Sebastian Ferber

Faseroptische Datenubertragung mit differentiellerPhasenmodulation und optischer

Zeitmultiplextechnik bei 160Gbit/s und daruber

M a c h - Z e h n d e r I n t e r f e r o m e t e r

Faseroptische Datenubertragung mit differentieller

Phasenmodulation und optischer Zeitmultiplextechnik

bei 160Gbit/s und daruber

DISSERTATIONSSCHRIFTzur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)

vonDipl.-Phys. Sebastian Eberhard Ferber aus Berlin

an der Fakultt IV Elektrotechnik und Informatik der TECHNISCHEN UNIVERSITT BERLINvorgelegte und genehmigte Dissertation.

Tag der wissenschaftlichen Aussprache:18. Dezember 2006

Vorsitz des Promotionsausschusses:Prof. Dr.-Ing. Georg Bck, Technische Universitt Berlin

Gutachter:Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann, Technische Universitt Berlin

Prof. Dr.-Ing. Bernhard Schmauss, Friedrich-Alexander-Universitt Erlangen-NrnbergProf. Dr. rer. nat. Hans-Georg Weber, Fraunhofer Institut fr Nachrichtentechnik,

Heinrich-Hertz-Institut, Berlin

Berlin 2007D83

Gedruckt mit Genehmigung der Fakultt IV Elektrotechnik und Infor-matik der Technischen Universitt Berlin.

2007

Kontakt:Fraunhofer Institut fr Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-InstitutEinsteinufer 37, 10587 Berlin, GermanyTelefon: +49(0)3031002-0E-Mail: otdm@hhi.fraunhofer.deInternetseite: www.hhi.de/OTDM

oder direkt zum AutorSebastian FerberE-Mail: sebastian.ferber[at]web.de

Diese Arbeit wurde mit LATEX 2 und der Dokumentenklasse sfthesis, einereigenen Weiterentwicklung der Klasse jkthesis von Jochen Kpper, gesetzt.

Titelbild:

Links oben: Back-to-back detektiertes 40 Gbit/s Augendiagramm (RZ-DPSK-Modulation)

Rechts oben: Empfangenes Augendiagramm (RZ-DPSK) nach dem Multi-plex auf 160 Gbit/s, bertragung ber 330 km Standardfaser und Demul-tiplex zurck auf die Basisrate 40 Gbit/s

Mitte: Mach-Zehnder Interferometer mit Verzgerung in einem Arm(Phasendemodulator)

Unten: Fehlerrate ber der Entscheiderschwelle: 40 Gbit/s back-to-backMessung (offene Quadrate) und nach der 160 Gbit/s bertragung ber330 km Standardfaser (gefllte Kreise)

otdm@hhi.fraunhofer.dewww.hhi.de/OTDMsebastian.ferber [at] web.de

Fr Niclas und meine Familie

Inhaltsangabe

In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, wie die Phasenmodu-lationstechniken Differential Phase-Shift Keying (DPSK) und Diffe-rential Quadrature Phase-Shift Keying (DQPSK) mit der optischenZeitmultiplex-Technik (Optical Time Division Multiplexing, OTDM ) zu-sammengefhrt werden knnen. Es wird diskutiert, welche zustzlichenAnforderungen die Zeitmultiplex-Komponenten erfllen mssen, und eswerden verschiedene Realisierungsmglichkeiten einzelner Komponen-ten miteinander verglichen.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem experimentellen Aufbau einesFernverkehrs-bertragungssystems (Reichweiten ber 100 km) mit Ka-naldatenraten von mindestens 160 Gbit/s in einem einzelnen Wellenln-genkanal. Die verwendeten Komponenten werden, ebenso wie das Ge-samtsystem, im Detail vorgestellt und charakterisiert.

Mit dem entwickelten bertragungssystem war es mglich, die Stabilittder bertragung bei 160 Gbit/s durch die Verwendung von DPSK deut-lich zu verbessern. Darauf aufbauend konnte ein neuer Rekord in Bezugauf die bertragungsreichweite (160 Gbit/s bertragung ber mehr als4000 km Glasfaserstrecke) aufgestellt werden. Mit DQPSK-Modulationkonnte eine Kanaldatenrate von 640 Gbit/s ber 480 km fehlerfrei bertra-gen werden.

Abstract

This thesis reports on the combination of the phase modulation techni-ques Differential Phase-Shift Keying (DPSK) and Differential QuadraturePhase-Shift Keying (DQPSK) with Optical Time Division Multiplexing(OTDM). Additional requirements for the OTDM components are dis-cussed and different approaches for the implementation of componentsare compared.

The work is mainly focused on the experimental realization of a long-haul transmission system (more than 100 km reach) with bit rates of atleast 160 Gbit/s in a single wavelength channel. The utilized componentsand the complete system are characterized in detail.

The stability of the 160 Gbit/s transmission was significantly improvedwith the developed transmission system based on the DPSK modulati-on. This enabled a new record with respect to the transmission reach(160 Gbit/s over more than 4000 km). Using DQPSK modulation, a chan-nel rate of 640 Gbit/s could be transmitted error-free over a 480 km fiberlink.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ixTabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiiiVerwendete Symbole und Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . xv

1 Einleitung: Hochbitratige bertragungssysteme . . . . . . . . 11.1 Multiplex-Techniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Signaldegradation in der hochbitratigen bertragung . . . 51.3 Modulationsformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Aktuelle Rekordexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . 14

2 Sender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Pulsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Daten-Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3 Zeitmultiplex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3 bertragungsstrecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.1 Fasertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.2 Verstrkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.3 Dispersions- und PMD-Kompensation . . . . . . . . . . . 75

4 Empfnger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.1 Empfnger fr 160 Gbaud . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.2 Empfnger fr 40 Gbaud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.3 Methoden zur Charakterisierung der Systemperformance . 107

5 Performance-Charakterisierung ohne bertragungsstrecke . . 1095.1 Charakterisierung der RZ-DPSK Performance . . . . . . . 1095.2 Vergleich der Modulationsformate . . . . . . . . . . . . . . 1135.3 Vorteil der Balanced Detection bei DPSK . . . . . . . . . . 117

viii Inhaltsverzeichnis

6 bertragungsexperimente mit Phasenmodulation . . . . . . . 1196.1 Stabilitt der bertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.2 Erhhung der bertragungsreichweite . . . . . . . . . . . 1346.3 Erhhung der Bitrate auf 640 Gbit/s mittels DQPSK und

Polarisationsmultiplex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

7 Ergebnis, Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . 1477.1 Zentrale Ergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . 1477.2 Weitere Entwicklung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . 148

Anhang 151

A Exkurse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153A.1 Detaillierter Aufbau des Laborsystem . . . . . . . . . . . . 153A.2 Bit und Baud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155A.3 Laserlinienbreite (Kohrenz) Spektrale Unterdrckung mit

dem phasenstabilisierten Pulsvervielfacher . . . . . . . . . 157A.4 Erforderliche Pulsbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161A.5 Einfluss von Amplituden- und Phasenschwankungen auf die

Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162A.6 Ermittlung des optischen Signal-Rausch-Verhltnisses . . . 165A.7 BER-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

B Weitere Anwendungen des bertragungssystems . . . . . . . . 169B.1 bertragung mit einer Kanaldatenrate von > 1 Tbit/s . . . . 169B.2 bertragung ber verlegte Faser mit einem automatischen

PMD-Kompensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170B.3 Optischer Netzwerkknoten fr Formatwandlung, Wellen-

lngenumsetzung und Regeneration . . . . . . . . . . . . . 171

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173Publikationen des Autors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173Weitere Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Dank und Biographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

Abbildungsverzeichnis

1.1 Prinzip der optischen Zeitmultiplex-Technik . . . . . . . . . 41.2 Schematischer Aufbau eines Laborsystems. . . . . . . . . . . 51.3 Spur und Auge eines RZ-OOK-Signals. . . . . . . . . . . . . 91.4 40 Gbit/s RZ-DPSK Signal nach dem Phasendemodulator, detek-

tiert mit einem balanced detector. . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1 Kernkomponenten des 160 Gbaud Senders. . . . . . . . . . . 192.2 Wellenlngendrift von monolithischem 40 GHz Halbleiterlaser

(OEIC) und Faserringlaser (MLFL) im Vergleich. . . . . . . . 252.3 OEIC-Pulsquelle (angelehnt an [33]). . . . . . . . . . . . . . . 272.4 Vollstndige, hybride 40 GHz Pulsquelle. . . . . . . . . . . . 292.5 Modengekoppelter 10 GHz Halbleiterlaser in externer Kavitt. 302.6 Aufbau des phasenstabilen Pulsvervielfachers. . . . . . . . . 322.7 Symbolische Darstellung der Phasenlage im Pulsvervielfacher. 352.8 Ausgangsspektrum des phasenstabilisierten Pulsvervielfachers 392.9 40 GHz Pulszug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.10 127 Bit PRBS-Sequenz (27 1 Bit) . . . . . . . . . . . . . . . 412.11 Prinzipbild eines push-pull Mach-Zehnder-Modulators. . . . 432.12 berlagerung zweier Sinusschwingungen fr verschiedene rela-

tive Phasendifferenzen (siehe auch Funote 4 auf Seite 43). . . 442.13 Transferfunktion des Mach-Zehnder-Modulators, Ausgang nach

Gleichung (215). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.14 Elektrisches Ansteuersignal (NRZ) des Bit Pattern Generator und

Auswirkung auf das optische, DPSK modulierte Signal als Am-plitudenschwankungen (Osz