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Ein kohärenter optischer Transceiver verfügt über einen Senderlaser (TX) und einen Lokaloszillatorlaser (LO). Dieser kann auf zwei separaten Lasern oder einem einzigen Laser basieren. Die Anforderungen an die Laserspezifikationen sind je nach Übertragungsdistanz unterschiedlich. Hier erläutern wir einige wichtige Laseranforderungen und deren Einsatzgebiete.
1. Geringer Stromverbrauch und geringe Größe
Wie in Abb. 1 zu sehen ist, ist für steckbare kohärente Transceiver stets ein abstimmbarer Laser mit geringem Stromverbrauch und kleiner Größe erforderlich. Line-Cards hingegen können diese beiden Anforderungen besser erfüllen. Beachten Sie, dass die neuen steckbaren Transceiver mit kleinem Formfaktor wie DD-QSFP und OSFP sehr wenig Platz beanspruchen und daher besondere Sorgfalt erforderlich ist, um sicherzustellen, dass diese beiden Laseranforderungen erfüllt werden.
2. Hohe optische Leistung
Dies ist besonders wichtig für kohärente Transceiver mit (a) höherer Modulator-Einfügungsdämpfung (z. B. auf Silizium-Photonik-Basis) und/oder (b) höherem Modulationsverlust aufgrund einer höheren Modulationsordnung. Letzteres ist auf die abnehmende durchschnittliche Signalleistung bei höherer Modulationsordnung zurückzuführen. Beispielsweise ist der Modulationsverlust bei 64QAM um 3–3,5 dB höher als bei QPSK. Die obige Beschreibung basiert auf der Annahme, dass ein Booster-EDFA aus Platzgründen nicht in den Transceiver integriert werden kann; oder dass selbst bei Verfügbarkeit eines internen EDFA ein Laser mit höherer optischer Leistung benötigt wird, um eine bestimmte TX-OSNR-Anforderung zu erfüllen.
Ein Laser mit hoher optischer Leistung wird auch dann benötigt, wenn ein einzelner Laser gleichzeitig als TX- und LO-Laser verwendet wird, d. h. seine Leistung wird zwischen TX und LO aufgeteilt. Typischerweise wird eine Ausgangsleistung von +16 dBm oder mehr als hohe Leistung angesehen (dies gilt gleichermaßen für Laser mit abstimmbarer oder fester Wellenlänge).
Wie in Abb. 1 dargestellt, ist ein Hochleistungslaser nur in wenigen Fällen nicht erforderlich: (i) Inline-Optikverstärker werden in einem DWDM-System mit niedrigerer Datenrate und kurzer Distanz verwendet, oder (ii) bei einer grauen Verbindung mit sehr niedriger Datenrate und kurzer Distanz sowie weniger strengen Anforderungen an das Verbindungsbudget (beispielsweise aufgrund geringer Patchpanel-Verluste).
3. Großer Stimmbereich
Diese Anforderung lässt sich in vier Bereiche unterteilen: (a) feste (oder teilweise abstimmbare) Frequenz; (b) abstimmbar über das C-Band; (c) abstimmbar über die C- und L-Bänder mit zwei getrennten abstimmbaren Lasern und (d) abstimmbar über den 1,5-fachen Frequenzbereich des C-Bands. Wie in Abb. 1 gezeigt, ist innerhalb eines Rechenzentrums im Allgemeinen kein weit abstimmbarer Laser erforderlich. Bei einer 10–80 km langen Verbindung zwischen Rechenzentren (DCI) ist die Abstimmbarkeit der Laserfrequenz kein Muss, obwohl abstimmbare Laser für einen einfacheren Betrieb vorzuziehen wären. Für U-Bahn-Systeme und darüber hinaus ist die Abstimmbarkeit der Laserfrequenz aufgrund des sporadischen und zufälligen Einsatzes der Laserfrequenz immer erforderlich. Für DCI können im C-Band und L-Band abstimmbare Laser dazu beitragen, die Gesamtkapazität auf 9,6 THz (= 4,8 THz x 2) zu steigern, würden aber zwei getrennte Modelle abstimmbarer Laser und zwei Modelle erbiumdotierter Faserverstärker (EDFAs) erfordern. Für Telekommunikationsnetzwerke kann der neu entwickelte abstimmbare Laser 6 THz abdecken (im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten abstimmbaren Lasern mit 4 oder 4,8 THz) und benötigt nur ein einziges EDFA-Modell, um das Netzwerk kostengünstiger und einfacher zu betreiben als C+L zu machen. Die ursprüngliche Idee einer Gesamtbandbreite von 6 THz rührt von dem Gedanken her, den Verlust der Gesamtfaserkapazität durch die neue Anforderung eines Abstands von 75 GHz zu vermeiden, wenn die Signal-Baudrate 64 Gbaud übersteigt. Durch abstimmbare Laser, die 6 THz abdecken, kann die Gesamtzahl der Kanäle bei 80 (= 6 THz/75 GHz) gehalten werden, was dem Wert eines regulären Systems mit 50 GHz-Abstand entspricht. Wenn also die Baudrate verdoppelt wird und die Kanalzahl unverändert bleibt, kann die Gesamtkapazität tatsächlich verdoppelt werden.
4. Geringes Phasenrauschen
Ein Laser mit geringem Phasenrauschen weist auch ein niedriges Frequenzrauschen auf. Ein Laser mit niedrigem Frequenzrauschen weist in seiner spektralen Rauschleistungsdichte geringes Flimmerrauschen und geringe Störtöne unter 1–100 MHz sowie geringes Weißfrequenzrauschen zwischen ca. 10 MHz und ca. 1 GHz auf (bei einem modernen, abstimmbaren Halbleiterlaser). Multipliziert man die spektrale Rauschleistungsdichte des einseitigen Weißfrequenzrauschens mit dem Faktor π, erhält man die Laserlinienbreite.
Abb. 2 zeigt die Auswirkungen auf empfangene 16QAM-Konstellationsdiagramme in einem kohärenten System mit und ohne Laserphasenrauschen. Die durch das Laserphasenrauschen verursachten Phasendrehungen der Konstellationspunkte entlang der drei konstanten Radien in einer 16QAM-Konstellation sind in Abb. 2(b) deutlich zu erkennen. Der negative Effekt besteht darin, dass einige benachbarte Konstellationspunkte nicht klar unterschieden werden können, was zu einer höheren System-Bitfehlerrate führt.
Im Allgemeinen ist ein geringes Laserphasenrauschen erforderlich für (i) ein System mit einer Modulation höherer Ordnung ≥ 64QAM (man kann sich vorstellen, dass das Laserphasenrauschen dazu führen kann, dass die dichten Konstellationspunkte des Lasers leicht miteinander interferieren) und (ii) ein System mit einer hohen Baudrate und/oder einer langen Übertragungsdistanz (verursacht durch ein Phänomen namens „Equalizer-verstärktes Phasenrauschen“, das strenge Anforderungen an das LO-Phasenrauschen stellt).
Wie in Abb. 1 dargestellt, ist das Laserphasenrauschen besonders wichtig für kohärente Langstrecken- oder Unterwassersysteme oder Metro-Entfernungen mit hoher Datenrate. Für Metro-Systeme mit niedriger Datenrate und für kurze Entfernungen wie DCI (10–80 km) und Intra-Rechenzentren ist geringes Phasenrauschen weniger kritisch, sofern keine hochgradige Modulation ≥ 64QAM verwendet wird. Beachten Sie, dass für 10–80 km DCI mit ≥ 400 Gbit/s immer noch eine Laserlinienbreite von weniger als 200–500 kHz erforderlich ist, unabhängig davon, ob ein abstimmbarer oder ein DFB-Laser mit fester Wellenlänge verwendet wird.
Mit der obigen Beschreibung der Anforderungen an kohärente Laser führen wir in Abb. 1 für jede Anwendung die geeigneten Kandidaten kommerziell erhältlicher abstimmbarer Laser und Laser mit fester Wellenlänge auf.
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