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Optische Kommunikationssysteme Was beim Test kohärenter optischer Transceiver zu beachten ist

| Autor / Redakteur: Dean Miles * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Signalanalysatoren für kohärente Lichtwellen sollen dabei helfen, optische Netzwerke besser zu verstehen und zu optimieren. Dabei kommt es darauf an, Fehler im Design zu erkennen und zu beheben.

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Bild 1: Architektur eines Signalanalysators für kohärente Lichtwellen
Bild 1: Architektur eines Signalanalysators für kohärente Lichtwellen
(Tektronix)

Langstreckennetze werden auf 100G-Lösungen umgestellt, die auf kohärente optische Multiplexverfahren basieren. Derzeit besteht die Lösung darin, die spektrale Effizienz der vorhandenen Lichtwellenleiter zu erhöhen. Dazu wollen die Betreiber vom konventionellen OOK-Verfahren (On-Off Keying) auf Modulationsverfahren, wie DP-QPSK, QAM und verschiedene Varianten von OFDM umstellen.

Diese kohärenten Lichtwellen-Verfahren werden inzwischen von der Forschung und Entwicklung in die Fertigung und den Produktiveinsatz überführt. Dabei begnügen sich viele Entwicklungslabore immer noch mit selbst erstellten kohärenten Empfängern und Analysesoftware, oft in Verbindung mit adaptiven Equalizern, um die Augenöffnung unter allen Bedingungen zu maximieren. Dieser Ansatz ist zwar wichtig für die Empfängerentwicklung, allerdings können kritische Ursachen für Signalverzerrungen im Übertragungssystem übersehen werden.

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Optische Netzwerke verstehen und optimieren

Mit einem Signalanalysator für kohärente Lichtwellen, wie dem OM4000 von Tektronix, lassen sich optische Netzwerke mit Modulationsverfahren wie DP-QPSK besser verstehen und optimieren. Das Signal kann analysiert werden und es lassen sich Konstellationsparameter, Quadratur- und Modulator-Bias-Werte, Symbolmaskierung, EVM, Signal- und Phasenspektrum, BER und Q vs. Entscheidungsgrenzwert messen.

Mit dem Übergang der 100G-Technologie von der Forschung und Entwicklung zur Qualifikation und Produktion wird die von einem kohärenten Signalanalysator ermöglichte Testautomatisierung zunehmend wichtiger. Zu den weiteren Möglichkeiten eines Signalanalysators gehören die Prüfung von Entzerrungs- und Phasenwiederherstellungsalgorithmen und die Fähigkeit, die verschiedenen Auswirkungen von Bandbreitenbeschränkung zu verstehen, ob am Sender, Digitalisierer oder Empfänger.

Abhilfe sollen charakterisierte, kalibrierte und wiederholbare Analysemethoden schaffen. Viele der für die Sicherstellung der Interoperabilität erforderlichen Teststandards, wie die meist für serielle Datenkommunikationssysteme verwendeten Augen-Diagramme, wurden noch nicht für das derzeit führende und von der OIF (Optical Internetworking Forum) spezifizierte DP-QPSK-Format definiert.

Ein Q-Faktor-Test erlaubt somit allenfalls eine Überprüfung des problemlosen Zusammenspiels von Komponenten. Die Konzeption einer Teststrategie, die auf die unterschiedlichen kohärenten Modulationssysteme der künftigen Standards und Technologien angepasst werden kann, ist damit dringend notwendig.

Bei der Entwicklung und dem Einsatz kohärenter faseroptischer Übertragungssysteme für Langstrecken muss sichergestellt werden, dass kohärente optische Transceiver ein voraussagbares Bitfehlerratenverhalten und wiederholbare Gütefaktoren erreichen.

Testherausforderungen und Ansätze zur Fehlererkennung

In einem Übertragungssystem ist die Fähigkeit, die Fehlerursache erkennen zu können, wenn ein Transceiver bei der Prüfung in der Produktion oder im Einsatz ausfällt, entscheidend für den Erfolg. Leider sind die gängigen Methoden für die Messung von Phasen-modulierten Signalen nicht ausreichend. Zum Beispiel liefert eine Fotodiode, die normalerweise als Empfänger für OOK- oder Amplitudenmodulierte Signale genutzt wird, bei einem Phasenmodulierten Signal nur Einsen am Ausgang. Konventionelle Augendiagrammanalysatoren sind in ihrer gegenwärtigen Konfiguration nicht geeignet, da sie diese Werte nicht darstellen können.

Stattdessen wird ein Signalanalysator für kohärente Lichtwellen benötigt, der die Phaseninformation ableiten kann. Hierzu wird das eingehende zu prüfende Feld oder Signal mit einem integrierten Laser gemischt, der mit einer festen Wellenlänge arbeitet. Mit dem kohärenten Analysator lässt sich das optische Signal in der komplexen Ebene betrachten. Das Testsystem sollte auch Störungen kompensieren können. Direkte Methoden arbeiten begrenzt per Hardware, während ein kohärenter Ansatz das per Software realisiert. Die benutzte Firmware für Phasen- und Taktrückgewinnung, Polarisationsauflösung und Entzerrung wird emuliert. Die Bitfehler verursachenden Probleme werden sichtbar.

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Die kohärenten Testinstrumente können in der Fertigung für einen Funktionstest eingesetzt werden und um mögliche Fehlerquellen zu finden. Abgeglichen werden Sendermodulator, Loop Tracking, Quellenleistung und Linienbreite sowie Einstellungen am Laser, die Bestimmung der Treiberleistung des Modulators und dessen Signalqualität. Weitere mögliche Fehlerquellen und Ausfallursachen sind Funktionsgrenzwerte und Toleranzreserven des Empfängers und die hybride Kalibrierungsmatrix des Empfängers im optischen Pfad.

Die kohärenten Signalanalysatoren

Bei kohärenter Detektion hat die komplexe (Quadratur~) Modulation mit Polarisations-Diversität den Vorteil, dass das gesamte elektrische Feld des optischen Trägers ausgenutzt werden kann. Neben einer höheren spektralen Effizienz ermöglicht der Zugang zu diesen Feldgrößen am kohärenten Empfänger eine mathematische Filterung, um Störungen wie die chromatische Dispersion und eine Polarisationsmoden-Dispersion auszugleichen. Die Signalqualität kann dann mit Hilfe einer Metrik wie dem Q-Faktor oder dem EVM-Wert gemessen werden. Damit lassen sich Sender, Transceiver, Transponder, Laser, Modulatoren und Halbleiterbauteile charakterisieren und debuggen.

Ein Kohärenz- oder Konstellationsanalysator besteht aus einem optischen Frontend und unterstützt DualPolarisation. Hinzu kommt ein ein voll integriertes Echtzeit- oder Sampling-Oszilloskop mit großer Bandbreite und niedrigem Grundrauschen. Damit lässt sich der Ausgang von vier symmetrischen Fotoempfängern digitalisieren und das Ergebnis verarbeiten, um die Phase und den Takt wieder zu gewinnen. Das Gerät liefert eine stabile Konstellation sowohl für die X- als auch die Y-Polarisationen der kohärent modulierten Signale in der Faser. Der kohärente Analysator kalibiert vollständig den Fasereingang bis zum elektrischen Ausgang.

Wird ein Oszilloskop mit der größten Bandbreite, der höchsten Taktfrequenz und der besten Empfindlichkeit eingesetzt, dann kann der kohärente optische Analysator das optische Feld im Lichtwellenleiter vollkommen kalibrieren und originalgetreu darstellen. Kalibriert werden außerdem die Pfadverstärkung, der Phasenwinkel und der Frequenzgang sowie der Synchronisationsfehler und der Pfadverzögerung des analogen Frontends.

Als optisches Frontend des Digitalisierers verfügt der kohärente Referenzempfänger über einen Eingang für zwei Singlemode-Fasern - der eine für das Signal und der andere für die Phasenreferenz oder den lokalen Oszillator. Im Empfänger wird die Phasenreferenz gleichmäßig in eine X- und eine Y-Polarisationen aufgeteilt und mit dem Signal in zwei Zweige (I und Q) gemischt. Die vier Kanäle werden durch symmetrische Fotodetektoren umgewandelt und als elektrische Ausgangssignale bereitgestellt, die dann in ein Oszilloskop mit ausreichender Bandbreite eingespeist werden, um den Signalverlauf der Differenzfrequenz zu erfassen.

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