Steigerung der Übertragungskapazität in optischen Übertragungssystemen durch Modenmultiplexbetrieb - Brehler, Marius (Technische Universität Dortmund, 2020)
In unserer modernen Gesellschaft führt die rasant steigende Nutzung digitaler Technologien zu kontinuierlich steigenden Anforderungen an die Kapazität von Übertragungssystemen. In Weitverkehrssystemen haben Lichtwellenleiter andere Technologien fast vollständig verdrängt, wobei Weiterentwicklungen den steigenden Anforderungen Rechnung tragen müssen. Vielversprechend sind in diesem Kontext Raummultiplexsysteme. In der vorliegenden Arbeit wird das Potenzial des Modenmultiplexbetriebs zur Steigerung der Übertragungskapazität optischer Datenübertragungssysteme analysiert. In Fasern, in denen mehrere Moden ausbreitungsfähig sind, kann die Übertragungskapazität durch Nutzung der räumlichen Diversität gesteigert werden. Für Glasfasern als ein nichtlineares Medium konnte die Frage, ob die Kapazität um den Faktor genutzter Moden erhöht werden kann, in der Vergangenheit nicht beantwortet werden. Um das Potenzial von Modenmultiplexsystemen zur Kapazitätssteigerung bewerten zu können wird untersucht, wie die nichtlinearen Effekte und die daraus resultierende Signaldegradation mit der Modenanzahl skalieren. Da eine analytische Berechnung der Ausbreitung optischer Wellen in Glasfasern im Allgemeinen nicht möglich ist, werden numerische Methoden zur Untersuchung verwendet. Entwickelt wurden hochperformante GPU-beschleunigte Algorithmen, um notwendige Simulationen in einer akzeptablen Zeit durchführen zu können. Neben den Untersuchungen zur Skalierung der nichtlinearen Effekte in Mehrmodenfasern, wird daher auch die numerische Simulation im Allgemeinen und die effiziente, hochparallele Implementierung der Simulationsmethoden behandelt. In der Arbeit wird gezeigt, dass der Modenmultiplexbetrieb eine hoch skalierbare Option zur Steigerung der Übertragungskapazität einer einzelnen Faser darstellt und sich Mehrmodenfasern mit mehr als 100 räumlichen Moden zur Datenübertragung nutzen lassen.
Keywords: Optische Übertragungssysteme; Raummultiplex; Modenmultiplex; Mehrmodenfasern; Nichtlineare Faseroptik; Kerr-Effekt; Nichtlineare Signalausbreitung; Split-Step Fourier Methode; RK4IP Methode; 620; Optisches Nachrichtenübertragungssystem; Raummultiplex; Faseroptik; Nichtlineare Optik; Multimodefaser; Kerr-Effekt