Wellenlängenumwandlungstechniken

Die Wellenlängenkonvertierung ist eine wichtige Funktion in WDM-Netzwerken (Wavelength Division Multiplexing) , da sie eine bessere Bandbreitennutzung ermöglicht und die Wahrscheinlichkeit von Blockierungen verringert, die durch Faktoren wie unzureichende Netzwerkressourcen wie Wellenlänge oder Bandbreite, fehlende Wellenlängenkonverter im Netzwerk oder Routing- und Wellenlängenzuweisungsentscheidungen auf Grundlage veralteter Netzwerkstatusinformationen verursacht werden. Die Einschränkung der Wellenlängenkontinuität erhöht die Wahrscheinlichkeit von Blockierungen. Die Einschränkung der Wellenlängenkontinuität kann durch den Einsatz von Wellenlängenkonvertern und die Entwicklung von Traffic-Grooming-Techniken gelockert werden. Ein Wellenlängenkonverter ist ein einzelnes Eingabe-/Ausgabegerät, das die Wellenlänge eines an seinem Eingangsport ankommenden optischen Signals in die andere Wellenlänge umwandelt, wenn das Signal seinen Ausgangsport verlässt, das optische Signal ansonsten jedoch unverändert lässt. Verschiedene Stufen der Wellenlängenkonvertierung sind in Abbildung 1 dargestellt .

Abbildung 1: Verschiedene Stufen der Wellenlängenumwandlung

Abhängig von den Abbildungsfunktionen und der Form der Steuersignale lassen sich Wellenlängenkonverter in drei Typen einteilen: optoelektronische (OEO), optische Gating- und Wellenmischkonverter.  Abbildung 2 (b)–(d)  zeigt Funktionsblockdiagramme für die drei Arten von Wellenlängenkonvertern. (a) zeigt das Funktionsblockdiagramm eines allgemeinen Wellenlängenkonverters.

Abbildung 2: Funktionale Blockdiagramme für verschiedene Wellenlängenkonverter

Optoelektronische (O/EE/O) Wellenlängenkonvertierung

Bei dieser Methode wird das einfallende Signal mit der Eingangswellenlänge λ1 in ein elektrisches Bitmuster umgewandelt, anschließend verstärkt und umgeformt und anschließend in ein optisches Signal mit der gewünschten Wellenlänge λ2 umgewandelt (siehe  Abbildung 3).  Diese Methode ist relativ einfach zu implementieren, da Standardkomponenten verwendet werden. Zu den weiteren Vorteilen zählen die Unempfindlichkeit gegenüber der Eingangspolarisation und die Möglichkeit einer Nettoverstärkung. Zu den Nachteilen zählen die eingeschränkte Transparenz hinsichtlich Bitrate und Datenformat, die durch die Elektronik begrenzte Geschwindigkeit und die relativ hohen Kosten, die alle auf die optoelektronische Natur der Wellenlängenumwandlung zurückzuführen sind.

Abbildung 3: O/EE/O-Wellenlängenkonvertierung

Optisches Gating und Wellenmischung Wellenlängenumwandlung

Diese beiden Methoden zur Wellenlängenumwandlung gehören zur rein optischen Wellenlängenumwandlung. Bei diesen rein optischen Methoden verbleibt das optische Signal während des gesamten Umwandlungsprozesses im optischen Bereich. Beachten Sie, dass „rein optisch“ in diesem Zusammenhang bedeutet, dass keine O/E-Umwandlung stattfindet. Was sind optisches Gating und Wellenmischung? Keine Sorge, nach der Lektüre des folgenden Inhalts werden Sie alles verstehen.

Optical Gating ist eine Reihe von Techniken, die Kreuzmodulation zur Wellenlängenumwandlung verwenden. Diese Techniken nutzen aktive optische Halbleitergeräte wie Halbleiter-Optikverstärker (SOA) und Laser. Kreuzmodulationsverfahren lassen sich weiter in Kreuzverstärkungsmodulation (XGM) und Kreuzphasenmodulation (XPM) unterteilen. Die bislang vielversprechendste Methode zur Wellenlängenumwandlung ist die Kreuzmodulation in einem SLA (Halbleiterlaserverstärker), in dem entweder die Verstärkung oder die Phase moduliert werden kann. Ein einfacher XGM-Konverter ist in Abbildung 4 (a) dargestellt . Die Idee hinter XGM besteht darin, das Eingangssignal mit einem CW-Strahl (Continuous Wave) bei der neuen gewünschten Wellenlänge im SLA zu mischen. Aufgrund der Verstärkungssättigung wird der CW-Strahl intensitätsmoduliert, sodass er nach dem SLA dieselben Informationen wie das Eingangssignal trägt. Wie Sie sehen, ist nach dem SLA ein Filter platziert, mit dem die ursprüngliche Wellenlänge terminiert wird. Das Signal und der CW-Strahl können sich entweder gleich- oder gegenläufig ausbreiten. Ein Ansatz mit Gegenausbreitung hat den Vorteil, dass kein Filter erforderlich ist und keine Wellenlängenumwandlung stattfindet. Ein typischer XGM-SLA-Konverter ist polarisationsunabhängig, hat aber die Nachteile eines invertierten Ausgangssignals und eines niedrigen Extinktionsverhältnisses.   Abbildung 4 (b) zeigt die Kreuzphasenmodulation mit einem SLA zur Wellenlängenumwandlung, die die Erzeugung eines nicht invertierten Ausgangssignals mit verbessertem Extinktionsverhältnis ermöglicht. Die XPM basiert auf der Tatsache, dass der Brechungsindex im aktiven Bereich eines SLA von der Trägerdichte abhängt. Wenn sich daher ein intensitätsmoduliertes Signal durch den aktiven Bereich eines SLA ausbreitet, verringert es die Trägerdichte und moduliert dadurch den Brechungsindex, was zur Phasenmodulation eines CW-Strahls führt, der sich gleichzeitig durch den SLA ausbreitet.

Abbildung 4: Verwendung eines SLA zur Wellenlängenumwandlung. (a) Kreuzverstärkungsmodulation. (b) Kreuzphasenmodulation.

Wellenmischung ( Abbildung 5)  entsteht durch die nichtlineare optische Reaktion eines Mediums, wenn mehr als eine Welle vorhanden ist. Sie führt zur Erzeugung einer weiteren Welle, deren Intensität proportional zum Produkt der wechselwirkenden Wellenintensitäten ist. Die Wellenmischung bewahrt sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformationen und bietet somit absolute Transparenz. Sie ermöglicht außerdem die gleichzeitige Umwandlung mehrerer Eingangswellenlängen in mehrere Ausgangswellenlängen und könnte Signale mit Bitraten von über 100 Gb/s verarbeiten. Es gibt zwei Arten der Wellenmischung: FWM (Vier-Wellen-Mischung) und DFG (Differenzfrequenzerzeugung). FWM ist ein Intermodulationsphänomen in der nichtlinearen Optik, bei dem Wechselwirkungen zwischen zwei Wellenlängen zwei zusätzliche Wellenlängen im Signal erzeugen. Es ähnelt dem Intercept-Punkt dritter Ordnung in elektrischen Systemen. Die Vier-Wellen-Mischung kann mit der Intermodulationsverzerrung in herkömmlichen elektrischen Systemen verglichen werden. DFG ist eine Folge einer nichtlinearen Wechselwirkung zweiter Ordnung eines Mediums mit zwei optischen Wellen: einer Pumpwelle und einer Signalwelle. Diese Technik bietet eine breite Palette von

Transparenz ohne übermäßiges Rauschen im Signal und Spektruminversionsfunktionen, aber der Wirkungsgrad ist gering. Die Hauptschwierigkeiten bei der Implementierung dieser Technik liegen in der Phasenanpassung der interagierenden Wellen und in der Herstellung eines verlustarmen Wellenleiters für eine hohe Umwandlungseffizienz.

Abbildung 5: Ein Wellenlängenkonverter basierend auf nichtlinearen Wellenmischungseffekten. Der Wert n=3 entspricht FWM und n=2 entspricht DFG

Dieser Artikel beschreibt die verschiedenen Techniken zur Entwicklung eines Wellenlängenkonverters. Sie haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Wahl der Technologie für die Wellenlängenkonvertierung in einem Netzwerk hängt von den Anforderungen des jeweiligen Systems ab.