ix optoelektronische komponenten - kit
TRANSCRIPT
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