Entwicklung und Aufbau optischer Quellen für automatisierte 10 Gbit/s und 40 Gbit/s Messsysteme

Abstract

Kurzfassung In den letzten Jahren stieg der Anteil der optischen Kommunikation am weltweiten Datenverkehr stark an. Wir stehen gerade an der Schwelle, dass schon einzelne Haushalte breitbandig mit optischen Medien an das Internet angebunden werden. Um die hohe Anzahl an optischen Verbindungen seitens der Internetanbieter günstig realisieren zu können, wurden in den letzten Jahren diverse Konzepte für eine optische Verbindung der "last-mile" entwickelt. Viele dieser Konzepte erfordern neuartige Datenübertragungskomponenten. Vor allem die optischen Empfänger müssen für neue Modulationsverfahren und Netzwerktopologien optimiert, verbessert oder vollkommen neu entwickelt werden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein flexibles optisches Testsystem entwickelt, welches ermöglichen soll neuartige übertragungsverfahren und Techniken zu testen und zu erforschen. Es wurden zwei Laserquellen bestehend aus mehreren Modulen entwickelt, die im Zusammenspiel in der Lage sind, komplexe Modulationsarten mit hoher Geschwindigkeit und Qualität in Form von optischen Signalen zu realisieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt einerseits die Motivation, die solch einer Entwicklung zu Grunde liegt, als auch die konkrete Realisierung des Testsystems. Die zwei realisierten modularen optischen Quellen arbeiten auf den Telekommunikationswellenlängen von 1310nm und 1550 nm. Die schnellere der beiden Quellen kann bis zu 40 Gbit/s schnelle Signale generieren. Der neuartige Aspekt der Quellen ist dabei die Modulierbarkeit bis hinunter zu DC. Damit ist es möglich Datensignale, welche in geschalteten optischen Netzen existieren, nachzubilden. Diese haben neben der schnellen AC-Modulation auch sprunghaft wechselnde Amplituden und Mittelwerte, es handelt sich dabei um sogenannte Burst-Mode-Signale. Die Realisierung der beiden optischen Quellen erfolgte jeweils in Form von drei Funktionsmodulen: Zum einen das Modul "Laser", welches sowohl die Ansteuerung als auch die Temperaturregelung der eigentlichen Laserdiode beinhaltet. Dabei kann die Laserdiode entweder im Dauerstrichmodus oder direkt moduliert betrieben werden. Die direkte Modulation der Laserdioden wird für niedrige Datenraten genutzt. Für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten wird das zweite Modul "Modulation" eingesetzt. Dieses nutzt einen optischen Modulator und ermöglicht somit eine schnelle und präzise Modulation der Lichtleistung mit dem Nachteil, dass keine DC-Signale übertragen werden können. Als drittes Modul "Leistungsanpassung" wurde eine steuerbare optische Abschwächung realisiert, die es ermöglicht, das Gesamtsignal in einem weiten Leistungsbereich auszugeben. Durch Kombination der drei Module, zusammen mit externen elektrischen Signalgeneratoren, ist es möglich hochkomplexe optische Signalformen mit hoher Reproduzierbarkeit zu generieren. In der Arbeit ist nicht nur der Entwurf und der Aufbau beschrieben, sondern auch die Messungen der grundlegenden Parameter der Module, sowie das Zusammenspiel der Module am Beispiel der Generation exemplarischer "Burst-Mode"-Signale. Der Abschluss umfasst eine Zusammenfassung der erreichten Ergebnisse und einen Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten mit dem Testsystem.

Abstract In the last years the share of optical communication in global data networks becomes more and more important. The number of households that are directly connected with optical bers (ber to the home) starts to increase. To allow a huge number of optical endpoints modern concepts of optical communications have been developed. A lot of these new technologies require new network components. Especially optical receivers need to be optimized, improved or even developed newly. The presented work describes the development and the realization of a test system allowing the generation of highly complex optical waveforms which are used in modern optical switched network topologies. Two laser sources were realized. Both consist of different modules, which in combination allow complex modulation schemes with a high modulation rate together with a high quality. The work describes on one hand the motivation to develop such a test system and on the other hand the practical realization as well as measurements of the whole test system. The two realized optical sources are designed for the common telecommunication wavelengths of 1310nm and 1550 nm. The faster one of the two sources is capable of producing signals with a data rate up to 40Gbit/s. The novelty of these sources is the possibility to apply modulation signals down to DC. With this feature it is possible to generate optical data signals which are common in switched optical networks. Such signals usually have a fast AC modulation at the same time with variable amplitudes and optical mean values. Such signals are usually called burst mode signals. The practical realization of the two optical sources is separated in three independent modules for each source. One module is called 'laser' and houses temperature regulation as well as controlling of the laser diode itself. The laser diode can be operated in continuous wave mode or in direct modulated mode. This direct modulated mode can be used for data rates down to DC. For higher transmission speeds a second module was realized for each source. It uses an external modulator which allows fast and precise modulation at high speeds with the drawback that the DC modulation cannot be used for this module. A third module which is called 'power control' has a controllable optical attenuator which allows to vary the optical output power in a wide range. The combination of these three modules together with external signal generators allows generation of highly complex optical signal patterns with good reproducibility. In the presented work not only the development and the realization of the modules are described but also measurements of the basic parameters of each module. Furthermore, the combination of these modules and an exemplary burst mode signal generation setup are presented. In the last chapter a conclusion of the reached performance and a forecast on possible future research scenarios are presented.