Skalierung der Signalmodenanzahl in Erbium-dotierten Faserverstärkern für optische Übertragungssysteme mit Modenmultiplex

Abstract

Studien zur Internetnutzung zeigen, dass in den vergangenen Jahrzehnten ein exponentieller Anstieg des globalen Datenverkehrs stattgefunden hat und dass dieser sich in den nächsten Jahren fortsetzen wird. In der Vergangenheit konnten optische Weitverkehrs-Übertragungssysteme mit dem steigendem Bedarf skalieren und gleichzeitig die Kosten pro übertragenem Bit gesenkt werden. In absehbarer Zeit werden die heute verwendeten Einmodensysteme jedoch die theoretisch maximale Übertragungskapazität pro Faser erreichen. Eine weitere Steigerung der gesamten Übertragungskapazität ist dann nur durch den parallelen Betrieb mehrerer solcher Systeme möglich. In der Forschung wird nach Möglichkeiten gesucht, die eine Senkung der Kosten pro Bit durch eine Steigerung der Übertragungskapazität pro Faser, vergleichbar mit denen der Einmodensysteme in den letzten Jahrzehnten, versprechen. Raummultiplexverfahren bieten ein solches Potenzial durch Ausnutzung des letzten verbliebenen Freiheitsgrades zum Signalmultiplex: des Raumes. Ein Raummultiplexverfahren kann sich wirtschaftlich nur durchsetzen, wenn es eine Steigerung der Übertragungskapazität um zwei Größenordnungen erlaubt und mit bestehenden Multiplexverfahren, wie dem Wellenlängenmultiplex, gemeinsam betrieben werden kann. Raummultiplex mit Vielmodenfasern ist ein vielversprechendes Verfahren, das diesen Anforderungen entspricht. Für das gewählte Multiplexverfahren sollte ein Verstärker verfügbar sein, mit dem alle Signalkanäle simultan verstärkt werden können. In dieser Arbeit werden Erbium-dotierte Faserverstärker für optische Übertragungssysteme mit Modenmultiplex auf die genannten Kriterien hin untersucht. Das Hauptproblem bei der Verwendung Erbium-dotierter Faserverstärker für Vielmodenfasern liegt in der Erzielung identischer Signalgewinne für alle Signalmoden. Unterschiedliche Gewinne für verschiedene Signalmoden können zu Verschlechterungen der Signalqualität führen. Mit den durchgeführten Arbeiten konnte gezeigt werden, dass sich Erbium-dotierte Faserverstärker eignen, um mehr als 100 Signalmoden in Kombination mit bestehenden Multiplexverfahren in zukünftigen Übertragungssystemen mit Modenmultiplex simultan zu verstärken. Verschiedene Verfahren zur Angleichung der Gewinne aller räumlichen Kanäle, durch Anpassung der Pumpleistung, der radialen Verteilung der Erbium-Dotierung im Faserkern sowie unter Ausnutzung von Sättigungseffekten, werden vorgestellt. Außerdem werden Szenarien untersucht, bei denen die Anzahl der räumlichen Kanäle zur Laufzeit erhöht wird, um eine Steigerung der Übertragungskapazität zu erreichen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die Anzahl der nutzbaren räumlichen Kanäle zukünftiger Modenmultiplexsysteme vermutlich nicht durch die Verwendung von optischen Verstärkern limitiert wird.