Reichweitenerhöhung 100G LR4

SOA - Einfache Reichweitenerhöhung für 100G LR4 basiertes U-Bahn-Netzwerk

Vor der Einführung von optischen Verstärkern wurde die Reichweitenerhöhung durch Repeater oder Regeneratoren ermöglicht. Ein Regenerator wird auch als optisch-elektrisch-optisches Gerät (OEO) bezeichnet, da es das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt, dieses Signal dann verarbeitet (wieder verstärkt, umformt und auffrischt) und dann wieder auf ein optisches Signal umwandelt, sodass das Signal längere Entfernungen abdecken kann. Dieses Verfahren ist nicht nur teuer, sondern schränkt aufgrund der Grenzen der Elektronik die nutzbare optische Bandbreite ein.
Die Einführung von optischen Verstärkern in den 90er Jahren eroberte die Regenerator-Technologie und öffnete die Türen zur WEM-Technologie. Es gibt verschiedene Arten von optischen Verstärkern - je nach Verstärkungstechnik. Dazu gehören SOAs (optische Halbleiterverstärker), EDFAs und Raman-Verstärker.

In diesem Bericht befassen wir uns eingehend mit der SOA-Technologie und werfen einen Blick in die vom Formfaktor unabhängige Nischenanwendung mit 100G LR4 Ethernet für U-Bahn-Netzwerke.

Grundlagen des SOA

Ein optischer Halbleiterverstärker (Semiconcuctor Optical Amplifier, SOA) wurde in Array-Anwendungen wie Wellenlängenumwandlung, Signalregeneration, Impulsumgestaltung und Leistungsbegrenzung eingesetzt. Aufgrund der hohen Integrations- und Volumenproduktionsfähigkeit war dies ein äusserst beliebtes Produkt, wenn ein Verfahren Platz und Energieeffizienz benötigte. SOAs wurden in einer Vielzahl von Hochgeschwindigkeits-Applikationen von Langstrecken zu U-Bahn bis zu optischen Zugangsnetzwerken eingesetzt.  SOAs sind im Handel in verschiedenen Formfaktoren je nach Applikation und Anforderungen erhältlich.

Das grundlegende Funktionsprinzip eines SOA ist identisch mit jenem eines optischen Halbleiterlasers auf Basis der stimulierten Emission, ausser, dass es kein Reflexionsfeedback hat. Das Übertragungsmedium wird zunächst mit einem externen Strom stimuliert, der ein Springen des Elektrons auf die nächste Stufe auslöst. Ein eingehendes Photon mit einer bestimmten Frequenz interagiert dann mit dem stimulierten Elektron und erzwingt den Rückfall auf dessen natürlich niedrigeres Energieniveau. Der Energieverlust in diesem Prozess erzeugt ein neues Photon mit identischer Phase, Frequenz, Polarisation und Richtung des zufälligen Photons.

Zur Stimulation der Elektrone im aktiven SOA-Bereich wird elektrischer Pumpstrom verwendet. Wenn das optische Signal durch den aktiven Bereich kommt, führt es dazu, dass diese Elektrone Energie in Form von Photonen verlieren und wieder in den Grundstatus gelangen. Die stimulierten Photonen haben dieselbe Wellenlänge wie das optische Signal, daher verstärken Sie es.

Die Schlüsselparameter zur Chrakterisierung eines SOAs sind Verstärkungsfaktor, Verstärkungsfaktor-Bandbreite, Sättigungs-Ausgangsleistung und Geräusch. Der Verstärkungsfaktor ist jener Faktor, mit dem das Eingangssignal verstärkt wird und als Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung (in dB) gemessen wird. Der optische Verstärkungsfaktor der Einheit wird vom SOA-Strom kontrolliert. Ein höherer Verstärkungsfaktor führt zu einem höheren optischen Ausgangssignals. Die Verstärkungsfaktor-Bandbreite legt den Bandbreitenbereich fest, in dem die Verstärkung funktioniert. Eine grosse Verstärkungsfaktor-Bandbreite ist zur Verstärkung von einer ganzen Reihe von Signalwellenlängen erwünscht.

Die Sättigungs-Ausgangsleistung ist die maximale Ausgangsleistung, die nach maximaler Verstärkung erzielt werden kann Es ist wichtig, dass das SOA einen hohen Leistungs-Sättigungswert hat, damit es im linearen Funktionsbereich bleibt und einen hohen dynamischen Bereich hat. Geräusch bedeutet das unerwünschte Signal innerhalb der Signalbandbreite, das wegen der physischen Verarbeitung im Verstärker entsteht. Ein Parameter namens Geräusch wird zur Messung der Geräuschauswirkung verwendet, die typischerweise um 5 dB liegt.

100G LR4 Verstärkung über SOA

Der SOA ist besonders für optische Übertragungssysteme mit 1310 nm Wellenlängen wichtig. Die Dämpfung bei einem Wellenlängenbereich von 1310 nm ist höher als im 1550 nm Band. Deshalb wird die Verstärkung zu einer wichtigen Voraussetzung. Ein normaler Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) würde nicht funktionieren, da er Signale im Bereich von 1550 nm verstärkt und die 1310 nm Signale blockiert. Der 100GBASE-LR4 Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Transceiver verwendet ausserdem vier Wellenlängen-multiplexte (WDM) gemischtübertragende Signale in der 1310nm-Region, die durch einen Abstand von 800 GHz getrennt sind. Die Reichweite dieses Transceivers wird mit 10 km angegeben.

Für Anwendungen mit Reichweiten über 10 km wurde das 100GBASE-ER4 Ethernet vorgeschlagen, das über einen Übertragungsreichweite von mindestens 40 km verfügt. Der ER4 Transceiver kann entweder mithilfe eines SOA oder eines Avalanche-Fotodetektors (APD) an der Empfänger-Unterbaugruppe im Transceiver hergestellt werden, um eine höhere Empfindlichkeit zu erzielen und die Leistungsbilanz zu erhöhen. Der kommerzielle ER4-Transceiver ist in CFP- und CFP2-Formfaktoren erhältlich. Wegen der Leistungs- und Platzbegrenzung der kleineren Formfaktoren ist ein 100G ER4 Transceiver nicht möglich und deshalb in CFP4- oder QSFP28-Formfaktoren nicht verfügbar. Darüber hinaus hat die Umstellung der Schalter und Router auf QSFP28 Ports mit hoher Dichte begonnen, um die Kapazität zu erhöhen und den Platzbedarf, die Verlustleistung und zu guter Letzt die Kosten zu reduzieren. Im Endeffekt sind dadurch ER4 Transceiver für ein solches System nicht geeignet.

Der SOA wird als optischer Vorverstärker eingesetzt, d.h. er wird vor dem Empfänger angebracht, um ein eingehendes schwaches Signal zu verstärken. In einem solchen Szenario stellt die externe Verstärkung des 100G LR4 Signals eine optimale Lösung dar, wenn lange Strecken (>10 km) erforderlich sind. Somit würde dies nicht nur zur Verstärkung dienen, sondern würde auch grundsätzlich eine Unabhängigkeit des Transceivers in Bezug auf Formfaktor und Art des Schalter-Ports bieten. Der 100G LR4 Transceiver ist in verschiedenen Formfaktoren verfügbar, wie in Abbildung 3 dargestellt (unterer Teil). Dies zeigt, dass LR4 Transceiver auch in kleineren Gehäusen von CFP4 und QSFP28 verfügbar sind.

Der SOA präsentiert sich als einfache Plug-and-Play-Alternative und kann aufgrund seiner einzigartigen hochintegrierbaren Eigenschaft in Linecards entwickelt werden. Aufgrund der verschiedenen Formfaktoren der 100G LR4 Transceiver bestehen feine Unterschiede in der tatsächlichen Reichweite. Der Pumpstrom des Verstärkers muss zur Anpassung der Verstärkung geändert werden, um der gleichen Anwendung zu entsprechen. Durch ein einfaches Hinzufügen des SOAs kann die Reichweite des 100G LR4 CFP einfach auf ca. 40 km erweitert werden.

Das SOA-verstärkte LR4-Signal kann mit einem speziellen 1310nm+DWDM Multiplexer gemeinsam mit 40 Mal 10 Gbit/s DWDM-Signalen gemultiplext werden, um die Kapazität bis auf 500 Gbit/s über Metro-Entfernungen zu erhöhen. Die Übertragungsstrecke in diesem Szenario wäre 10 km und je nach Multiplexer-Verlust, Fiberverlust und Formfaktor des Transceivers kann die maximale Übertragungsstrecke bewertet werden. Ausserdem ist zu berücksichtigen, dass im Gegensatz zum EDFA der SOA das 1310nm-Spektrum verstärkt, aber umgekehrt alle 1550 nm Signale blockiert.

Schlussfolgerung

Ein optischer Halbleiter-Verstärker (SOA) ist eine einfache Plug-and-Play-Reichweitenerhöhung für Anwendungen, bei denen das 100GBASE LR4 Ethernet eingesetzt wurde und eine Übertragungsstrecke bis 40 km erforderlich ist. Eine externe Verstärkung mit einem SOA ist unabhängig vom Formfaktor des 100G LR4 Transceivers und unterstützt ein Pay-as-you-Grow-Modell, um die vorhandenen 10 Gbit/s DWDM-Services mit zusätzlichem 100Gbit/s-Dienst über die Metro-Distanzen zu vergrössern.