Die Quantenschlüsselverteilung (QKD), die erste anwendbare Quantentechnologie, verspricht informationstheoretisch sichere Kommunikation. In der vorliegenden Arbeit wurde das Zeit-Frequenz (TF)-QKD-Protokoll untersucht, das Zeit und Frequenz, nämlich Puls-Positionsmodulation (PPM) im Zeitbereich und Frequenzumtastung (FSK) im Frequenzbereich als die beiden komplementären Basen verwendet. Seine Sicherheit beruht den Quanteneigenschaften von Licht und auf der Zeit-Frequenz-Unschärferelation. TF-QKD kann mit größtenteils Standard-Telekommunikationstechnologie im 1550-nm-Band implementiert werden. Die PPM-Basis kann mit Modulatoren und die FSK-Basis mit Hilfe der Wellenlängenmultiplex-Technologie realisiert werden. Das TF-QKD-Protokoll ist in der Lage, ein beliebig großes Alphabet bereitzustellen, was mehr als 1 bit/Photon ermöglicht. Darüber hinaus ist es robust gegenüber athmosphärischen Störungen und somit für die Übertragung über den Freiraumkanal geeignet. In der vorliegenden Arbeit wird das TF-QKD-Protokoll theoretisch bewertet, mit Standardkomponenten für 1 bit/Photon implementiert und die Freiraumübertragung mit optischem Tracking über eine 388 m Teststrecke wird bei Tageslicht demonstriert. Unter Verwendung der vorhandenen Komponenten konnte eine sichere Schlüsselrate von 364 kbit/s back-to-back und 9 kbit/s über den Freiraumkanal demonstriert werden. / Quantum key distribution (QKD), the first applicable quantum technology, promises information theoretically secure communication. In the presented work the time-frequency (TF)-QKD protocol was examined, which uses time and frequency, namely pulse position modulation (PPM) in the time domain and frequency shift keying (FSK) in the frequency domain as the two complementary bases. Its security relies on the quantum properties of light and the time-frequency uncertainty relation. TF-QKD can be implemented mostly with standard telecom-technology in the 1550 nm band. The PPM basis can be implemented with modulators and the FSK basis with help of wavelength-division multiplexing technology. The TF-QKD protocol is capable of providing an arbitrarily large alphabet enabling more than 1 bit/photon. Moreover, it is robust in the atmosphere making it suitable for transmission over the free-space channel. In the present work the TF-QKD protocol is assessed theoretically, implemented with off-the-shelf components for 1 bit/photon and free-space transmission with optical tracking over a 388 m testbed is demonstrated in daylight. Using components at hand, secret key rates of 364 kbit/s back-to-back and 9 kbit/s over the free-space channel could be demonstrated.

With the explosion of the number of compute nodes, the bottleneck of future computing systems lies in the network architecture connecting the nodes. Addressing the bottleneck requires replacing current backplane-based network topologies. We propose to revolutionize computing electronics by realizing embedded optical waveguides for onboard networking and wireless chip-to-chip links at 200-GHz carrier frequency connecting neighboring boards in a rack. The control of novel rate-adaptive optical and mm-wave transceivers needs tight interlinking with the system software for runtime resource management.

To accommodate the growing demand on higher speeds, low latencies and low energy consumption, the interconnections within and between data centers are supposed to be implemented as optical fiber and waveguide interconnects in future. Optical fiber interconnects provide several advantages over their electrical counterparts as they enable higher bandwidth densities and lower losses at high frequencies over distances longer than few centimeters. However, nowadays optical fiber interconnects are usually not very energy-efficient. The systems in optical networks are mostly optimized for running at their peak performance to transmit the information with the highest available error-free data rate. But the work load of a processor system and hence of an optical link is not constant and varies over time due to the demand of the running applications and users. Therefore, optical interconnects consume the same high power at all times even if lower performance is required. In this paper a new method for the tuning of optical interconnects for on-board and board-to-board optical communication is described. In this way the performance of the transceiver systems of the link is adapted to the present transmission workload and link requirements. If for example lower data rates are required, the bandwidth and therefore the power consumption of the systems can be reduced. This tuning is enabled by the integrated circuitry of the optical link. Different methods for such an adaptive tuning are described and several practical examples are reviewed. By using adaptive bandwidth reduction in the circuits, more than 50 % of the consumed power can be saved. These savings can result in tremendous reductions of the carbon footprint and of the operating costs produced by data centers.

In den letzten Jahrzehnten ist das globale Kommunikationssystem in einem immer größerem Maße ein integraler Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Optische Kommunikationssysteme sind die technologische Basis für diese Entwicklung. Nur Fasern können die riesige benötigte Bandbreite bereitstellen. Während für die ersten optischen Übertragungssysteme die Faser als "flacher" Kanal betrachtet werden konnte, machen Wellenlängenmultiplex und steigende Übertragungsraten die Einbeziehung von immer mehr physikalischen Effekten notwendig. Bei einer Erhöhung der Kanaldatenrate auf 40 Gbit/s und mehr ist die statische Kompensation von chromatischer Dispersion nicht mehr ausreichend. Die intrinsische Toleranz der Modulationsformate gegenüber Dispersion nimmt quadratisch mit der Symbolrate ab. Daher können beispielsweise durch Umwelteinflüsse hervorgerufene Dispersionsschwankungen die Dispersionstoleranz der Modulationsformate überschreiten. Dies macht eine adaptive Dispersionskompensation notwendig, was gleichzeitig auch Dispersionsmonitoring erfordert, um den adaptiven Kompensator steuern zu können. Vorhandene Links können mit Restdispersionskompensatoren ausgestattet werden, um sie für Hochgeschwindigkeitsübertragungen zu ertüchtigen. Optische Kompensationstechniken sind unabhängig von der Kanaldatenrate. Daher wird eine Erhöhung der Datenrate problemlos unterstützt. Optische Kompensatoren können WDM-fähig gebaut werden, um mehrere Kanäle auf einmal zu entzerren. Das Buch beschäftigt sich mit optischen Delay-Line-Filtern als eine Klasse von optischen Kompensatoren. Die Filtersynthese von solchen Delay-Line-Filtern wird behandelt. Der Zusammenhang zwischen optischen Filtern und digitalen FIR-Filtern mit komplexen Koeffizienten im Zusammenhang mit kohärenter Detektion wird aufgezeigt. Iterative und analytische Methoden, die die Koeffizienten für dispersions- und dispersions-slope-kompensierende Filter produzieren, werden untersucht. Genauso wichtig wie die Kompensation von Dispersion ist die Schätzung der Dispersion eines Signals. Mit Delay-Line-Filtern können die Restseitenbänder eines Signals genutzt werden, um die Dispersion zu messen. Alternativ kann nichtlineare Detektion angewandt werden, um die Pulsverbreiterung, die hauptsächlich von der Dispersion herrührt, zu schätzen. Mit gemeinsamer Dispersionskompensation und Dispersionsmonitoring können Dispersionskompensatoren auf die Signalverzerrungen eingestellt werden. Spezielle Eigenschaften der Filter zusammen mit der analytischen Beschreibung können genutzt werden, um schnelle und zuverlässige Steueralgorithmen zur Filtereinstellung bereitzustellen. Schließlich wurden Prototypen derartiger faseroptischen Kompensatoren von chromatischer Dispersion und Dispersions-Slope hergestellt und charakterisiert. Die Einheiten und ihr Systemverhalten wird gezeigt und diskutiert. / Over the course of the past decades, the global communication system has become a central part of people's everyday lives. Optical communication systems are the technological basis for this development. Only fibers can provide the huge bandwidth that is required. Where the fiber could be regarded as a flat channel for the first optical transmission systems wavelength multiplexing and increasing line rates made it necessary to take more and more physical effects into account. When the line rates are increased to 40 Gbit/s and higher static chromatic dispersion compensation is not enough. The modulation format's intrinsic tolerance for dispersion decreases quadratically with the symbol rate. Thus, environmentally induced chromatic dispersion fluctuations may exceed the dispersion tolerance of the modulation formats. This makes an adaptive dispersion compensation necessary implying also the need for a monitoring scheme to steer the adaptive compensator. Legacy links that are CD-compensated by DCFs can be upgraded with residual dispersion compensators to make them ready for high speed transmission. Optical compensation is independent from the line rate. Hence, increasing the data rates is inherently supported. Optical compensators can be built WDM ready compensating multiple channels at once. The book deals with optical delay line filters as one class of optical compensators. The filter synthesis of such delay line filters is addressed. The connection between optical filters and digital FIR filters with complex coefficients that are used in conjunction with coherent detection could be shown. Iterative and analytical methods that produce the coefficients for dispersion (and also dispersion slope) compensating filters are researched. As important as the compensation of dispersion is the estimation of the dispersion of a signal. Using delay line filters, the vestigial sidebands of a signal can be used to measure the dispersion. Alternatively, nonlinear detection can be used to estimate the pulse broadening which is caused mainly by dispersion. With dispersion compensation and dispersion monitoring, dispersion compensators can be adapted to the signal's impairment. Special properties of the filter in conjunction with an analytical description can be used to provide a fast and reliable control algorithm for setting the filter to a given dispersion and centering it on a signal. Finally, prototypes of such fiber optic chromatic dispersion and dispersion slope compensation filters were manufactured and characterized. The device and system characterization of the prototypes is presented and discussed.

In den letzten Jahrzehnten ist das globale Kommunikationssystem in einem immer größerem Maße ein integraler Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Optische Kommunikationssysteme sind die technologische Basis für diese Entwicklung. Nur Fasern können die riesige benötigte Bandbreite bereitstellen. Während für die ersten optischen Übertragungssysteme die Faser als "flacher" Kanal betrachtet werden konnte, machen Wellenlängenmultiplex und steigende Übertragungsraten die Einbeziehung von immer mehr physikalischen Effekten notwendig. Bei einer Erhöhung der Kanaldatenrate auf 40 Gbit/s und mehr ist die statische Kompensation von chromatischer Dispersion nicht mehr ausreichend. Die intrinsische Toleranz der Modulationsformate gegenüber Dispersion nimmt quadratisch mit der Symbolrate ab. Daher können beispielsweise durch Umwelteinflüsse hervorgerufene Dispersionsschwankungen die Dispersionstoleranz der Modulationsformate überschreiten. Dies macht eine adaptive Dispersionskompensation notwendig, was gleichzeitig auch Dispersionsmonitoring erfordert, um den adaptiven Kompensator steuern zu können. Vorhandene Links können mit Restdispersionskompensatoren ausgestattet werden, um sie für Hochgeschwindigkeitsübertragungen zu ertüchtigen. Optische Kompensationstechniken sind unabhängig von der Kanaldatenrate. Daher wird eine Erhöhung der Datenrate problemlos unterstützt. Optische Kompensatoren können WDM-fähig gebaut werden, um mehrere Kanäle auf einmal zu entzerren. Das Buch beschäftigt sich mit optischen Delay-Line-Filtern als eine Klasse von optischen Kompensatoren. Die Filtersynthese von solchen Delay-Line-Filtern wird behandelt. Der Zusammenhang zwischen optischen Filtern und digitalen FIR-Filtern mit komplexen Koeffizienten im Zusammenhang mit kohärenter Detektion wird aufgezeigt. Iterative und analytische Methoden, die die Koeffizienten für dispersions- und dispersions-slope-kompensierende Filter produzieren, werden untersucht. Genauso wichtig wie die Kompensation von Dispersion ist die Schätzung der Dispersion eines Signals. Mit Delay-Line-Filtern können die Restseitenbänder eines Signals genutzt werden, um die Dispersion zu messen. Alternativ kann nichtlineare Detektion angewandt werden, um die Pulsverbreiterung, die hauptsächlich von der Dispersion herrührt, zu schätzen. Mit gemeinsamer Dispersionskompensation und Dispersionsmonitoring können Dispersionskompensatoren auf die Signalverzerrungen eingestellt werden. Spezielle Eigenschaften der Filter zusammen mit der analytischen Beschreibung können genutzt werden, um schnelle und zuverlässige Steueralgorithmen zur Filtereinstellung bereitzustellen. Schließlich wurden Prototypen derartiger faseroptischen Kompensatoren von chromatischer Dispersion und Dispersions-Slope hergestellt und charakterisiert. Die Einheiten und ihr Systemverhalten wird gezeigt und diskutiert. / Over the course of the past decades, the global communication system has become a central part of people's everyday lives. Optical communication systems are the technological basis for this development. Only fibers can provide the huge bandwidth that is required. Where the fiber could be regarded as a flat channel for the first optical transmission systems wavelength multiplexing and increasing line rates made it necessary to take more and more physical effects into account. When the line rates are increased to 40 Gbit/s and higher static chromatic dispersion compensation is not enough. The modulation format's intrinsic tolerance for dispersion decreases quadratically with the symbol rate. Thus, environmentally induced chromatic dispersion fluctuations may exceed the dispersion tolerance of the modulation formats. This makes an adaptive dispersion compensation necessary implying also the need for a monitoring scheme to steer the adaptive compensator. Legacy links that are CD-compensated by DCFs can be upgraded with residual dispersion compensators to make them ready for high speed transmission. Optical compensation is independent from the line rate. Hence, increasing the data rates is inherently supported. Optical compensators can be built WDM ready compensating multiple channels at once. The book deals with optical delay line filters as one class of optical compensators. The filter synthesis of such delay line filters is addressed. The connection between optical filters and digital FIR filters with complex coefficients that are used in conjunction with coherent detection could be shown. Iterative and analytical methods that produce the coefficients for dispersion (and also dispersion slope) compensating filters are researched. As important as the compensation of dispersion is the estimation of the dispersion of a signal. Using delay line filters, the vestigial sidebands of a signal can be used to measure the dispersion. Alternatively, nonlinear detection can be used to estimate the pulse broadening which is caused mainly by dispersion. With dispersion compensation and dispersion monitoring, dispersion compensators can be adapted to the signal's impairment. Special properties of the filter in conjunction with an analytical description can be used to provide a fast and reliable control algorithm for setting the filter to a given dispersion and centering it on a signal. Finally, prototypes of such fiber optic chromatic dispersion and dispersion slope compensation filters were manufactured and characterized. The device and system characterization of the prototypes is presented and discussed.