien intrinsisch frequenzgleich sind. Dadurch entfallen die Anforderungen an Schutzbänder zwischen den Kanälen und die Frequenzkontrolle, die bei einem herkömmlichen Schema mit einem Array von DFB-Lasern für eine einzelne Linie erforderlich wäre.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Vorteile nicht nur für WDM-Sender, sondern auch für deren Empfänger gelten, bei denen diskrete Lokaloszillator-Arrays (LO) durch einen einzigen Kammgenerator ersetzt werden können. Der Einsatz von LO-Kammgeneratoren erleichtert die digitale Signalverarbeitung für WDM-Kanäle zusätzlich, reduziert dadurch die Empfängerkomplexität und erhöht die Phasenrauschtoleranz.
Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von LO-Kammsignalen mit Phasenkopplung für parallelen kohärenten Empfang sogar die Rekonstruktion der Zeitbereichswellenform des gesamten WDM-Signals und kompensiert so Beeinträchtigungen durch optische Nichtlinearitäten in der Übertragungsfaser. Neben diesen konzeptionellen Vorteilen der kammbasierten Signalübertragung sind auch die geringere Größe und die kostengünstige Massenproduktion entscheidend für zukünftige WDM-Transceiver.
Daher sind Chip-Scale-Bauelemente unter den verschiedenen Kammsignalgenerator-Konzepten von besonderem Interesse. In Kombination mit hochskalierbaren photonischen integrierten Schaltkreisen für Datensignalmodulation, Multiplexing, Routing und Empfang könnten solche Bauelemente der Schlüssel zu kompakten, hocheffizienten WDM-Transceivern sein, die in großen Stückzahlen kostengünstig gefertigt werden können und Übertragungskapazitäten von bis zu mehreren zehn Tbit/s pro Faser ermöglichen.
Die folgende Abbildung zeigt schematisch einen WDM-Sender mit einem optischen Frequenzkamm (FCG) als Mehrwellenlängenlichtquelle. Das FCG-Kammsignal wird zunächst in einem Demultiplexer (DEMUX) getrennt und gelangt dann in einen elektrooptischen EOM-Modulator. Dadurch wird das Signal einer fortschrittlichen QAM-Quadraturamplitudenmodulation für optimale spektrale Effizienz (SE) unterzogen.
Am Senderausgang werden die Kanäle in einem Multiplexer (MUX) rekombiniert und die WDM-Signale über Singlemode-Glasfaser übertragen. Empfangsseitig nutzt der Wellenlängenmultiplex-Empfänger (WDM Rx) den LO-Lokaloszillator des zweiten FCG für die kohärente Mehrwellenlängen-Detektion. Die Kanäle der WDM-Eingangssignale werden durch einen Demultiplexer getrennt und dem kohärenten Empfänger-Array (Coh. Rx) zugeführt, wo die Demultiplexfrequenz des LO-Lokaloszillators als Phasenreferenz für jeden kohärenten Empfänger dient. Die Leistung solcher WDM-Verbindungen hängt maßgeblich vom verwendeten Kammsignalgenerator ab, insbesondere von der optischen Linienbreite und der optischen Leistung pro Kammlinie.
Natürlich befindet sich die optische Frequenzkammtechnologie noch in der Entwicklungsphase, und ihre Anwendungsszenarien und ihr Marktvolumen sind relativ gering. Wenn es gelingt, technische Engpässe zu überwinden, Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu verbessern, sind skalierbare Anwendungen in der optischen Übertragung möglich.
Veröffentlichungszeit: 21. November 2024