Anwendung der Nichtlinearen Fouriertransformation in der optischen Kommunikation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Optische Kommunikationssysteme stehen heute vor einer großen Herausforderung durch die sehr schnell wachsende Nachfrage nach Übertragungskapazität. Diese wird durch die nichtlinearen Eigenschaften der Glasfaser begrenzt, die durch das Modell der Nichtlinearen Schrödinger- Gleichung für eine bzw. durch die Manakov-Gleichungen für beide Polarisationen beschrieben werden. Ein leistungsfähiges mathematisches Werkzeug zur Lösung dieser nichtlinearen Differentialgleichungen ist die nichtlineare Fourier-Transformation (NFT). Die NFT setzt das Eingangssignal in ein nichtlineares Spektrum bestehend aus einem kontinuierlichen und einem diskreten Anteil um. Die Ausbreitung der Information im nichtlinearen Kanal wird dann durch eine einfache Phasendrehung beschrieben, da die Eigenwerte invariant sind. In diesem Vorhaben werden die Eigenwerte des diskreten Spektrums als Träger der Information genutzt. Optimierte Algorithmen und geeignete Modulationsverfahren dafür wurden entwickelt. Die technologische Voraussetzung ist die kohärente Übertragungstechnik, die Erzeugung und die Detektion des optischen Feldes in der komplexen Ebene erlaubt. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein analoges kohärentes Übertragungssystem realisiert. Der Übertragungskanal ist ein recirculating fiber loop. Die Anordnung der Verstärker ist so optimiert, dass sich eine minimale Leistungsvariation entlang der Strecke einstellt. Beim Einsatz vorwärtsgepumpter Ramanverstärker wurde ein neuartiger Prozess der Wechselwirkung von Signal- und Pumpwelle identifiziert und in Kooperation mit der Gruppe Krummrich detailliert untersucht. Es handelt sich um eine Art Modulationsinstabilität, die neue spektrale Komponenten bis in den GHz Bereich im Empfänger erzeugt. Im fiber loop lassen sich deshalb nur rückwärtsgepumpte Ramanverstärker einsetzen. Mit dem Übertagungssystem wurden 2 Eigenwerte mit 10 Bit/Symbol in beiden Polarisationen über 1600 km erfolgreich übertragen. Die modulierten diskreten Eigenwerte, die durch das rauschbehaftete System propagieren, sind bei der Detektion korreliert. Die Entzerrung und die Kompensation von Rauscheinflüssen bildeten einen Schwerpunkt. Ein neuartiger Ansatz ist die Nutzung von Joint Detection beim Empfang von übertragenen Eigenwerten. Die Reichweite bei der Übertragung von 4ASK-8PSK Signalen wurde um 120 km erhöht. Deutlich bessere Resultate wurden mit nichtlinearen Entzerrern erzielt. Zusammen mit der Gruppe Pachnicke wurde insbesondere der Einsatz eines Neuronalen Netzes realisiert. Damit konnte die Übertragungsreichweite eines 8 Gbit/s Signals um 2000 km auf eine Distanz von 5000 km gesteigert werden. Dies waren im Jahr 2022 Rekordwerte. Es wurde ein Beitrag geleistet zum Verständnis wie Rauschen die nichtlinearen Fourierkoeffizienten entlang der Faser verkoppeln und wie diese mit geeigneten Entzerrern kompensiert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Joint detection equalization on nonlinear Fourier transform based optical communication. 45th European Conference on Optical Communication (ECOC 2019), 369 (4 pp.)-369 (4 pp.). Institution of Engineering and Technology.
Chan, K.; Leibrich, J.; Geisler, A. & Schaeffer, C.G.
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Neural Networks based Equalization of Experimental Transmission using the Nonlinear Fourier Transformation. 2020 European Conference on Optical Communications (ECOC), 1-4. IEEE.
Koch, Jonas; Chan, Ken; Kuhl, Sebastian; Schaeffer, Christian G. & Pachnicke, Stephan
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On the Evolution of Noise in Multiple-Span Transmission With Forward Pumped Raman Amplifiers. Journal of Lightwave Technology, 39(10), 3177-3186.
Krummrich, Peter M.; Geisler, Alexander; Jeurink, Steffen & Schaeffer, Christian G.
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Signal Processing Techniques for Optical Transmission Based on Eigenvalue Communication. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 27(3), 1-14.
Koch, Jonas; Chan, Ken; Schaeffer, Christian G. & Pachnicke, Stephan
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Experimental Investigation of Information Transmission Using the Nonlinear Fourier Transformation. Dissertation Fakultät ET, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg / UniBwH
Geisler, Alexander
