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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 47 Die Bausteine und Komponenten optischer Netze im Überblick

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Dies ist die letzte Folge dieser Grundlagen-Serie zu optischen Netzen. Der Beitrag gibt einen kurzen und prägnanten Überblick über die Bausteine und Komponenten für optische Netzwerke.

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Schematischer Aufbau einer Leuchtdiode, LED, einer Halbleiter-Strahlungsquelle für optische Netze; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Schematischer Aufbau einer Leuchtdiode, LED, einer Halbleiter-Strahlungsquelle für optische Netze; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

In einer ganz frühen Folge dieser Serie habe ich das Thema Lichtwellenleiter bereits gesprochen. Die Dämpfung eines Lichtwellenleiters ist wie bei allen anderen Leitern frequenzabhängig (Wellenlänge des Lichtes). In völligem Gegensatz zu anderen Leitern ist die Dämpfung über die Wellenlänge bei Lichtwellenleitern jedoch nicht linear oder irgendwie exponentiell steigend oder fallend, sondern es gibt vielmehr in Abhängigkeit vom verwendeten Material ausgeprägte Dämpfungsminima und -maxima.

Erstere sind natürlich prädestiniert für die Nachrichtenübertragung, so dass sich die Festlegung des Wellenlängenbereiches für die Übertragung danach richtet. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von so genannten Fenstern, die für die uns interessierenden Komponenten bei 850, 1.300 und 1.550 nm liegen.

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Es ist also durchaus nicht jede Strahlungsquelle für ein optisches Übertragungssystem geeignet. Auch die Modulation des Lichtes kann nicht so ohne weiteres vorgenommen werden, sondern muss sich an bestimmten Gegebenheiten orientieren.

Strahlungsquellen

In optischen Datenübertragungssystemen werden in der Regel Halbleiter-Strahlungsquellen eingesetzt, und zwar Lumineszenzdioden und Laserdioden.

Eine Lumineszenz-Diode (Light Emitting Diode, LED) besteht aus einem Halbleiter-Kristall, z.B. Gallium-Arsenid (GaAs), der in zwei Hälften unterteilt ist. Die eine Hälfte ist positiv (p), die andere Hälfte negativ (n) dotiert. Die negative Schicht ist hierbei wesentlich stärker dotiert. Die Lumineszenz-Diode erzeugt im Rahmen einer Spannungsdifferenz an der Grenze der Schichten ein diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem verhältnismäßig großen Winkel abgestrahlt wird. Die Wellenlänge der Strahlung für Gallium-Arsenid (GaAs), einer gebräuchlichen Verbindung, beträgt 850 nm und entspricht einer Lichtstrahlung im infraroten Bereich.

Ferner sind auch Lumineszenz-Dioden erhältlich, die in einem Wellenlängenbereich von ca. 1.300 bis 1.500 nm strahlen. Die mittlere Strahlungsleistung von Lumineszenz-Dioden liegt bei etwa 15 mW. Durch den großen Abstrahlwinkel kann hiervon allerdings nur ein kleiner Teil der Lichtleistung in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Bei Flächenemitter-Dioden, die ihre Energie senkrecht zum pn-Übergang abgeben, beträgt dieser Wert durch den großen Abstrahlwinkel von nahezu 180 Grad im Mittel lediglich ca. 1 mW. Bei Kantenemitter-Dioden, die ihre Strahlung parallel zum pn-Übergang abgeben, kann durch einen schmaleren Austrittswinkel erheblich mehr Lichtleistung in den Lichtwellenleiter eingespeist werden.

Bei einem Halbleiter-Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) tritt aufgrund des Resonatorprinzips kohärentes, d.h. phasengleiches, monochromatisches (einfarbiges) Licht. Hinsichtlich des Lichtaustritts unterschiedet man zwischen Kantenemittern (orthogonal zum pn-Übergang) und Vertikalemittern.

Kantenemitter haben ein elliptisches Strahlprofil, welches die Faserkopplung oder die Kopplung an einen externen Modulator wesentlich erschwert. Außerdem haben sie einen relativ hohen Stromverbrauch und sind auch in integrierter Struktur recht groß. Die Vertikalemitter (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laserdiode) sind hier das bessere Konzept, weil bei ihnen das Licht sozusagen nach oben austritt. Deshalb kann man viele von ihnen auf eine kristalline Struktur integrieren und hat dann leicht abgreif- oder einkoppelbare Lichtstrahlen.

VCSELs werden z.B. auf einem Gallium-Arsenid-.Substrat konstruiert. In Abbildung 4 sieht man über dem Substrat erst einmal eine Reihe von sehr dünnen Schichten. Das sind so genannte Bragg-Reflektoren. Sie haben die Eigenschaft, in Anhängigkeit von der Dotierung bestimmte Lichtwellenlängen zu reflektieren und andere zu absorbieren.

Legt man jetzt viele Bragg-Reflektoren wie in dieser Konstruktion übereinander, entsteht ein Vollspiegel. Über diesem Vollspiegel befindet sich die eigentlich aktive Aluminiumoxid Laserschicht, in der das Licht durch stimulierte Emission erzeugt wird. Über der aktiven Schicht ist wieder eine Ansammlung von Bragg-Reflektoren, die in diesem Fall wie ein Halbspiegel funktioniert. So ist wie bei einem klassischen Rubinlaser die aktive Laserkomponente von einem Voll- und einem Halbspiegel umgeben.

Die Bragg-Reflektoren haben gegenüber einem herkömmlichen Halbspiegel aber noch die zusätzliche Eigenschaft der Filterung, so dass man durch die Dotierung im Rahmen des Fertigungsprozesses die Wellenlänge, in der der VCSEL sendet, genau bestimmen kann. Über dem Halbspiegel liegt ein ringförmiger Kontakt, in dessen Mitte das Laserlicht austreten kann. VCSELs sind auch in verschiedenen anderen Anwendungsbereichen zuhause.

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Modulation

Grundsätzlich sind zwei Alternativen der Modulation denkbar: direkte Modulation und externe Modulation.

Bei der direkten Modulation wird der Injektionsstrom des Halbleiterlasers im Rahmen der Eigenschaften der primären Zeichenschwingung variiert. Bei digitalen Systemen entspricht dies einer Pulsmodulation. Das Problem dabei ist, dass Änderungen im Injektionsstrom auch Änderungen im Brechungsindex der aktiven optischen Schicht des integrierten Halbleiterlasers hervorrufen können.

Dadurch wird neben der beabsichtigten Intensitätsmodulation auch eine Phasen- und Frequenzmodulation hervorgerufen. Dieser Effekt heißt Chirp und führt zu einer erheblichen Erweiterung des Frequenzspektrums. Diese Erweiterung des für einen Übertragungskanal benötigten Frequenzspektrums ist in CWDM und WWDM-Systemen noch tragbar, nicht jedoch in DWDM-Systemen, so dass hier in jedem Falle auf externe Modulation zurückgegriffen werden muss.

Bei der externen Modulation sendet der Laser konstant und das Licht wird in einer getrennten Einrichtung moduliert, z.B. mit einer Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur auf einem Lithium-Niobat-Substrat. Wir sehen eine solche Struktur in Abbildung 5.

Das monochromatische, kohärente Licht des Lasers wird in der MZI-Struktur durch eine Verzweigung im integrierten Wellenleiter gleichmäßig geteilt. Ein Zweig des Wellenleiters wird nicht beeinflusst, im anderen Zweig kann man den Brechungsindex durch Anlegen einer Steuerspannung geringfügig beeinflussen.

Die Beeinflussung des Brechungsindexes erzeugt eine Phasenverschiebung des durch diesen Zweig laufenden Lichtanteils. Diese Phasenverschiebung wird durch die primäre Zeichenschwingung gesteuert. Führt man dann den beeinflussten und den unbeeinflussten Zweig des integrierten Wellenleiters wieder zusammen, entstehen Interferenzen, die zu Intensitätsschwankungen gemäß dem Verlauf der primären Zeichenschwingung führen.

Abbildung 6 zeigt einen Schnitt durch den MZI an der Stelle, wo die Beeinflussung des Brechungsindexes stattfindet. Auf dem Substrat liegt eine n-dotierte Schicht, über der die lichtwellenleitende Schicht aufgebracht ist. Auf dieser wiederum liegt eine p-dotierte Schicht. Legt man jetzt Strom an den Kontakt über der p-Schicht, so entsteht durch erhöhte Rekombination von Elektron-Loch-Paaren in der lichtwellenleitenden Intrinsic-Schicht ein elektrisches Feld, welches kontraproduktiv zum Photonenfluss ist, also diesen verlangsamt, was einer Erhöhung des Brechungsindexes entspricht.

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Strahlungsempfänger

In dem an den LWL gekoppelten Empfänger wandeln Photodetektoren die optischen Impulse wieder in elektrische Signale um. Sie nutzen hierbei den inneren photoelektrischen Effekt aus. Eine auf den Detektor treffende Lichtstrahlung bestimmter Wellenlänge erzeugt in den verschieden dotierten Zonen des Halbleiters Ladungsträgerpaare. Hierdurch entstehen in einer vorgespannten Diode Driftströme. Diese Ströme sind bei einfachen Photodioden, z.B. PIN-Dioden (P-type, Intrinsic, N-Type), proportional zur einfallenden Lichtleistung. Ein großer Nachteil dieser recht einfach aufgebauten Photodetektoren ist der geringe Ausgangsstrom der Diode. Dieser muss durch nachgeschaltete, besonders empfindliche (und somit rauschende) Verstärker vervielfacht werden.

Das Problem der geringen Photoströme bei PIN-Dioden kann durch so genannte Lawinen-Photo-Dioden (auch Avalanche-Dioden oder kurz APD genannt) umgangen werden. Dieser Diodentyp wird sehr stark in Sperrrichtung vorgespannt (bis 400 V), sodass sich durch einfallende Photonen gelöste Ladungsträger durch Stoßionisation vervielfachen und auf diese Weise den Photostrom verstärken.

Dadurch hat das zum Verstärker geführte Signal einen wesentlich höheren Abstand zum Verstärkerrauschen. Der Nachteil der APD ist aber (ähnlich wie bei der Laser-Diode) ihre starke Temperaturempfindlichkeit. Durch aufwendige Schaltungen muss diesem Problem Rechnung getragen werden. Die Technik hierzu wird allerdings beherrscht.

Mittlerweile hat es sich als sehr erfolgreich herausgestellt, Strahlungsempfänger genauso aufzubauen wie VCSELs und durch Änderungen der Eigenschaften der Bragg-Reflektoren das Licht „einzufangen“ und in der aktiven Schicht nach außen hin entsprechend auswertbare Rekombinationen zu provozieren.

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Optische Multiplexer

Für die Konstruktion von Wellenlängenmultiplexsystemen benötigt man außer den bisher besprochenen Komponenten noch Multiplexer und Demultiplexer. Dazu verwendet man passive optische Komponenten, die so genannten Phasare oder Arrayed Waveguide Gratings, AWGs. Eigentlich würde für den gewünschten Effekt sogar ein Prisma reichen, was ja in der Lage ist, Licht aus unterschiedlichen Lichtwellenlängen zu einem Lichtstrahl zu konzentrieren bzw. einen Lichtstrahl in seine spektralen Komponenten zu zerlegen. Dem Prisma ist es dabei völlig gleichgültig, ob das Licht einfach Licht aus Freude am Sein ist, oder ob das Licht Informationen trägt.

Das Prisma ist in weitem Bereich frequenzunabhängig, also eine breitbandige Einrichtung in der Sprache der Nachrichtentechnik. Leider führt eine rein prismatische Mischung oder Trennung von spektralen Komponenten zu einer erheblichen Phasenverschiebung, die für WDM-Systeme sehr ungünstig ist. Also versucht man, die Phasenverschiebung durch einen Ausgleich bei den Weglängen zu neutralisieren.

Bei größeren Anwendungen, wie z.B. Transatlantik-Übertragungssystemen gibt es tatsächlich Schränke, in denen die Glasfasern liebevoll im Schrank auf einer Art Brett verlegt sind – ein befremdlicher Anblick, wenn man nicht weiß, worum es sich handelt. Mittlerweile ist es aber gelungen, die Phasare auf kleinste Halbleiterstrukturen zu integrieren. Dadurch werden sie nicht nur kleiner, sondern auch erheblich präziser. Durch kleine Änderungen im Herstellungsprozess kann man aus diesen optischen Verstärkern auch Avalanche-Empfänger oder VCSEL-Sender machen. So kommt man zu integrierten Multiwellenlängen-Sendern- und -Empfängern.

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Verstärker

Die einfachste und älteste Form eines Verstärkers bei der optischen Datenübertragung ist ein Gerät, an dessen Eingang das optische Signal demoduliert und in ein elektrische Signal konvertiert wird, dann als elektrisches Signal verstärkt und schließlich wieder auf einen (neuen) Träger moduliert wird. Ein solches Gerät ist aber im eigentlichen Sinne kein Verstärker, sondern im Rahmen der Netzwerk-Terminologie ein Repeater. Nachteilig bei einer solchen Einrichtung ist die Notwendigkeit der Stromversorgung. Andererseits kann man einen solchen Repeater direkt als Wellenlängenkonverter benutzen.

Bei optischen Netzen werden üblicherweise solche Einrichtungen als Verstärker bezeichnet, die das optische Signal so nehmen, wie es ist und verstärken. Durch die Dämpfung auf Glasfasern wird die Reichweite von Übertragungssystemen im Gigabit/s.-Bereich auf ca. 200 km beschränkt. Ein rein optisches WAN kann demnach nicht ohne Verstärker existieren. MANs und LANs kann man hingegen völlig ohne Verstärker aufbauen.

Man unterscheidet in Abhängigkeit von ihrer Positionierung an der Übertragungsstrecke drei Verstärkertypen:

  • Power Amplifier: Verstärkung vor der Übertragungsstrecke
  • Line Amplifier: Verstärkung innerhalb der Übertragungsstrecke
  • Preamplifier: Verstärkung am Ausgang der Übertragungsstrecke vor dem optischen Empfänger

Schon in den frühen achtziger Jahren wurden integrierte Halbleiterverstärker (SOA = Semiconductor Optical Amplifier) entworfen, die aber aufgrund verschiedener Nachteile keinen wirklichen Einfluss auf die Entwicklung von WAN-Strecken gehabt haben. Im Zuge der zunehmenden Miniaturisierung sind sie aber wieder interessant, besonders im Rahmen völlig integrierter optischer Strukturen.

Wirklichen Fortschritt haben die EDFAs (Erbium Doped Fiber Amplifiers) gebracht, die 1987 von Desurvire und Mears vorgestellt wurden. Innerhalb weniger Jahre Entwicklungszeit konnten sie die Reichweite optischer Übertragungssysteme auf über 9.000 km erweitern. Ohne EDFAs wären die gesamten Überlegungen für optische WANs völlig hinfällig.

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Die Klasse der Rare Earth Doped Fiber Amplifier

Der EDFA gehört zur Klasse der so genannten Rare Earth Doped Fiber Amplifier, also zu Verstärkern, die ihre Wirkungsweise der Dotierung eines Stückes der Übertragungsstrecke mit einem relativ seltenen Material verdanken.

Neben Erbium kann man auch Präseodym, Neodym oder Ytterbium verwenden, allesamt Materialien, die auch bei der Konstruktion von Hochleistungslasern verwendet werden. Seine prominente Position verdankt das Erbium der Tatsache, dass mit einer Erbium-Dotierung Verstärker geschaffen werden, die eine relativ hohe Bandbreite von ca. 35 nm im 1.550-nm-Band abdecken. Man kann Single Mode Fiber konstruieren, die in diesem Band Dämpfungsminima und somit ein Übertragungsfenster haben.

Erbium hat aber noch eine Anzahl zusätzlicher positiver Eigenschaften, auf die wir gleich noch kommen. Man kann EDFAs in drei grundsätzlichen Arten aufbauen. Der Verstärkungseffekt kommt in Anwesenheit eines Pumplaserstrahls zustande. Diesen Pumplaserstrahl muss man einkoppeln. Dabei ist es aber gleichgültig, ob er mit oder gegen die Übertragungsrichtung eingespeist wird.

Der Grundaufbau eines SOA (Semiconductor Optical Amplifier; Halbleiterlaserverstärker) ist einem Halbleiterlaser ähnlich. Er besteht aus einem lichtleitenden aktiven Medium (einem p-n-Übergang), wobei die mobilen Elektronen und Löcher die Rolle der Erbium-Ionen übernehmen. Die Energieniveaus sind dann das Leitband und das Valenzband. Die Bänder sind breiter als bei der Erbium-Dotierung. Durch Pumpen wird die Elektron-Loch-Rekombination unter Emission von Photonen stimuliert. Bei elektrischem Pumpen erzeugt man auf diese Weise einfach eine LED, wird aber eine lichtleitende Schicht eingefügt, so kommt man zum optischen Pumpen und somit zum gewünschten Verstärkungseffekt.

Durch entsprechende Auswahl der Materialien, z.B. InGaAs oder InGaAsP, kann man SOAs für die Wellebereiche bauen, die in der optischen Kommunikation bevorzugt werden, z.B. 1.300 oder 1.550 nm. Da die Energiebänder in einem Halbleiter viel breiter sind als in einem EDFA, verstärkt der SOA in einem viel breiteren Band. Dieser breitbandigen Charakteristik stehen jedoch auch Nachteile gegenüber. Die Lebenszeit zur Rekombination brauchbarer erregter Ionen ist viel kürzer als in einem EDFA und liegt im Bereich von Nanosekunden. Dadurch treten die beim EDFA besprochenen Effekte in der Schwankung der möglichen Verstärkung in einem viel kleineren Zeitraster auf. Das bedeutet, dass SOAs erst ab Übertragungsraten von mehreren Gigabit/s. brauchbar sind, weil sonst die Nebensprechdämpfung durch diese Effekte zu hoch wird. Wegen seiner asymmetrischen Geometrie ist ein SOA abhängig von der Ausbreitungsebene des Lichtes, der Polarisation. Dieses Problem hat der EDFA mit seiner zylindrischen Konstruktion nicht.