Emsia, Ali (2017)
Reach Extension for Future Optical Access Networks Based on Optical Amplification.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In den letzten Jahrzehnten wurden optische Netzwerke wegen der Eigenschaften von Glasfasern, die verglichen mit Kupferkabeln eine viel größere Bandbreite bei geringen Übertragungsverlusten erlauben, immer wichtiger. Insbesondere die rasante Entwicklung des Internet durch ständig hinzukommende neue Dienste verlangt den Ausbau des Netzes, damit dem Teilnehmer die notwendige Bandbreite zur Übertragung hochbitratiger Datenströme zur Verfügung gestellt werden kann. Hierfür werden in vielen Ländern passive optische Netze (PON) als breitbandige Zugangsnetze eingesetzt, um die Bedürfnisse der Endverbraucher und der Industrie zu erfüllen, so zum Beispiel G-PON (ITU-T G.984 series [1]) und 10GEPON (IEEE 802.3ah [2]). Die G-PON-Standards, wie 10G-EPON-PRx30 ermöglichen eine symmetrische Übertragungsrate von 10 Gbps und unterstützen ein Leistungs-Budget von 29 dB. Diese Standards wurden für verschiedene Fiber-To-The-x (FTTx) Märkte definiert.

Diese Standards nutzen Zeitmultiplex-Verfahren, die jedoch die Anforderungen an zukünftige Zugangsnetze nicht erfüllen. Die Herausforderung ist, in ein bestehendes PON System neue Dienste zu implementieren, die Reichweite zu vergrößern, jedoch gleichzeitig die Betriebskosten zu senken, ohne die Struktur des Central Office (CO) zu ändern [3, 4].

Wellenlängen-Multiplex für PONs (WDM-PON) ist eine vielversprechende Option für die nächste PON-Generation (NG-PON) [5]. Wegen der Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Optical Line Terminal (OLT) und Optical Network Unit (ONU) gibt es keine Bandbreiten-Beschränkungen, jedoch größere Übertragungsdistanzen und höhere Sicherheit.

Ein fließender Übergang zwischen den aktuellen PONs und den NG-PONs ist notwendig und es muss gewährleistet sein, dass beide Standards nebeneinander koexistieren können. Deswegen werden Hybrid-TDM/WDM-PONs intensiv für Full Service Access Networks (FSAN) betrachtet. Wie bereits erwähnt, muss der Übergang von aktuellen PONs zu NGPONs fließend sein, ohne Unterbrechung der Dienste und ohne zusätzliche Kosten. Mit anderen Worten, der Einsatz der NG-PONs soll durch die Verwendung der bestehenden Glasfaserstrukturen höhere Übertragungskapazitäten zur Verfügung stellen. Netzbetreiber bevorzugen während der Übergangszeit eine Koexistenz von PON und NG-PON , um Nachteile bezüglich der Wartung und der Kosten zu vermeiden. Die Betreiber der Netze erhoffen sich durch die NG-PONs wichtige Vorteile, nämlich die Erhöhung der Übertragungskapazität, größere Übertragungsdistanzen und die Senkung der Entwicklungs- und Betriebskosten.

In dieser Dissertation werden Techniken zur Erhöhung der Reichweite, die auf Halbleiterlaserverstärkern (SOA) und Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFA) basieren, vorgestellt. Ziel ist es, eine geeignete Verstärker-Anordnung zu entwickeln, um mit dem NGPONs die Reichweite und die Anzahl der Teilnehmer zu erhöhen. Des Weiteren werden neue, kosteneffiziente Sende-Empfänger-Anordnungen vorgestellt, die im NG-PON Verwendung finden können. Chirp Managed Laser (CML) sind kosteneffektive Module für OLT/ONUs. Der CML wird direkt moduliert und kann optische PSK-Signale ohne externen Modulator erzeugen. Darüber hinaus ist eine Daten-Remodulation mit einer Fabry-Perot-Injektionssteuerung möglich. Bei der beschriebenen Verstärker-Anordnung sind die ONU-Laser nicht von den eingespeisten Wellenlängen abhängig und werden daher als transparente ONUs bezeichnet. Dies erspart zusätzliche optische Komponenten in den Sende-Empfänger-Modulen. Bei der vorgeschlagenen Verstärker-Anordnung wird ein fortschrittliches, phasenmoduliertes Signalformat (DPSK) verwendet, welches die Anforderung nach hoher spektraler Effizienz erfüllt. Diese Technik wird erstmalig genutzt, um die Anzahl der Teilnehmer deutlich zu erhöhen und gleichzeitig eine einfache Architektur anzubieten. Die Verstärker-Module bestehen aus zwei SOAs, einem Interferometer mit Verzögerungsleitung, variablen optischen Dämpfungsgliedern und zwei Zirkulatoren. Das Konzept wurde mit Simulationen und Experimenten untersucht. Der TDM/WDM-PON-Fall wurde mit zwei verschiedenen Modulationsarten simuliert, mit DPSK und mit dem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM). Die Messergebnisse bestätigen, dass die vorgeschlagene Verstärkeranordnung mehr als tausend Teilnehmer, in einen optischen Kanal, sowohl Upstream als auch Downstream (US/DS), über eine Einmodenfaser (SMF) mit einer Länge von mehr als 50 km versorgen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass die beschriebene Verstärker-Anordnung vorteilhaft und erfolgreich in zukünftigen NG-PONs eingesetzt werden kann.

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