Die Übertragung von 100 Gigabit – oder 400 beziehungsweise 800 – über eine einzelne Glasfaser über Hunderte von Kilometern erfordert mehr als nur einen schnellen Laser. Benötigt wird kohärente Optik: eine Übertragungstechnik, die Daten nicht nur in der Lichtintensität, sondern auch in Phase und Polarisation codiert.
Kohärente Optik ist die Technologie hinter Internet-Backbone-Netzen über große Entfernungen, Unterseekabeln und zunehmend auch Metro- und Rechenzentrumsverbindungen (DCI). Dieser Leitfaden erklärt ihre Funktionsweise und wann sie erforderlich ist.
Direkterkennung und kohärente Erkennung im Vergleich
Direkterkennung (Intensitätsmodulation)
Herkömmliche optische Transceiver verwenden Intensitätsmodulation mit Direktdetektion (IM-DD):
- Der Laser wird ein- und ausgeschaltet (oder in seiner Intensität verändert), um Bits zu codieren
- Der Empfänger misst die Lichtleistung: hell = 1, dunkel = 0
- Einfach, kostengünstig und geringer Stromverbrauch
- Auf kurze Entfernungen auf etwa 100 Gbps pro Wellenlänge begrenzt
Kohärenter Empfang
Kohärente Transceiver nutzen die vollständigen Eigenschaften des Lichts:
- Phase: Zeitpunkt der Schwingung der Lichtwelle
- Amplitude: die Stärke der Welle
- Polarisation: Ausrichtung der Welle (horizontal oder vertikal)
Da kohärente Systeme Daten gleichzeitig in allen drei Dimensionen codieren, erzielen sie eine deutlich höhere spektrale Effizienz — also mehr Bits pro Hz optischer Bandbreite.
Funktionsweise kohärenter Übertragung
1. Modulationsformate
| Format | Bits pro Symbol | Spektrale Effizienz | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|
| BPSK | 1 | Niedrig | Große Reichweite, hohe Störfestigkeit |
| QPSK | 2 | Mittel | 100G-Fernverbindung |
| DP-QPSK | 4 (2 Pole × 2) | Mittel bis hoch | 100G-Standard |
| 16-QAM | 4 | Hoch | 200G/400G-Metro |
| DP-16QAM | 8 | Sehr hoch | 400G |
| 64-QAM | 6 | Sehr hoch | 800G, kurze Reichweite |
| DP-64QAM | 12 | Am höchsten | 800G+ |
DP-QPSK (Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying) war das Arbeitspferd der kohärenten Übertragung bei 100G. Zwei Polarisationen (X und Y) übertragen jeweils QPSK-modulierte Daten, insgesamt 4 Bits pro Symbol.
Höhere QAM-Stufen übertragen mehr Bits pro Symbol, benötigen aber ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), wodurch die Reichweite sinkt.
2. Digitale Signalverarbeitung (DSP)
Der entscheidende Baustein kohärenter Optik ist der kohärente DSP-ASIC — ein spezialisierter Chip, der:
- Erzeugt das komplex modulierte Signal am Sender
- Stellt das Signal am Empfänger mithilfe digitaler Algorithmen wieder her
- Gleicht chromatische Dispersion (CD) aus — externe DCM-Module sind nicht erforderlich
- Kompensiert die Polarisationsmodendispersion (PMD)
- Führt Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) durch
Moderne kohärente DSPs von Unternehmen wie Acacia, Inphi/Marvell und Ciena können die über Tausende von Kilometern angesammelte Dispersion in Echtzeit kompensieren.
3. Lokaloszillator-Laser
Der Empfänger verwendet einen Laser als lokalen Oszillator (LO) – einen Laser mit schmaler Linienbreite, der auf dieselbe Frequenz wie das Eingangssignal abgestimmt ist. Durch das Mischen des empfangenen Signals mit dem LO-Laser lässt sich die Phase erkennen, was mit direkter Detektion nicht möglich ist.
Wichtige Formfaktoren kohärenter Transceiver
CFP / CFP2 / CFP4
Frühe kohärente 100G-Bauformen. Groß und mit hohem Stromverbrauch. Heute überwiegend veraltet.
QSFP28 kohärent
100G kohärent im Formfaktor QSFP28. Für Metro-DCI. Beispiele: Cisco CPAK, Ciena WaveLogic Nano.
QSFP-DD / OSFP (400G ZR/ZR+)
Die aktuelle Generation für kohärentes 400G:
- 400G ZR (OpenROADM-/OIF-Standard): bis zu 120 km, steckbar und interoperabel
- 400G ZR+: größere Reichweite (500–1,000 km), herstellerspezifische Erweiterungen
- Bauformen: QSFP-DD, OSFP
- Leistung: 15–20 W pro Modul
800G und darüber hinaus
800G-kohärente Module (OSFP, QSFP-DD800) gehen in Produktion. Mit DP-64QAM oder probabilistischem Constellation Shaping (PCS) erreichen sie 800 Gbps pro Wellenlänge.
Kohärentes DWDM: Kapazität vervielfachen
Kohärente Transceiver werden fast immer mit DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) verwendet, das mehrere Wellenlängen auf einer Glasfaser bündelt:
- C-Band: 1,530–1,565 nm, etwa 96 Kanäle bei einem Raster von 50 GHz
- L-Band: 1,565–1,625 nm, etwa 96 zusätzliche Kanäle
- C+L-Band: ~192 Kanäle × 400 Gbps = ~76.8 Tbit/s pro Faserpaar
Jede Wellenlänge überträgt einen unabhängigen kohärenten Kanal. Ein einzelnes Faserpaar kann theoretisch Petabit pro Sekunde übertragen.
Kohärente Übertragung oder Direktdetektion: Wann wird welches Verfahren eingesetzt?
| Szenario | Empfohlen |
|---|---|
| Innerhalb des Rechenzentrums (<2 km) | Direktempfang (SR4, DR4) |
| Campus / kurze Reichweite (2–10 km) | Direktempfang (LR4, FR4) |
| Metro-DCI (10–80 km) | Kohärentes ZR oder Direct Detect (ER4) |
| Regional (80–300 km) | Kohärentes ZR / ZR+ |
| Langstrecke (300–3,000 km) | Kohärent mit EDFA-Verstärkung |
| Unterseeisch (3,000–20,000 km) | Kohärent mit Raman und EDFA |
Der Punkt, ab dem kohärente Übertragung wirtschaftlich wird, verschiebt sich nach unten. 400G-ZR-Module machen kohärente Übertragung inzwischen für Metro-DCI-Verbindungen wirtschaftlich, die zuvor Direct-Detect-Lösungen verwendeten.
Verstärkung: EDFAs und Raman
Auch kohärente Signale werden über die Strecke gedämpft. Zwei Verstärkungstechnologien erhöhen die Reichweite:
EDFA (Erbium-dotierter Faserverstärker)
- Verstärkt alle C-Band-Wellenlängen gleichzeitig
- Auf Langstrecken alle 60–100 km installiert
- Jede Stufe fügt Rauschen hinzu (Verschlechterung des OSNR)
- Standardtechnologie für terrestrische Weitverkehrsverbindungen
Raman-Verstärkung
- Verwendet die Faser selbst als Verstärkungsmedium
- Verteilte Verstärkung — geringere Rauschanhäufung
- Wird in Unterseekabeln und terrestrischen Ultralangstrecken eingesetzt
- Häufig in Kombination mit EDFA (hybrides Raman/EDFA-System)
OSNR: die entscheidende Leistungskennzahl
Das optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) bestimmt, wie weit ein kohärentes Signal übertragen werden kann, bevor die Fehlerquote unzulässig wird. Höhere Modulationsformate (64-QAM) benötigen ein höheres OSNR als niedrigere Formate (QPSK).
Die FEC des kohärenten DSP (Forward Error Correction) kann Signale mit sehr hohen Bitfehlerraten wiederherstellen und die Reichweite deutlich erhöhen (Pre-FEC-BER bis 2×10⁻² bei Soft-Decision-FEC).
Zusammenfassung
Kohärente Optik ermöglicht optische Übertragung mit hoher Kapazität über große Entfernungen, indem Daten in Phase, Amplitude und Polarisation des Lichts codiert werden, nicht nur in dessen Intensität. Die wichtigsten Erkenntnisse:
- DP-QPSK ist Standard für 100G-Langstrecken; DP-16QAM und DP-64QAM für 400G/800G
- Kohärente DSP-ASICs übernehmen die Dispersionskompensation digital, sodass keine externe DCM erforderlich ist.
- 400G ZR/ZR+ im Formfaktor QSFP-DD ist der aktuelle Standard für steckbare kohärente Optik.
- 城域 DCI（10 公里以上）和所有长途应用均采用相干光方案
- DWDM vervielfacht die Kapazität: Das C+L-Band kann pro Faserpaar 100+ Tbit/s übertragen
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