Pulsationslinienbreite und Jitter

Im Dokument DFB-Laser mit integriert optischer Rückkopplung für die optische Signalverarbeitung (Seite 91-103)

Da ein breiter Synchronisationsbereich Ksy eine kurze Synchronisationszeit TL zur Fol- ge hat, wollen wir den Jitter bei festem Ksy aber variabler Linienbreite der freien Selbstpulsation untersuchen. In Abb. 6.11 sind die spektrale Rauschleistungsdichten f¨ur unterschiedliche Cinj aufgetragen und Abb. 6.11b zeigt die nach Gl. 6.4 berechneten Werte f¨ur den Jitter. Zu erkennen ist, dass der Jitter von 700 fs auf 200 fs abnimmt, wenn man Cint von 104 Hz2 auf 102 Hz2 reduziert (Ksy = 100 MHz). Maßnahmen zur Verringerung der Linienbreite der freien Selbstpulsation k¨onnen einen deutlich ge- ringeren Jitter bei gleicher Synchronisationszeit TL bedeuten. Eine Verringerung der freien Linienbreite ist durch zus¨atzliche Synchronisation mit einem elektrischen Signal mit niedrigem Phasenrauschen [155, 156] oder durch eine weitere optische Kavit¨at mit hoher G¨ute m¨oglich [157].

100 200 300 400 500 600 700 800

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Cint / Hz2 ττττjitt e r / f s Ksy=100 MHz Ksy=10 MHz Ksy=1 MHz -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 1E+9

Frequenz / Hz £ (f ) / d B /H z Cint/Hz 2 =105, 104, ... ,10-4 Ksy= 10 MHz

Abbildung 6.11: Errechnete spektrale Rauschleistungsdichte f¨ur festes Ksy (a) sowie Jitter ¨

uber der Linienbreite Cintf¨ur festes Ksy (fmin= 100 Hz, fmax = 1 GHz).

Bei der in diesem Kapitel untersuchten, synchronisierten Selbstpulsation wird die einge- pr¨agte Rauschleistung durch das Bandpassverhalten der Pulsation gefiltert. Da die Fil- terung bei der Datenrate erfolgt, ist die erreichbare Rauschunterdr¨uckung deutlich klei- ner, als bei einem Phasenregelkreis h¨oherer Ordnung. In diesem Fall erfolgt die eigentli- che Filterung im Basisband mit einem Tiefpass und das Rauschverhalten ist bestimmt durch die Eigenschaften des in der R¨uckkoppelschleife befindlichen, spannungsgesteuer- ten Oszillators (VCO5) (Anhang D). Die rein optische Realisierung eines Phasenregel-

kreises h¨oherer Ordnung ist nicht m¨oglich und die Tiefpassfilterung in der R¨uckkopp- lung des Phasenregelkreises erfolgt mit Hilfe eines elektronischen Signals [158]. Da der Einsatz von Phasenregelkreisen h¨oherer Ordnung in optischen ¨Ubertragungssystemen eine OE/EO-Konversion erfordert, ist ihr Aufbau komplex. Demgegen¨uber steht der einfache Aufbau des AFL und die geringen Kosten der Fertigung. Die Synchronisation der Selbstpulsation bietet interessante Eigenschaften wie extrem kurze Synchronisati- onszeiten und weite, einfache Abstimmbarkeit der Frequenz. Die kurze Synchronisati- onszeit wird durch eine geringe Rauschunterdr¨uckung erkauft. Ob Eigenschaften wie schnelle Synchronisationszeit und geringe Rauschunterdr¨uckung modernen Netzarchi- tekturen gen¨ugen, ist Gegenstand gegenw¨artiger Untersuchungen [34].

Anwendungen des DFB-Lasers mit

aktiver R¨uckkopplung

In diesem Kapitel werden m¨ogliche Anwendungen des DFB-Lasers mit aktiver R¨uck- kopplung (AFL) untersucht. Da mit dem AFL robuste Oszillationen mit einer Frequenz von ≥ 40 GHz erzeugt werden k¨onnen und eine Synchronisation auf ein externes Si- gnal m¨oglich ist, eignet sich der AFL zur optischen Taktr¨uckgewinnung (OCR) bei Datenraten ≥ 40 Gb/s. Anhand systemnaher Untersuchungen soll gekl¨art werden, ob die optische Taktr¨uckgewinnung ¨uber die f¨ur 3R Regeneratoren und Demultiplexer er- forderliche zeitliche Stabilit¨at verf¨ugt. Desweiteren wird die M¨oglichkeit untersucht, die optischen Pulse mit Hilfe nichlinearer Pulskompression zu verk¨urzen und auf diese Weise kurze optische Schaltfenster zu erzeugen. Kurze optische Pulse mit einer hohen zeitlichen Stabilit¨at stellen eine Vorstufe f¨ur den Aufbau eines rein optischen Demulti- plexers dar. Abschließend stellen wir ein Verfahren zur Erzeugung von optischen Pulsen vor, bei dem die Selbstpulsation des AFL durch ein elektrisches Signal synchronisiert wird.

7.1

Taktr¨uckgewinnung

Die ¨Ubermittlung von Informationen ¨uber die Glasfaser erfolgt durch digitale optische Signale. Das Eingangssignal von signalverarbeitenden Komponenten ist aus diesem Grund nicht rein periodisch. Zum Test von Bauelementen f¨ur die optische Signalver- arbeitung ist es ¨ublich, Bitmuster zu generieren, welche ¨uber eine lange Zeitdauer eine gleiche Anzahl von Einsen und Nullen verf¨ugen. Eine gebr¨auchliche Form der Erzeu- gung solcher Bitmuster sind die pseudo-zuf¨alligen Bitsequenzen (PRBS1) [159].

Zur Synchronisation der Selbstpulsationen muss das Eingangssignal ¨uber eine Fre- quenzkomponente nahe der Pulsationsfrequenz verf¨ugen. Ob diese Frequenzkomponen-

1PRBS: engl. pseudo random bit sequence

te im Eingangssignal vorhanden ist, h¨angt von dessen Modulationsformat ab. Wir be- schr¨anken uns auf die h¨aufig verwendete Amplitudenmodulation ohne Ber¨ucksichtigung der Phase (On-Off Keying - OOK). Eine Frequenzkomponente zur Synchronisation der Pulsation ist beim RZ2-Format vorhanden. Bei einem anderen Format der Amplituden-

modulation, dem NRZ3-Format, liegt keine Frequenzkomponente bei der Bitrate vor.

Die spektrale Komponente kann aber durch eine vor der Taktr¨uckgewinnung positio- nierten Verarbeitungsstufe erzeugt werden. Im optischen Pfad kann z.B. eine Frequenz- komponente durch zeitliche Verz¨ogerung [160], optische Filterung mit Faser-Bragg- Gittern [161] oder durch Selbstphasenmodulation im Halbleiter-Laserverst¨arker [162] erzeugt werden.

Messaufbau

Die optische Taktr¨uckgewinnung wurde mit Hilfe des in Abb. 7.1 dargestellten Mes- saufbaus charakterisiert. Die optischen Pulse mit einer Dauer von ∆τ = 12 ps und einer Wiederholrate von 10 GHz wurden mit einem gewinngeschalteten Laser erzeugt [122]. Dieser hat eine Wellenl¨ange von λgs=1550 nm. Mit Hilfe eines Elektroabsorptionsmo- dulators (EAM) wird die im Bitmustergenerator erzeugte PRB-Sequenz (PRBS 27-1;

27-1 steht f¨ur die L¨ange der Bitsequenz von 27-1 Bit =127 Bit) auf den optischen Puls-

zug aufgepr¨agt. Das 10 Gb/s Signal durchl¨auft zwei Stufen, in denen das Signal jeweils aufgeteilt, in einem Arm der Aufteilung verz¨ogert und wieder zusammengef¨uhrt wird (engl: Interleaver). Die optischen Verz¨ogerungsleitungen sind in ihrer L¨ange so abgegli- chen, dass die Bitsequenz am Ausgang wieder einer PRB-Sequenz von 27-1 entspricht.

EDFA Gewinn- geschalteter DFB AFL Eingangssignal OTDM 4x10 Gb/s RZ PRBS Synchroner Oszillator EDFA Abschwächer Bitmuster- generator Synthesizer 10 GHz EAM Interleaver Detektion PIN HF- Analysator digitales Oszilloskop

Abbildung 7.1: Messaufbau: Optische Taktr¨uckgewinnung mit AFL.

Alternativ zu der in Abb. 7.1 dargestellten Erzeugung des OTDM-Signals (4 × 10 Gb/s PRBS RZ) konnte das 40 Gb/s direkt mit Hilfe eines von einem Bitmustergenera- tors (Anritsu MP1775A) erzeugt werden. Dieser steuerte einen Elektroabsorptions- modulator an. F¨ur die vorangestellte Pulserzeugung wurde das Dauerstrichsignal ei- nes abstimmbaren Lasers (ECL) mit Hilfe eines zweiten Elektroabsorptionsmodulators

2RZ: engl.return-to-zero 3NRZ: engl. nonreturn-to-zero

moduliert. Mit dieser Sendeeinheit war es im Gegensatz zu dem 4x10 Gb/s OTDM- Signal m¨oglich, die optische Taktr¨uckgewinnung bei unterschiedlichen L¨angen der PRB- Sequenzen zu testen.

Um den Jitter der optischen Taktr¨uckgewinnung genauer zu analysieren, wur- de zus¨atzlich ein digitales Oszilloskop eingesetzt. Das digitales Oszilloskop (Agilent 86100B) mit dem Zeit-Pr¨azisionseinschub (Agilent 86107A) weist einen geringen inter- nen Jitter auf und erm¨oglicht die Bestimmung eines minimalen Jitters von 200 fs [163].

Reduktion des Jitters

Bei der Bestimmung des Jitters mit einem digitalen Oszilloskop kann eine Reduktion

des Jitters und damit die regenerative Arbeitsweise der optischen Taktr¨uckgewinnung

nachgewiesen werden. Abb. 7.2 zeigt das Augendiagramm des Signals am Eingang (40 Gb/s PRBS 27-1 RZ) und das 40 GHz Ausgangssignal der synchronisierten Selbst-

pulsation. E in g a n g s- si g n a l A u sg a n g s -s ig n a l

Abbildung 7.2: Mit dem digitalen Oszilloskop gemessenes 40 Gb/s Augendiagramm des Eingangssignals sowie Ausgangssignal der optischen Taktr¨uckgewinnung (Idf b=70 mA). W¨ahrend das Eingangssignal einen Jitter von 1.7 ps aufweist, betr¨agt der Jitter des Ausgangssignals etwa 700 f s. Die Reduktion des Jitters ist im Wesentlichen verursacht durch eine Unterdr¨uckung des Phasenrauschens im Frequenzbereich von 300 MHz bis 5 GHz. Rauschen mit dieser Frequenz am Eingang der Taktr¨uckgewinnung r¨uhren von der zuf¨alligen Natur der Einschaltverz¨ogerungen (TOJ4) des gewinngeschalteten

Lasers her. Der ”turn-on” Jitter kann analytisch abgesch¨atzt werden und f¨ur einen ein- modigen gewinngeschalteten Laser gilt n¨aherungsweise T OJ = 0.5...5 × 2π/frgs, mit der Relaxationsoszillation des gewinngeschalteten Lasers frgs [74]. Da die Jitter¨ubert- ragungsfunktion der synchronisierten Pulsation eine Reduktion dieser Frequenzanteile bewirkt, findet eine Reduktion des Jitters statt.

Werden andere Techniken zur Pulserzeugung des Synchronisationssignals heran- gezogen, die keinen turn-on Jitter wie ein gewinngeschalteter Laser aufweisen (z.B.

Pulserzeugung mit EAM), gelingt der Nachweis der Jitterreduktion mit der optischen Taktr¨uckgewinnung nicht.

Arbeitspunkt

Kontrollstr¨ome: Abbildung 7.3 zeigt die Ergebnisse der Jittermessung mit dem digi-

talen Oszilloskop. Dabei wurde der Strom in der DFB-Sektion von Idf b=50 mA auf

Idf b=90 mA erh¨oht und der Strom wie in Abb. 6.9a nachgestellt. Im Vergleich zu vor- angegangenen Messungen (Abb. 6.10) ist der Jitter bei der Synchronisation auf ein 40 GHz Signal mit 480 f s h¨oher. Ursachen sind der h¨ohere Jitter des Eingangssignals sowie das ver¨anderte Messverfahren.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 40 50 60 70 80 90 100 Idfb / mA rm s Ji tt e r / fs Bitmuster- effekt V e rr in g e ru n g d e s rm s Ji tt e rs Eingangssignal synchronisiert auf 40 GHz synchronisiert auf 40 Gb/s PRBS 27-1

Abbildung 7.3: rms Jitter (gemessen mit digitalem Oszilloskop) ¨uber der mittleren opti- schen Leistung des Eingangssignals (Eingangssignal: 40 Gb/s PRBS 27-1 RZ).

Die Ursache f¨ur die Abnahme des Jitters mit anwachsendem Idf b kann mit Abb. 7.4 erl¨autert werden. Die HF-Spektren einer 40 GHz Pulsation sind f¨ur unterschiedliche

Idf b dargestellt. Neben der 40 GHz Linie der synchronisierten Selbstpulsation treten schw¨achere Linien im Abstand von 315 MHz auf. Diese Frequenz entspricht der Peri- odizit¨at der PRB-Sequenz des Eingangssignals (PRBS 27-1 bei 40 Gb/s).

Frequenzen im Bereich der Relaxationsoszillation (Abb. 6.9) werden durch die optische Taktr¨uckgewinnung kaum unterdr¨uckt. Die ausgepr¨agten Linien in diesem Frequenz- bereich kennzeichnen eine ausgepr¨agte Modulation der Amplitude, welche sich auf den Jitter auswirkt. Dieser Effekt wird als der Bitmustereffekt bezeichnet. Mit anwachsen- dem Idf b wird die Modulation der Amplitude verringert, was eine Reduktion des Jitters zur Folge hat.

Eingangsleistung: Bei der Synchronisation der Selbstpulsation mit einem 40 GHz Si-

gnal verringert sich der Jitter mit anwachsender Eingangsleistung. Dieses Verhalten wird auch bei der Synchronisation mit einem 40 Gb/s Signal beobachtet (Abb. 7.5). Es existiert eine bez¨uglich des Jitters optimale Eingangsleistung. Oberhalb dieser Ein- gangsleistung wirkt sich der Bitmustereffekt auf den Jitter aus. F¨ur die untersuchte

2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 Frequenz / GHz re l. H F- Le is tu n g / 2 0 d B /d iv . (2 0 d B O ff se t d e r G ru n d lin ie ) Bitmustereffekt im Frequenzbereich

des RINs des solitären DFB-Lasers 90 mA 80 mA 70 mA 60 mA 50 mA synchronisierte 40 GHz Selbstpulsation Idfb zusätzliche Amplituden- modulation

Abbildung 7.4: HF-Spektren der optischen Taktr¨uckgewinnung f¨ur unterschiedliche Idf b (Eingangssignal: 40 Gb/s PRBS 27-1 RZ).

optische Taktr¨uckgewinnung betrug die optimale mittlere Eingangsleistung 4 dBm. An diesem Arbeitspunkt wurde ein Jitter von 600 f s gemessen bei einem Jitter des Ein- gangssignals von 1.7 ps. Der Synchronisationsbereich der 40 GHz-Pulsation betr¨agt bei der Eingangsleistung von 4 dBm etwa Ksy ∼ 100 MHz.

Reduktion des

Phasenrauschens Bitmuster-effekt

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 opt. Eingangsleistung / dBm rm s Ji tt e r / fs 40 GHz 40 Gb/s Synchronisationsbereich Ksy / MHz 50 100 200

Abbildung 7.5: Einfluss der Leistung auf den rms Jitter f¨ur ein 40 GHz und ein 40 Gb/s PRBS 27-1 Eingangssignal.

Leistungsmerkmale der optischen Taktr¨uckgewinnung

F¨ur Taktr¨uckgewinnungsstufen, welche in 3R Regeneratoren in Weitverkehrsstrecken eingesetzt werden, existieren Mindestanforderungen an Leistungsmerkmale wie Immu- nit¨at gegen Folgen identischer Bits, Jitter¨ubertragung und Jittergeneraton [136, 149,

164].

Immunit¨at gegen Folgen identischer Bits: Die Immunit¨at gegen Folgen identischer Bits

ist ein Maß daf¨ur, wieviele aufeinanderfolgende identische Bits verarbeiten werden k¨onnen, ohne dass die Amplitude, Phase oder Frequenz des zur¨uckgewonnenen Takts beeinflusst wird. Experimentell wurde die Immunit¨at gegen Folgen identischer Bits mit Hilfe von PRB-Sequenzen unterschiedlicher L¨ange getestet. Die Ergebnisse sind in Tab. 7.1 zusammengefasst. Die Zahl E im Exponenten der entsprechenden PRB- Sequenz steht f¨ur die Anzahl der maximal aufeinander folgenden ”0”-Bits. Die ma- ximale Dauer der aufeinander folgenden ”0”-Bits ist nach τzero = 1000/40 ∗ E [ps] berechnet und in Tab. 7.1 zusammengefasst. W¨ahrend sich der gemessene Jitter bei ei- ner PRB-Sequenz von 27-1 kaum vom Jitter bei sinusf¨ormigem Synchronisationssignal

(600 f s) unterscheidet, steigt der Jitter bei einer PRB-Sequenz von 231-1 auf 800 f s.

Ursache f¨ur die Bitmusterabh¨angigkeit des Jitters sind vor allem die kurzen Hal- tezeiten. Verschwindet das Synchronisationssignal, geht die Selbstpulsation innerhalb weniger ns (z.B. ∼ 10 ns in [152]) in ihren freien, verrauschten Zustand ¨uber. Die Forderung nach einer geringen Bitmusterempfindlichkeit steht damit im Widerspruch zu einer m¨oglichst kurzen Dauer der Synchronisationszeit der optischen Taktr¨uckge- winnung.

Tabelle 7.1: Einfluss der PRB-Sequenz bei 40 Gb/s auf den rms Jitter der optischen Tak- tr¨uckgewinnung (Ksy = 100 M Hz).

40 Gb/s PRBS 27− 1 29− 1 211− 1 215− 1 220− 1 223− 1 231− 1

τzero 175 ps 225 ps 275 ps 375 ps 500 ps 575 ps 775 ps

Jitter 612 f s 663 f s 730 f s 755 f s 789 f s 795 f s 800 f s

Ein anderer, h¨aufig mit der Bitsequenz in Verbindung gebrachter Effekt kommt durch die Abh¨angigkeit des Synchronisationsbereiches Ksy von der Eingangsleistung bei der Grundfrequenz Pin zustande. Diese Abh¨angigkeit hat zur Folge, dass bei gleicher mitt- lerer Eingangsleistung der Synchronisationsbereich halbiert wird, wenn z.B. anstatt einer RZ-Bitsequenz bestehend aus ”11111111” eine ”10101010” Sequenz zur Synchro- nisation verwendet wird [165]. Befindet sich die Frequenz des Eingangssignals nicht in der Mitte des Synchronisationsbereiches hat eine ¨Anderung des Datenworts eine ¨Ande- rung der Phasenlage des Ausgangssignals zur Folge, was sich in einem h¨oheren Jitter bemerkbar macht [166].

Jittergeneration: Aufgrund des bitmusterabh¨angigen Anteils der Jittergeneration muss

bei der Angabe des generierten Jitters immer die verwendete Bitsequenz angegeben werden. Der Ausgangsjitter soll f¨ur die Regeneration bei einem jitterfreien Eingangssi-

gnal nicht mehr als 1 % der Taktperiode (UI5) betragen (< 250 f s bei 40 GHz) [136]. Jittertransfer : Die Jittertransferfunktion der synchronisierten 40 GHz-Pulsation ent-

spricht den geforderten Mindestanforderungen f¨ur 3R Regeneratoren [136] nicht. Es m¨ussen daher zus¨atzliche Maßnahmen ergriffen werden, um dieses Leistungsmerkmal zu verbessern. Mit einer zus¨atzlichen optischen R¨uckkopplung war es m¨oglich, einen rein optischen Regenerator aufzubauen und ein 10 Gb/s Signal ¨uber 15.000 km (300 Durchl¨aufe des Regenerators) zu ¨ubertragen. Ein Teil des Signals der synchronisier- ten Selbstpulsation wurde dazu verst¨arkt und mittels eines Wellenl¨angenkonvertors inkoh¨arent in den Laser r¨uckkgekoppelt [167]. Anzumerken ist, dass durch Verrin- gerung der Linienbreite der freien Selbstpulsation die Synchronisationseigenschaften ver¨andern. Der Synchronisationsbereich Ksy nimmt ab, was eine Verl¨angerung der Syn- chronisationszeit TL zur Folge hat.

Synchronisationsbereich: Der f¨ur Anwendungen nutzbare Synchronisationsbereich ist

geringer, als der gesamte Synchronisationsbereich (vgl. Abb. 6.3), da eine Verstim- mung der Eingangsfrequenz in der Gr¨oßenordnung von einigen 10 MHz einen gr¨oßeren zeitlichen Jitter zur Folge hat. Es ist daher wichtig, f¨ur den nutzbaren Synchronisa- tionsbereich ein Maß zu definieren, welches sich auf den Jitter bezieht. Legt man als nutzbaren Synchronisationsbereich den Bereich fest, in dem der am digitalen Oszil- loskop gemessene Jitter den Wert von 1 ps nicht ¨uberschreitet, betr¨agt der nutzbare Synchronisationsbereich der optischen Taktr¨uckgewinnung < 80 MHz. Diese Heran- gehensweise an die Bestimmung des Synchronisationsbereiches wird bei externen syn- chronisierten modengekoppelten Lasern angewendet [37, 168]. Zur Taktr¨uckgewinnung eingesetzte modengekoppelte Laser laufen typischerweise nicht frei, sondern sind be- reits durch ein elektronisches Signal synchronisiert. Die daraus resultierende geringere Linienbreite hat bei zus¨atzlicher Synchronisation durch ein externes optisches Signal einen kleineren nutzbaren Synchronisationsbereich (z.B. < 2 MHz in [156]) aber auch einen geringeren Jitter zur Folge.

Ansteuerung eines 160 Gb/s auf 40 Gb/s

Demultiplexers

Abbildung 7.6 zeigt den schematischen Aufbau eines Demultiplexers. Dieser Aufbau kann verwendet werden, um zu pr¨ufen, ob es die zeitliche Stabilit¨at der optischen Tak- tr¨uckgewinnung erm¨oglicht, einen 160 Gb/s auf 40 Gb/s Demultiplexer anzusteuern. Das Eingangssignal – ein 4×40 Gb/s OTDM-Signal mit einer Wellenl¨ange von 1550 nm – wurde mit zwei hintereinander geschalteten Elektroabsorptionsmodulatoren erzeugt [169]. Die verwendeten optischen Pulse wiesen eine Pulsdauer von 3 ps und einen Modulationsgrad von 30 dB auf. Die Taktr¨uckgewinnung besteht aus einer R¨uckkop- pelschleife mit hoher Verst¨arkung und G¨ute [155, 170]. Die als optoelektronischer Os- zillator (OEO6) bezeichnete R¨uckkopplung verf¨ugt ¨uber eine Oszillationsbedingung bei

der Taktfrequenz von 40 GHz. Die G¨ute des optoelektonischen Oszillators wird ¨ubli- cherweise mit einem elektrischen Filter (Q=1000) erreicht [171]. In unserem Fall wird der elektrische Filter durch die zu testende optische Taktr¨uckgewinnung ersetzt.

160 Gb/s 10 Gb/s PRBS 27 -1 4 x 10 Gb/s ETDM 4 x 40 Gb/s OTDM Rx 40 Gb/s 4 x 10 Gb/s ETDM d e la y AFL Tx EDFA EDFA δΦ EAM PIN

Sender Demultiplexer Empfänger

EDFA

elektronischer Pfad optischer Pfad 5 nm

5 nm

Abbildung 7.6: Messaufbau: 160 Gb/s auf 40 Gb/s Demultiplexer mit optischer Taktr¨uck- gewinnung.

Das Signal der optischen Taktr¨uckgewinnung wird gefiltert und in ein elektrisches Si- gnal umgewandelt. Hinter der Photodiode findet eine elektrische Verst¨arkung statt. Der verwendete 40 GHz Verst¨arker verf¨ugt ¨uber eine Verst¨arkungsbandbreite von 2 GHz (Narda DBP-3540N727) und bewirkt die Unterdr¨uckung des Bitmustereffektes. Das Taktsignal steuert einen Elektroabsorptionsmodulator an, welcher ein Zeitfenster mit einer Dauer und einem Modulationsgrad von 6 ps bzw. 24 dB ¨offnet. Die elektrische Verz¨ogerungsleitung dient zur Justage des Schaltfensters und zur Wahl des OTDM- Kanals. Ein Teil des gedemultiplexten Signals wird dem 40 Gb/s Empf¨anger zugef¨uhrt.

Ergebnisse

Abbildung 7.6 zeigt die mit einem digitalen Oszilloskop aufgenommenen Augendia- gramme vor (oben) und hinter (unten) dem Demultiplexer f¨ur Datenraten von 40 Gb/s

(links), 80 Gb/s (Mitte) und 160 Gb/s (rechts) am Eingang. Dabei betrug die mittlere optische Leistung an der Photodiode 5 dBm. Bei einer Eingangsdatenrate von 80 Gb/s erscheint die Augen¨offnung aufgrund der begrenzten Bandbreite der verwendeten Pho- todiode geringer und f¨ur eine Eingangsdatenrate von 160 Gb/s ist das Augendiagramm vollst¨andig geschlossen. Die 40 Gb/s Augendiagramme des Ausgangssignals sind deut- lich ge¨offnet.

40 Gb/s 80 Gb/s 160 Gb/s

Abbildung 7.7: Augendiagramme des vermessenen Demultiplexers am Eingang und Aus- gang f¨ur 40 Gb/s, 80 Gb/s und 160 Gb/s Eingangssignal.

Die zugeh¨origen Ergebnisse der Messungen des Bitfehlerverh¨altnisses (BER7) sind in

Abb. 7.8 zusammengefasst. Die gemessene BER ist ¨uber der Leistung am Empf¨anger aufgetragen. Dabei wird die empfangene Leistung auf 160 Gb/s skaliert, da eine Verdop- pelung der Datenrate bei gleicher mittlerer Leistung, eine Verringerung der Empf¨anger- empfindlichkeit um 3 dB zur Folge hat.

-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 empfangene Leistung (160 Gb/s) / dBm lo g (B E R ) 40 Gb/s auf 40 Gb/s 80 Gb/s auf 40 Gb/s 160 Gb/s auf 40 Gb/s -4 -5 -6 -7 -8 -9

Abbildung 7.8: BER: Charakterisierung des Demultiplexers.

Die zeitliche Stabilit¨at der Taktr¨uckgewinnung erm¨oglicht eine fehlerfreie Funktion des Demultiplexers von 160 Gb/s auf 40 Gb/s (BER≤ 10−9 bei einer empfangenen Lei- stung ≥ −17 dBm). F¨ur die anderen drei 40 Gb/s OTDM-Kan¨ale wurden ¨ahnliche Empf¨angerempfindlichkeiten ermittelt. Der Verlust der Empf¨angerempfindlichkeit von

∼3 dB beim Demultiplexen von 160 Gb/s auf 40 Gb/s ist neben dem Jitter auf die

L¨ange der R¨uckkopplung des optoelektronischen Oszillators zur¨uckzuf¨uhren. Diese be- tr¨agt aufgrund der zwei verwendeten EDFAs etwa 30 m. Obwohl sich der Ausgangsjit- ter eines optoelektronischen Oszillators umgekehrt proportional zur R¨uckkoppell¨ange verh¨alt [172], ist diese Regel in der Praxis nicht g¨ultig, da sich zuf¨allige ¨Anderungen der Umgebung (z.B. Schwankungen der Temperatur) in eine ¨Anderung der R¨uckkop- pell¨ange auswirkt und zur Instabilit¨at f¨uhren.

Der maximale Jitter, den ein Demultiplexer in Bezug auf das Eingangssignal aufweisen kann, ohne einen Verlust an Empf¨angerempfindlichkeit zu verusachen, kann mit der Gleichung [173, 174]

τrel,jitter = q

τ2

sig,jitter+ τjitter2 ≤ 0.082 Tbit. (7.1) abgesch¨atzt werden. Der relative Jitter τrel,jitter zwischen dem Signal und der Tak- tr¨uckgewinnung muss geringer sein als 8.2 % der Bitdauer Tbit, um sicherzustellen, dass zeitlich benachbarte Kan¨ale nicht in das gleiche Zeitfenster fallen. Mit der Dauer der Bitperiode Tbit von 6.25 ps bei 160 Gb/s (die gemessene Dauer des Schaltfensters von 6 ps entspricht etwa Tbit) und einem gemessenen Eingangsjitter von τsig,jitter = 300 f s erh¨alt man mit Gl. 7.1 einen erforderlichen Jitter von 415 fs. Dieser f¨ur den Demul- tiplexer akzeptable Jitter wurde aufgrund des gemessenen Verlustes an Empf¨anger- empfindlichkeit nicht erreicht. In ¨Ubereinstimmung mit dem am digitalen Oszilloskop gemessenen Jitter von 600 f s ist das Demultiplexen von 80 Gb/s auf 40 Gb/s ohne Verlust an Empf¨angerempfindlichkeit m¨oglich.

Ein ¨ahnlicher Demultiplexer wie in Abb. 7.6 wurde in [30] bei einer Datenrate von 10 GHz untersucht. Die in diesem Fall zur Synchronisation verwendete RO-Pulsation zeichnet sich durch ein pulsf¨ormiges Ausgangssignal aus (typ. Pulsdauer 15...20 ps). Dieser Pulsationstyp ist daher ohne Nachbearbeitung geeignet, Schaltfenster in op- tisch gesteuerten optischen Schaltern zu ¨offnen und damit ein rein optisches 40 Gb/s auf 10 Gb/s Demultiplexen zu erm¨oglichen. Da die Pulsation vom MB-Typ eine si- nusf¨ormiges Ausgangssignal aufweist, m¨ussen zus¨atzliche Maßnahmen zur Pulskom- pression ergriffen werden, um rein optischen Demultiplexer von 160 Gb/s auf 40 Gb/s zu realisieren.

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