Kohärentes optisches Empfangssystem

• Fachliche Zuordnung: Elektrotechnik und Informationstechnik
• Förderung: Förderung in 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 196474616

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das kohärente optische Empfangssystem wurde in den letzten drei Jahren seit Inbetriebnahme in einer Vielzahl von Datenübertragungs-Experimenten des Instituts für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) und des Instituts für Mikrostrukturtechnik (IMT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eingesetzt. Diese Experimente sind eingebettet in nationale und internationale Förderprojekte, die sich sowohl mit Verfahren und Konzepten zur optischen Kommunikation (Arbeitsgruppe Prof. Leuthold) als auch mit den zugehörigen Komponenten (Arbeitsgruppe Prof. Koos) befassen. Im Bereich der Kommunikationssysteme waren höherwertige Modulationsformate Gegenstand der Forschung, insbesondere in Verbindung mit Mehrträger-Übertragungsverfahren wie z.B. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) und mit Pulsformungsverfahren zur Steigerung der spektralen Effizienz. Auf dem Gebiet der photonischen Komponenten wurden neuartige elektro-optische Modulatoren untersucht, wobei das Augenmerk auf möglichst kompakten und energieeffizienten Bauteilen lag, die sich zur Erzeugung von höherwertigen Modulationsformaten eignen. Ein Schwerpunkt stellte dabei die Erforschung sogenannter hybrider Bauteilkonzepte dar, die Silizium-Nanowellenleiter mit hocheffizienten elektro-optischen organischen Materialien kombinieren (sog. „Silicon-Organic Hybrid“-Ansatz, SOH). Im Rahmen dieser Aktivitäten wurde eine Reihe wegweisender Experimente durchgeführt, die in verschiedenen nationalen und internationalen Förderprojekten eingebunden waren und zu Publikationen in hochrangigen Zeitschriften geführt haben: •Übertragungsexperimente mit Datenraten von bis zu 32.5 Tbit/s auf Basis von optischen Frequenzkammquellen. Dabei handelte es sich um die höchste Datenrate, die jemals mit einer einzigen Laserquelle übertragen wurde. •Datenkommunikation auf Sub-THz Freistrahlträgern. Dabei wurden Rekord-Datenrate von 100 Gbit/s erreicht. •Erstmalige Demonstration einer neuen Klasse plasmonischer Modulatoren, die elektro-optische Effekte in organischen Materialien ausnutzen. •Erstmalige Demonstration von kohärenter Datenübertragung mit sog. Kerr-Frequenzkämmen. •Demonstration von hoch-effizienten SOH-Modulatoren zur Erzeugung von mehrstufigen und komplexwertigen Datensignalen. Mit diesem Konzept konnte die Leistungsfähigkeit konventioneller silizium-photonischer Modulatoren um ein Vielfaches übertroffen werden. Es wurde eine Reihe wegweisender Ergebnisse erzielt, beispielsweise Rekord-Datenraten von bis zu 160 Gbit/s sowie Bauteile, die eine Erzeugung von höherwertigen Modulationsformaten wie z.B. 16QAM ohne Verstärker oder Analog-Digital-Wandler erlauben •Systematische theoretische Untersuchung und experimentelle Bestätigung des Zusammenhangs von Bitfehlerwahrscheinlichkeit und der sog. Error-Vector Magnitude in optischen System. Die zugehörige Arbeit aus dem Jahr 2013 hat sich zu einer häufig zitierten Referenz in diesem Bereich entwickelt. •Demonstration von Modulationsformaten höherer Ordnung bis zu 512-QAM zur Erzeugung von 54 Gbit/s in einer optischen Bandbreite von 3 GHz. Dabei wurde eine spektrale Effizienz von bis zu 18 bit/s/Hz erreicht. •Demonstration optischer und elektrischer Multiplex-Verfahren basierend auf OFDM oder Pulsformungstechniken mit geringen Überabtastfaktoren. •Demonstration von Frequenzmultiplex unter Nutzung von OFDM-Techniken und wellenlängenunabhängigen Empfangs- und Sendeeinheiten für optische Zugangsnetzwerke. •Analyse der Übertragung von höherwertigen Modulationsformaten durch optische Halbleiter-Verstärker. •Demonstration von Datenübertragungsraten von bis zu 5 Tbit/s durch sog. photonische Wirebonds. Dabei handelte es sich um das erste Datenübertragungsexperiment mit derartigen Strukturen. Es wurde außerdem eine Reihe kleinerer Projekte am kohärenten optischen Empfangssystem durchgeführt, beispielsweise im Rahmen von studentischen Abschlussarbeiten. Die Ergebnisse wurden in einer Reihe von Konferenzbeitragen veröffentlicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 26 Tbit/s line-rate super-channel transmission utilizing all-optical fast Fourier transform processing. Nature Photonics, Vol. 5. 2011, pp. 364–371.
  Hillerkuss et al.
  
• 512QAM Nyquist sinc-pulse transmission at 54 Gbit/s in an optical bandwidth of 3 GHz. Optics Express, Vol. 20. 2012, Issue 6, pp. 6439-6447.
  Schmogrow et al.
  
• Error vector magnitude as a performance measure for advanced modulation formats. IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 24. 2012, Issue: 1, pp. 61-63.
  Schmogrow et al.
  
• Linear semiconductor optical amplifiers for amplification of advanced modulation formats. Optics Express, Vol. 20. 2012, Issue 9, pp. 9657-9672.
  Bonk et al.
  
• Photonic wire bonding: A novel concept for chip-scale interconnects. Optics Express, Vol. 20. 2012, Issue 16, pp. 17667-17677.
  Lindenmann et al.
  
• Real-time Nyquist pulse generation beyond 100 Gbit/s and its relation to OFDM. Optics Express, Vol. 20. 2012, Issue 1, pp. 317-337.
  Schmogrow et al.
  
• Single-Laser 32.5 Tbit/s Nyquist WDM Transmission. Journal of Optical Communications and Networking, Vol. 4. 2012, Issue 10, pp. 715-723.
  Hillerkuss et al.
  
• Colorless FDMA-PON With Flexible Bandwidth Allocation and Colorless, Low-Speed ONUs. Journal of Optical Communications and Networking, Vol. 5. 2013, Issue 10, pp. A204-A212.
  Schindler et al.
  
• Wireless sub-THz communication system with high data rate. Nature Photonics, Vol. 7. 2013, pp. 977–981.
  Koenig et al.
  
• Coherent terabit communications with microresonator Kerr frequency combs. Nature Photonics, vol. 8. 2014, pp. 375–380.
  Pfeifle et al.
  
• DAC-Less and Amplifier-Less Generation and Transmission of 16QAM Signals Using a Sub-Volt Silicon Photonic Modulator. 40th European Conf. Opt. Commun. (ECOC'14), Cannes, France, Sept. 21–25, 2014. Postdeadline Paper PD.4.5.
  Wolf, S.; Schindler, P. C.; Ronniger, G.; Lauermann, M.; Palmer, R.; Koeber, S.; Korn, D.; Bogaerts, W.; Leuthold, J.; Freude, W.; Koos, C.
  
• From silicon organic hybrid to plasmonic modulation. 40th European Conf. Opt. Commun. (ECOC'14), Cannes, France, Sept. 21–25, 2014. Paper We.3.1.2
  Leuthold, J.; Melikyan, A.; Alloatti, L.; Korn, D.; Palmer, R.; Hillerkuss, D.; Lauermann, M.; Schindler, P. C.; Chen, B.; Dinu, R.; Elder, D. L.; Dalton, L. R.; Koos, C.; Kohl, M.; Freude, W.; Hafner, C.:
  
• High-speed plasmonic phase Modulators. Nature Photonics, vol. 8. 2014, pp. 229–233.
  Melikyan et al.
  
• Low-power silicon-organic hybrid (SOH) modulators for advanced modulation formats. Optics Express, Vol. 22. 2014, Issue 24, pp. 29927-29936.
  Lauermann et al.,
  
• Real-time Nyquist signaling with dynamic precision and flexible non-integer oversampling. Optics Express, Vol. 22. 2014, Issue 1, pp. 193-209.
  Schmogrow et al.