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Exponentieller Anstieg im Zeitverlauf

Die Übertragung im zweistelligen Terabyte-Bereich pro Sekunde (Tb/s) über Glasfaser erfordert eine höhere Ausgangsleistung für optische Verstärker. Ein solch hohes optisches Leistungsniveaus in Langstrecken-Unterwassersystemen ist problematisch zu erzielen, da die Fähigkeit, optische Verstärker mit Leistung zu versorgen durch die landseitig in ein Kabel einspeisbare Höchstspannung begrenzt ist[1].

Autoren

Von: Alexei Pilipetskii, Dmitri Foursa, Maxim Bolshtyansky, Georg Mohs und Neal S. Bergano. Dieser Bericht wurde erstmals auf der SubOptic 2016 vorgestellt, wo er mit dem „SubOptic 2016 Excellence in Industry Award“ für den besten Bericht ausgezeichnet wurde.

Der direkte Lösungsansatz besteht in einer höheren Höchstspannung für die Leitung; das führt jedoch zu deutlichen höheren Kosten und einem höheren Zuverlässigkeitsrisiko. Daher müssen effizientere Möglichkeiten zur Nutzung der optischen Leistung gefunden werden. Die Steigerung des Gesamtwirkungsgrads der Leistung eines Übertragungssystems ist abhängig von der Stromversorgung und der Nutzung der optischen Leistung1. In diesem Bericht behandeln wir Möglichkeiten zur effizienteren Nutzung der optischen Leistung. Das bedeutet, herauszufinden, wie mehr Daten trotz der insgesamt bestehenden Beschränkung der optischen Leistung übertragen werden können. Wir stellen Ergebnisse der Demonstrationen zur Übertragungskapazität im C-Band und in den erweiterten C+L-Bändern aus Sicht der erzielten Kapazität im Vergleich mit der optischen Leistung vor. Ein besonderes Augenmerk liegt auf dem Raummultiplexverfahren (auch SDM-Verfahren oder Space Division Multiplexing genannt), das zum Vergrößern der Übertragungskapazität bei Einhaltung der Leistungsbeschränkungen zum Einsatz kommt. Wir zeigen, dass der Einsatz von SDM auch zu einer weiteren Verbesserung der Leistungseffizienz durch effektives Abschwächen nicht-lineare Beeinträchtigungen führen kann, und wir behandeln die Skalierung der Kapazität in Verbindung mit Leistung, Bandbreite und Index des Raummultiplexverfahrens. Die Optimierung von Leistungseffizienz und Kapazität bedingt wiederum eine Optimierung der spektralen Effizienz der Übertragung und die Suche nach den neuen, leistungseffizienten Modulierungsformaten. Die Aufgabenstellung für mehr Kapazität und Steigerungen der Leistungseffizienz wird als komplexes, multidimensionales Problem mit vielen Aspekten betrachtet.

Der effizienteste Leistungswert liegt weit unter dem Wert, bei dem in einem nichtlinearen Szenario die maximale Glasfaserkapazität erreicht wird.

Demonstrationen der Kapazität von Singlemode-Glasfaser und optische Leistung. Um die in den kürzlich durchgeführten Experimenten zur Langstreckendatenübertragung mittels Singlemode-Glasfasern 2, 3, 4 erreichte Effizienz bei der optischen Leistung zu verstehen, müssen wir die zum Demonstrieren der Kapazität erforderliche optische Leistung untersuchen. In 2 wurde eine Kapazität von 30 Tb/s erzielt, und zwar bei voller C-Band-Übertragung mit 6,1 Bit/s/Hz spektraler Effizienz (SE) über eine transatlantische Strecke bei ~20 dBm der EDFA-Ausgangsleistung nahe des Optimums aus nichtlinearer Sicht. Ein weiteres Experiment mit einer vergrößerten Bandbreite (C+L-Bänder) steigerte die übertragene Kapazität auf 44,1 Tb/s über eine längere transpazifische Strecke von 9.100 km mit in etwa derselben optischen Leistung 3. Durch Steigern der optischen EDFA-Ausgabe um ~66 % auf 22,2 dBm stieg die Kapazität jedoch nur um ~10 % 4. In allen Experimenten wurde die Kapazität durch Wahl der Modulationsformate mit geeigneter spektraler Effizienz maximiert. Auf Basis dieser Ergebnisse lassen sich die folgenden Schlüsse ziehen:

  • Es ist möglich, die Kapazität bei ähnlicher optischer Gesamtleistung durch Spreizen der optischen Leistung über eine größere Bandbreite zu steigern. Das entspricht dem Spreizen der Leistung über mehr Glasfaserleiter oder Raumdimensionen und deutet auf eine höhere Kapazität für SDM-Systeme bei gleicher Signal-Gesamtausgangsleistung hin.
  • Für das Optimieren der Systemleistungseffizienz muss ein Modulationsformat mit geeigneter spektraler Effizienz ausgewählt werden.
  • Der Betrieb am optimalen, nichtlinearen Systempunkt führt nicht zur bestmöglichen Leistungsnutzung aus Sicht der erzielbaren Kapazität bei einer bestehenden Leistungsbeschränkung.
Leistungseffizienz für ein ideales System mit 10.000 km Reichweite
Abbildung 2: Leistungseffizienz für ein ideales System mit 10.000 km Reichweite
Vergleich von 8D-APSK mit üblichen QAM-Formaten
Abbildung 3: Vergleich von 8D-APSK mit üblichen QAM-Formaten. Die Konstellation zeigt die nicht-gleiche Wahrscheinlichkeit der Punkte.

Optimierung von Systementwurf und optischer Leistung. Eine Messgröße für die optische Leistungseffizienz kann als ein Produkt aus der Gesamtkapazität und der Übertragungsstrecke geteilt durch die Summe der Ausgangsleistungen der Verstärker im System definiert werden. Die Messgrößen der optischen Leistungseffizienz für zwei verschiedene Werte der spektralen Effizienz sind in Abb. 2 als Funktion des Repeater-Abstands für ein ideales Verstärkerrauschen von 3 dB dargestellt. Zu erkennen ist, dass ein Repeater-Abstand von etwa 50 km die größte Leistungseffizienz bietet. Zum Vergleich: Die Leistungseffizienz aus neueren Übertragungsdemonstrationen 2–9 ist ebenfalls dargestellt. Das Experiment 8, 9 , das speziell auf die Steigerung der Leistungseffizienz abstellt, wird unten detaillierter behandelt. Die Verbesserung der optischen Leistungseffizienz kann aus dem Einsatz von Modulationsformaten mit der hohen Empfängerempfindlichkeit folgen. Das Beispiel des achtdimensional codierten Modulationsformats 8D-APSK mit einer spektralen Effizienz auf einer Stufe mit QPSK und ~0,8 dB besserer Empfängerempfindlichkeit ist in Abb. 3 dargestellt. Der Betrieb des Übertragungssystems in einem linearen Szenario mittels geeigneter Wahl der Repeater-Ausgangsleistung ist eine weitere Möglichkeit zum Steigern der Leistungseffizienz. Der effizienteste Wert für die Leistung liegt deutlich unter dem Wert, für den in einem nichtlinearen Szenario die maximale Übertragungskapazität erreicht wird. Im Experiment 8 wird die Leistungseffizienz durch Betrieb der Verstärker bei niedriger Ausgangsleistung optimiert.

Die Steigerung der Leistungseffizienz kann auch das Ergebnis einer Anpassung der Verstärkerbandbreite sein. Die Bandbreitenoptimierung kann den Einsatz eines GE-Filters (Gain Equalization Filter) in den einzelnen Repeatern überflüssig machen, was zu einer Reduzierung des durchschnittlichen Repeater-Ausgangsverlusts führt. Die leistungseffiziente Übertragung mit verlustarmen 60-km-Glasfaserstrecken, einem leistungseffizienten Modulationsformat und bandbreitenoptimierten EDFAs mit Gain Flattening in einem Block mit 10 Verstärkern wurde in 8 gezeigt. Je EFDA sind maximal 45 mW Pumpenleistung zur Übertragung von 8,12 Tb/s über 9750 km erforderlich (Abb. 4). Das Übertragungs-Testbed wird im linearen Szenario betrieben und zeigt, dass die höchste protokollierte Leistungseffizienz 54,8 (Pb/s)*(km/W) beträgt 9.

Leistung und OSNR nach einer Strecke von 9.750 km
Abbildung 4: Leistung und OSNR nach einer Strecke von 9.750 km
Theoretische spektrale Effizienz
Abbildung 5: Theoretische spektrale Effizienz

SDM und Leistungseffizienz Die oben behandelten Ideen können einzeln für Steigerungen der Leistungseffizienz und Leistung in optischen Übertragungssystemen eingesetzt werden. Die größtmögliche Kapazitätssteigerung kann durch Anwenden aller genannten Ideen mittels Raummultiplexverfahren (SDM) erzielt werden. Das folgt aus der Betrachtung der fundamentalen Shannon-Grenze, die zeigt, dass eine höhere SE ein stetig anwachsendes SNR bedingt (Abb. 5). Zum Verdoppeln einer SE mit Polarisationsmultiplexverfahren von 2 auf 4 b/s/Hz erfordert einen SNR-Anstieg von ~4,8 dB (auch für die erforderliche Leistung). Eine weitere Verdoppelung (von SE = 4 auf SE = 8) erfordert einen Anstieg von etwa 7 dB bei SNR und Leistung. Daher führt der Leistungszuwachs von insgesamt 11,8 dB zu einem gesteigerten SE von 2 b/s/ Hz um lediglich den Faktor 4. Außerdem führt der Anstieg der optischen Signalleistung in der Glasfaser zu einem Anstieg der nichtlinearen Beeinträchtigungen. Betrachtet man den SDM-Ansatz, kann diese Leistungssteigerung von insgesamt 11,8 dB auf beispielsweise 15 parallele Raumdimensionen (Leitungen, Fasern) aufgeteilt werden, die jeweils eine anfängliche SE von 2 b/s/Hz übertragen. Die gesamte SE betrüge in diesem Fall 30 b/s/ Hz gegenüber 8 b/s/Hz für eine Einzeldimension (Schätzung), bei der Nichtlinearitäten keine Berücksichtigung finden.

OSNR und Q-Faktoren für die einzelne Raumdimension nach 14.350 km
Abbildung 6: OSNR und Q-Faktoren für die einzelne Raumdimension nach 14.350 km
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Mehrfachfaser-Experiment. Die Demonstration der leistungseffizienten SDM-Übertragung mit hoher Kapazität wurde mithilfe von Mehrfachfasern (MCF, Multicore Fibre) durchgeführt 10. In dieser Arbeit beruht der Übertragungspfad auf einer 46 km langen Glasfaserspule mit 12 Kernen sowie Vorrichtungen zur Eingangs- und Ausgangsfächerung. Der durchschnittliche Verlust aller 12 Kerne mit 110 m2 Wirkfläche einschließlich Ein- und Ausgangsfächerung beträgt 9,7 dB. Die Leistungseffizienz wird durch eine Reduktion der Leistung und Nichlinearitäten in der Glasfaser mithilfe einer Vielzahl von Raumdimensionen (Glasfaserkernen) und dem Einsatz einstufiger EDFAs mit ~22 nm Bandbreite maximiert. Breite und Lage der Betriebsbandbreite werden auf maximale Leistungseffizienz sowie Verstärkungsdifferenz getrimmt und so ausgelegt, das möglichst nicht in jedem Verstärker ein GFF benötigt wird. Eine Gesamtübertragungskapazität von 105,1 TB/s wurde anhand der 12-Kern-Glasfaser in Verbindung mit dem leistungseffizienten Modulationsformat 8D-APSK [8] erzielt. Abb. 6 zeigt die gemessene Leistung für 82 Kanäle in einem Kern. Die Gesamtpumpenleistung der 12 EDFAs während der Einrichtung der Übertragungsschleife betrug weniger als den Wert einer einzelnen Pumpenlaserdiode mit 800 mW.

Zusammenfassung

Die Versorgung optischer Verstärker mit elektrischer Energie ist ein begrenzender Faktor für optische Langstrecken-Tiefseekabel. Diese Begrenzung erfordert effiziente Möglichkeiten zur Nutzung der optischen Leistung. Das Raummultiplexverfahren (SDM, Space Division Multiplexing) in Verbindung mit einer Optimierung von Modulationsschemata, Repeater-Abstand und Verstärkerkonstruktion wird als vielversprechende Richtung präsentiert.