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Neue Technologien in der Fiber Optik Übertragungstechnik: Terabits - Die Übertragungstechnik wird komplexer Dieter Gustedt, fiberHELP

Langmatz Breitband-Symposium + Open House

Garmisch-Partenkirchen, März 2016

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Agenda

• Stand der LWL Schnittstellen Technologie heute

– U. a. am Beispiel Carrier Ethernet und FTTH Netz *) Langmatz Open-House Tag (Opternus Networks)

• Physikalische Grenzen

• Entwicklungen um Grenzen zu überwinden

24.02.2016 2

*) Aufbau Opternus Networks

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Open-House 3. März 16 - Aktive Netzsimulation Opternus Networks

24.02.2016 3

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Beispiel Facebook: Datenübertragung über alle Netzebenen “rund um die Welt”

24.02.2016 4

Prineville

Luleå

Altoona

Forest City

Fort Worth(new)

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„Hockey Stick Wachstum“ erfordert (wieder) einen Paradigm Wechsel in der Übertragungstechnik

70er • Corning Glasfaser (20dB/km) • erste kommerzielle Glasfaserübertragung

(45 Mbit/s, 10km) 80er: • SMF @ 1,3µm. (~50km) • SMF @ 1,55 µm 90er: • WDM • optische Verstärker • DWDM 00er: • VCSEL • Hot plug Module • ROADM 10er: • PIC (Photonic Integrated Circuits) • Komplexe Modulation • Kohärente Übertragung

24.02.2016 6

Historische Entwicklung

100G/Tag 100G/Stunde

Cisco IP Traffic Analyse & Forecast

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N*Bit/Hz

Der Weg zum Terabit-Gipfel

24.02.2016 7

Zugspitze

Quelle: Wikipedia File:Zugspitze Westansicht.JPG

Quelle: „DeichvorlandBeiNessmersiel“ von Frisia Orientalis. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons

Norddeutsche Tiefebene

Mittelgebirge

Alpen Vorland

Quelle: Ethernet Allicance Roadmap 2015

Liaison IEEE - OIF

OTM Bitraten [Gbit/s]

1 2,67

2 10,7

3 43,0

4 111,8

OTN (Opt. Transport Network

Faktor 10: 10M-100M-1G-10G NRZ

Faktor ~ 2,5: 10G-25G-50G NRZ, WDM, n*Faser

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Herausforderungen

Bandbreite erhöhen

Platz reduzieren

Energie sparen

24.02.2016 8

Technologie Kosten

Zeit Ressourcen

Risiko

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Glasfaser Spektrum

6

dB/km

4

2

0 800 1.000 1.200 1.400 1.600 nm

Wellenlänge

Rayleigh - Streuung

theoretische Grenze

Däm

pfu

ng

von bis Spektrum von bis Spektrum

O-Band Original 1260 1360 100 237,9 220,4 17,5

E-Band Extended 1360 1460 100 220,4 205,3 15,1

S-Band Short wavelength 1460 1530 70 205,3 195,9 9,4

C-Band Conventional 1530 1565 35 195,9 191,6 4,4

L-Band Long wavelength 1565 1625 60 191,6 184,5 7,1

U-Band Ultralong wavelength 1625 1675 50 184,5 179,0 5,5

Wellenlänge

[nm]

Frequenz f=c/λ

[THz]BezeichnungBand

ITU G. Suppl. 39 09/2012

SMF

9/125 SMF

NRZ, 1dB, 1565nm *) 10G ~ 61 km 40G ~ 3,8 km

*) ITU T-REC-G.Sup39-201209

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Lichtwellenleiter Übertragungskanal (OOK)

10

Kommunikationskabelanlage Sender Empfänger

Data rate Data rate

Bandbreite - Längenprodukt

ASG z. B. Switch/Router

ASG z. B. Switch/Router

E/O O/E

Bandbreite TX

•Modulator/Treiber

•Schaltzeiten

Bandbreite LWL

•Moden Dispersion (nur MMF)

•Chromatische Dispersion

•Polarisation Moden Dispersion

Bandbreite RX

•Bandbreite PIN/APD

•Verstärker

•Filter

N * IL Stecker

[dB]

L * A LWL

[dB/km]

N * IL Spleiß [dB]

Dämpfung [dB]

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Beispiel SerDes (Parallel-Serial Wandler) Blockdiagramm

24.02.2016 11

Quelle: www.xilinx.com WP431 (v1.0)

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Beispiel Transceiver für 10 Gbit/s Schnittstellen

12

Optisch – Elektrische - Signalwandlung LWL Schnittstelle

Fiber Wellenlänge Quelle CIL Anwendung

MM: 50/125 , OM3, OM4

850nm VCSEL 2,6 dB (300m) 10GBASE-SR/SW

SM 9/125 1310nm LASER 6,2 dB (10km) 10GBASE-LR

SM 9/125 1550 nm LASER 10,9 dB (30km) 10BBASE-ER

Quelle: SFP+ 10 GBE Transceiver Opternus Networks

Quelle: MTS 1090 Carrier Ethernet Switch Opternus Networks

Duplex LC Interface

SFP+ Bauform Opt. LC Duplex Elek. XAUI Hot-Swap fähig

XA

UI

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Übersicht WGs LWL-Schnittstellen

• SFF Committee • U. a. optische Transceiver SFP, QSFP,

QSFP28 …

• PSM4-MSA • 4 x 25 Gb/s, 8 SMF, MPO, min. 500

m, QSFP28 oder CFPx

• CWDM4-MSA: • 1310nm, 20nm CWDM, 4 x 25Gb/s

2km, datacenter, (QSFP28?)

• CLR4-Allicance: • 1310nm 100G CWDM, QSFP28

• OpenOptics-MSA: • 100G, 400G und mehr, WDM

Technologie.

• CFP-MSA: • Optischer Transceiver 40Gb/s &

100Gb/s, • Module CFP, CFP2 & CFP4

• CDFP-MSA: • 400 Gbps Interoperable Hot

Pluggable Modules

24.02.2016 13

MSA= Multi Source Agreements

Quelle: OFC Conference -Finisar

Modul Optionen für 100G

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Bandbreite & Bitfehlerrate Grundlagen LWL Übertragung

24.02.2016 14

PCS P/S Tx Rx S/P PCS

C : Capacity [bits/s] B : Bandwidth [Hz] S : Signal Power [W] N : Noise Power [W] N0: Noise Spectral Density [W/Hz]

Nyquist-Bandbreite (Digital)

Shannon-Hartley-Theorem

10 Gbit/s: Jede Sekunde 1 Fehler

10 Gbit/s: Alle 100 Sekunden 1 Fehler

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„Bandbreite-Stellschrauben“ des Nachrichtentechnikers

Faser Parameter

Faser Anzahl

WDM

TDM

OFDM

Modulation

15

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Beispiele Modulationverfahren & Spektrale Effizienz

24.02.2016 16

11

00

01

10

Q (quadrature)

I (in-phase)

QPSK

On-Off-Keying (oder PAM2) 1 Bit/s/Hz Puls-Amplituden-Modulation 2 Bit/s/Hz Geringerer Signal-Rausch-Abstand zu OOK Quadraturphasenumtastung 2 Bit/s/Hz

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Parallel Optics OM3/OM4 MMF IEEE 802.3 40/100G, Fibrechannel 128 GFC

24.02.2016 17

Nur eine Richtung dargestellt

TX1-10

RX1-10

40[100]GBASE-SR4 • Jeweils 4 TX & 4 RX Kanäle • 12-MPO Stecker

100GBASE-SR10 • Jeweils 10 TX & 10 RX Kanäle • 24-MPO Stecker

TX1-4 RX1-4

MPO MPO

Länge: 100 – 150 m

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Mehrfaser (OM3/4) Kabelanlage 40GBASE-SR4 & 100GBASE-SR10 / [SR4] (Länge 100-150m)

12/24 Fasern MPO

12/24 Fasern MPO

Modul LC-MPO Modul LC-MPO

Adapterplatte MPO-MPO

Duplex LC- Patchcords Duplex LC- Patchcords

Harness-Kabel 12-MPO - LC

Quelle: Fotos von Telegärtner GmbH

Adapterplatte MPO-MPO

12/24 Fasern MPO

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WDM 4 x 25,78 GBd über Singlemode Faser 100GBASE-LR4 / ER4

19

25,78 GBd 25,78 GBd 25,78 GBd 25,78 GBd

ITU-T G.694.1 800 GHz Grid

Center wavelength L0 1295.56 nm L1 1300.05 nm L2 1304.58 nm L3 1309.14 nm

(nur eine Richtung dargestellt)

Quelle: Opternus Networks

Längen Singlemode E9/125: 100GBASE- LR4: 10km 100GBASE- ER4: 40 km

Transceiver: LC Duplex Transceiver: LC Duplex

Bauform: z. B. CFP4

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400Gbit/s Ethernet Objectives IEEE P802.3bs 400 GbE Task Force

• 400GBASE-SR16

– 100m MMF, 25 Gbit/s, NRZ, 16Fasern

• 400GBASE-DR4

– 500 m SMF, 25 Gbi/s, PAM-4, 4Fasern

• 400GBASE-FR8

– 2 km SMF, 50 Gbit/s, NRZ, WDM 8 Wellenlängen,

• 400GBASE-LR8

– 10 km 50 Gbit/s, NRZ, WDM 8 Wellenlängen

24.02.2016 20

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In Diskussion WDM 840-950nm WBMMF - Wideband Multimode Fiber

21

Quelle: Commscope, Paul Kolesar, TIA Fiber Optics Technology Consortium

4 Wellenlängen WDM Spektrum: ~ 840nm bis ~950 nm ~ 30nm

Bandbreite MMF muss über diese Region verbessert werden Wideband Multimode Fiber [WBMMF]

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ITU G.694.1 DWDM Wellenlängenraster

24.02.2016 22

100 Ghz0,8 nm

25 Ghz0,2 nm

50 Ghz0,4 nm

12,5 Ghz0,124 nm

von bis Spektrum

O-Band Original 1260 1360 100

E-Band Extended 1360 1460 100

S-Band Short wavelength 1460 1530 70

C-Band Conventional 1530 1565 35

L-Band Long wavelength 1565 1625 60

U-Band Ultralong wavelength 1625 1675 50

Wellenlänge

[nm]BezeichnungBand

OTN Bitraten

OTM Bitraten [Gbit/s]

1 2,67

2 10,7

3 43,0

4 111,8

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DWDM System mit Add/Drop Multiplexer

23

l 1

l 2

l 3

l 4

l 5

l 6

l 7

8

l 1 ,l 2 ,l 3 ,l 4 ,

l 5 ,l 6 ,l 7 ,l 8

Multiplexer

Add/drop

Demultiplexer

Transmitters Receivers

l 1

l 2

l 3

l 4

l 5

l 6

l 7

l 8

l 1 ,l 2 ,l 3 ,l 4* ,

l 5 ,l 6 ,l 7 ,l 8

l 4 l 4* Drop Add

Localer Receiver

Localer Transmitter

l 1

l 2

l 3

l 4

l 5

l 6

l 7

l 8

l

Add/Drop Multiplexer • ROAD (Reconfigable)

• Einstellbare Wellenlänge • FOAD (Fixed)

• Feste Wellenlänge

Dro

p

Kan

al

Add Kanal

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Spektrale Effektivität Spectral Efficiency (SE) [Bit/s/Hz]

24.02.2016 24

OOK (On-Off-Keying) RZ or NRZ Modulation (100 Gb/s)

OOK (On-Off-Keying) RZ or NRZ Modulation (10 Gb/s)

Neue Modulationsverfahren DQPSK Modulation (100 Gb/s)

50 GHz 50 GHz

Kanal Interferenz

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QPSK-Modulation

24.02.2016 25

I (in-phase)

sin(ωt+ π/4)11 sin(ωt+3π/4)01

sin(ωt+7π/4)10 sin(ωt+5π/4)00

Q (quadrature)

0

0

11

00

01

10

Q (quadrature)

I (in-phase)

1

OOK On-Off-Keying

QPSK

Bits / Symbol Modulation

1 OOK (On-Off-Keying)

2 QPSK

4 DP-QPSK

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100 Gbit/s koherente Übertragung DP-QPSK Modulation* / Demodulation

24.02.2016 26

Quelle:***)

Quelle: *) Quelle: *)

Quelle: *)

Merkmale: • (2 x I + 2 x Q) x 28 Gbps = 112 Gbps • im ITU 50GHz Grid • Verbesserung OSNR FEC ~ 6dB • DSP Kompensation Dispersions- Effekte

Quelle :**)

Quellen: *) OIF, Implementation Agreement for Integrated Polarization Multiplexed Quadrature Modulated Transmitter **) OIF: Implementation Agreement For Integrated Dual Polarization Intradyne Coherent Receivers ***) OIF_Pluggable_Optics_for_Coherent_Systems_CFP2-ACO_Project_WP

Quelle :*)

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Die Zukunft Optimierung der spektralen Effizienz (SE)

Quelle: infinera, Coherent DWDM Technologies

„Coherent Super-Channels“ • Multi-Carrier Modulation • Flexible ITU Grids

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

28

Dipl.-Ing. (FH) Dieter Gustedt Anna Bosch Strasse 11 72074 Tübingen Tel. 07071 7 959386 gustedt@fiberhelp.de www.fiberhelp.de