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Synchrone optische Abtastung höchstbitratiger Datenströme

31.12.2005

Die benötigte Bandbreite moderner optischer Datenübertragungssysteme steigt stetig an, weshalb beim 'optical time-division-multiplexing' (OTDM) mehrere Bitströme mit einer Datenrate von 10 Gbit/s zeitlich ineinander zu einem Datenstrom höherer Bitrate verschachtelt werden. Auf diese Weise wurden in Laboranwendungen bereits Bitraten bis zu 640 Gbit/s realisiert, was 64 mal höher ist, als es dem etablierten Stand der Technik entspricht.

Bei diesen Datenraten wirken sich Störeffekte in Fasern und sonstigen Baugruppen der Übertragungsstrecke besonders kritisch auf die Bit-Fehlerrate aus. Die Bandbreite elektronischer Abtastoszilloskope von maximal 80 GHz reicht allerdings nicht aus, um höchstbitratige Datenströme zu analysieren. Deshalb ist es essenziell wichtig, neue Messmethoden zur Charakterisierung von OTDM-Signalen zu entwickeln. Eine Möglichkeit besteht darin, den optischen Datenstrom mit kurzen Lichtimpulsen niedrigerer Wiederholrate abzutasten. Diese Abtastung kann entweder linear (durch Auswertung des Interferenzkontrastes) oder nichtlinear (durch Summenfrequenzerzeugung) erfolgen [1].

Bei herkömmlichen optischen Abtastoszilloskopen ist die Abtastfrequenz leicht gegen die Datenrate verstimmt. Dadurch wird über einen Noniuseffekt sukzessive die Form der sich quasi-periodisch wiederholenden Datenbits abgetastet. Diese Daten werden dann in sogenannten Augendiagrammen dargestellt. Ein in der Arbeitsgruppe 4.53 entwickeltes, neuartiges Abtastverfahren nutzt hingegen die charakteristische Eigenschaft von OTDM-Systemen aus, dass der 10 GHz-Daten-Grundtakt bereits vorliegt. Auf diesen werden die Abtastimpulse synchronisiert, indem in einem Phasenregelkreis eine geeignete hohe Harmonische der Abtastfrequenz phasenstarr an das 10 GHz-Taktsignal gekoppelt wird. Zur Aufnahme eines Augendiagramms wird schließlich die Verzögerungszeit zwischen Daten- und Abtaststrom durchgefahren.

Wird in den Regelkreis zusätzlich eine Offset-Frequenz eingefügt, bei der eine ganzzahlige Oberwelle auf die Abtastfrequenz fällt, können durch OTDM erzeugte Signale mit höheren Datenraten ebenfalls abgetastet werden. Unter Einsatz der beschriebenen Methode wurde in einer Industriekooperation mit einem namhaften deutschen Hersteller von OTDM-Komponenten ein ps-Laser mit einem 10 GHz Grundtakt charakterisiert. Dabei konnten Augendiagramme von OTDM-Datenströmen bis hinauf zu 320 Gbit/s aufgezeichnet werden. Die Abbildung zeigt als typisches Beispiel ein Augendiagramm bei 160 Gbit/s.


Augendiagramm eines 160 Gbit/s return-to-zero Datenstroms


Literatur:

[1] E. Benkler, H.R. Telle, K. Weingarten, L. Krainer, G. Spühler, U. Keller, Characterization of ultrashort optical pulse properties by amplitude-modulation-balanced heterodyne gating, Opt. Lett. 30, 2016 (2005)