Bekanntlich wird die WDM-Technologie seit den 1990er-Jahren für Glasfaser-Langstreckenverbindungen über Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern eingesetzt. In den meisten Regionen des Landes stellt die Glasfaserinfrastruktur den größten Kostenfaktor dar, während die Kosten für die Transceiver-Komponenten vergleichsweise gering sind.
Angesichts der explosionsartigen Zunahme der Datenraten in Netzen wie 5G gewinnt die WDM-Technologie jedoch auch bei Kurzstreckenverbindungen zunehmend an Bedeutung, da diese in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden und daher empfindlicher auf die Kosten und die Größe der Transceiver-Baugruppen reagieren.
Aktuell basieren diese Netzwerke noch auf Tausenden von Singlemode-Glasfasern, die parallel über Kanäle mit Raummultiplexverfahren übertragen werden, mit relativ niedrigen Datenraten von höchstens einigen hundert Gbit/s (800G) pro Kanal und einer geringen Anzahl möglicher Anwendungen in der T-Klasse.
Allerdings wird das Konzept der gemeinsamen räumlichen Parallelisierung in absehbarer Zeit an seine Skalierbarkeitsgrenzen stoßen und muss durch eine spektrale Parallelisierung der Datenströme in jeder Faser ergänzt werden, um weitere Datenratensteigerungen zu ermöglichen. Dies könnte ein völlig neues Anwendungsfeld für die WDM-Technologie eröffnen, in dem maximale Skalierbarkeit hinsichtlich Kanalanzahl und Datenrate entscheidend ist.
In diesem Zusammenhangder optische Frequenzkammgenerator (FCG)Optische Frequenzkämme spielen eine Schlüsselrolle als kompakte, feste Mehrwellenlängen-Lichtquelle, die eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger bereitstellen kann. Ein besonders wichtiger Vorteil optischer Frequenzkämme besteht darin, dass die Kammlinien intrinsisch frequenzäquidistant sind. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Schutzbändern zwischen den Kanälen, und die Frequenzsteuerung, die bei einer einzelnen Linie in einem herkömmlichen System mit DFB-Lasern erforderlich wäre, wird vermieden.
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-Arrays) durch einen einzigen Kammgenerator ersetzt werden können. Der Einsatz von LO-Kammgeneratoren vereinfacht zudem die digitale Signalverarbeitung für WDM-Kanäle, wodurch die Empfängerkomplexität reduziert und die Phasenrauschtoleranz erhöht wird.
Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von LO-Kammsignalen mit Phasenverriegelung für den 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 geringe Größe und die kostengünstige Massenproduktion entscheidend für zukünftige WDM-Transceiver.
Daher sind unter den verschiedenen Kammsignalgeneratorkonzepten Bauelemente im Chipmaßstab von besonderem Interesse. In Kombination mit hochskalierbaren photonischen integrierten Schaltungen zur Datensignalmodulation, zum Multiplexing, Routing und Empfang könnten solche Bauelemente den Schlüssel zu kompakten, hocheffizienten WDM-Transceivern liefern, die sich kostengünstig in großen Stückzahlen fertigen lassen und Übertragungskapazitäten von bis zu mehreren zehn Terabit/s pro Faser ermöglichen.
Die folgende Abbildung zeigt schematisch einen WDM-Sender, der einen optischen Frequenzkamm (FCG) als Mehrwellenlängen-Lichtquelle nutzt. Das FCG-Kammsignal wird zunächst in einem Demultiplexer (DEMUX) separiert und gelangt anschließend in einen elektrooptischen Modulator (EOM). Dort wird das Signal einer QAM-Quadraturamplitudenmodulation unterzogen, um eine optimale spektrale Effizienz (SE) zu erzielen.
Am Senderausgang werden die Kanäle in einem Multiplexer (MUX) wieder zusammengeführt und die WDM-Signale über Singlemode-Faser übertragen. Am Empfängerende nutzt der Wellenlängenmultiplex-Empfänger (WDM Rx) den Lokaloszillator (LO) des zweiten Frequenzkammgenerators (FCG) zur kohärenten Mehrwellenlängendetektion. Die Kanäle der eingehenden WDM-Signale werden durch einen Demultiplexer getrennt und dem kohärenten Empfängerarray (Coh. Rx) zugeführt. Die Demultiplexfrequenz des Lokaloszillators (LO) dient dabei als Phasenreferenz für jeden kohärenten Empfänger. Die Leistungsfähigkeit solcher WDM-Verbindungen hängt maßgeblich vom verwendeten Kammsignalgenerator ab, insbesondere von der optischen Linienbreite und der optischen Leistung pro Kammlinie.
Die Technologie optischer Frequenzkämme befindet sich natürlich noch in der Entwicklungsphase, und ihre Anwendungsbereiche und ihr Marktvolumen sind vergleichsweise gering. Gelingt es, technische Hürden zu überwinden, die Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu verbessern, werden großflächige Anwendungen in der optischen Übertragung möglich sein.
Veröffentlichungsdatum: 21. November 2024