Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1015
Main Title: Investigation of high bit rate optical transmission systems employing a channel data rate of 40 Gb/s
Author(s): Hodzic, Anes
Advisor(s): Petermann, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das Ziel dieser Doktorarbeit war eine detaillierte Untersuchung von hoch bit ratigen optischen Übertragungssystemen mit einer Kanaldatenrate von 40 Gbit/s, die als wavelength division multiplexing (WDM) Systeme realisiert sind. Die Erkenntnisse, die durch umfangreiche numerische Untersuchungen gewonnen worden sind, wurden für die Erarbeitung von Designkriterien für die Übertragungssysteme der nächsten Generation verwendet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei an 40 Gbit/s basierten WDM Systemen mit amplitudenmodulierten optischen Signalen. Nach einer umfangreichen Beschreibung der Funktionsweise und des Standes der Technik von Systemkomponenten, die in optischen Übertragungssystemen zum Einsatz kommen, wurden die Übertragungseffekte (z.B. chromatische Dispersion, Kerr-Effekt) erklärt und beschrieben, die eine störungsfreie Übertragung von optischen Pulsen in Übertragungsstrecken beeinträchtigen. Wegen der Fokussierung der Arbeit auf amplitudenmodulierte Systeme, wurden Erzeugungsmethoden und Spektraleneigenschaften von zahlreichen amplitude-shift-keying (ASK) basierten Modulationsformaten erklärt. Die untersuchten Modulationsformate wurden in drei Gruppen unterteilt: Non-return-to-zero (NRZ) basierende Formate, Return-to-zero (RZ) basierende Formate und neue Modulationsformate. Zu der Gruppe von NRZ basierten Modulationsformaten gehören konventionelles NRZ und Duobinary Modulation. In der Gruppe von RZ basierten Formaten wurden konventionelles RZ, Carrier-suppressed RZ (CSRZ) und Single-side-band RZ (SSB-RZ) eingeführt. Die Gruppe der neuen Formate beinhaltet Modulationsformate, die vom Autor im Rahmen der Arbeit vorgeschlagen und weiterentwickelt worden sind: Alternate-chirped NRZ (alCNRZ), Novel-chirped RZ (nCRZ), Alternate-polarized NRZ (alPNRZ) und Alternate-polarized RZ (alPRZ). Die Anforderungen, die bei der Entwicklung von neuen Modulationsformaten berücksichtigt worden sind, waren die Verbesserung der nichtlinearen Übertragungseigenschaften (z.B. nichtlineare Toleranz) der Übertragungsstrecke und eine effizientere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Systembandbreite (z.B. Erhöhung der spektralen Effizienz), wobei die vorgeschlagenen Modulationsformate kompatibel mit herkömmlichen Systemkonfigurationen (z.B. Empfänger) sein sollten. Aufgrund numerischer Natur der Arbeit wurden diverse Auswertekriterien eingeführt, die eine genaue Evaluierung der Übertragungsqualität ermöglichen und im Rahmen der Arbeit verwendet worden sind. Die Vor- und Nachteile der Auswertekriterien wie Bitfehlerrate (BER), Q-Faktor, optischer Signalrauschabstand (OSNR) und Augendiagramme wurden erläutert, und ein Vergleich zwischen allen Kriterien ist gemacht worden. Die 40 Gbit/s basierten numerischen Untersuchungen wurden für Einkanal- und Mehrkanalübertragungssysteme durchgeführt. Dabei wurde im Mehrkanalfall zwischen WDM-Systemen mit einer spektralen Effizienz von 0.4 bit/s/Hz und effizienteren dense WDM (DWDM) Systemen mit einer spektralen Effizienz von 0.8 bit/s/Hz unterschieden. Das Ziel dieser Untersuchungen war eine 40 Gbit/s Systemoptimierung durch Bestimmung von optimalen Übertragungsfasern, optimalen Dispersionskompensationsschemen und optimalen Leistungsbereichen, in denen die zukünftigen Systeme betrieben werden sollen. Dabei wurden alle Untersuchungen unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Modulationsformaten durchgeführt, um einen Vergleich zwischen den Modulationsformaten gewährleisten zu können. Die Ergebnisse der Einkanaluntersuchungen haben gezeigt, dass NRZ basierten Modulationsformate durch eine hohe Dispersionstoleranz (ca. ±50 ps/nm) und eine niedrige nichtlineare Toleranz charakterisiert sind, was eine Beschränkung der maximaler Übertragungslänge verursacht. Die wichtigsten Störeffekte stellen in diesem Fall Selbstphasenmodulation (SPM) und die Interaktion zwischen SPM und chromatischer Dispersion dar. Die RZ basierten Verfahren zeichnen sich durch eine reduzierte Dispersionstoleranz (ca. ±25 ps/nm) aus, aber ermöglichen wegen erhöhter nichtlinearer Toleranz eine Verbesserung der maximalen Übertragungslänge verglichen zu NRZ Formaten. Die limitierenden Effekte in einer RZ basierten Übertragung sind Intrakanaleffekte (z.B. Intrakanalkreuzphasenmodulation IXPM), die bei höheren Signalleistungen von SPM begleitet sind. Die wichtigste Eigenschaft der neuen Modulationsverfahren ist die große nichtlineare Toleranz, die besonders bei alternierend polarisierten Modulationsverfahren (z.B. alPNRZ, alPRZ) zur Geltung kommt. Es wurde gezeigt, dass in allen untersuchten Fällen die Übertragungsqualität von eine mittleren Faserdispersion (ca. 4-8 ps/nm·km) profitiert und dass Dispersionskompensationsschemen mit einem bestimmten Prozent (variiert von Format zu Format) der Vorkompensation das Optimum darstellen. Die Mehrkanaluntersuchungen haben gezeigt, dass solange die spektrale Effizienz eines 40 Gbit/s basierten WDM systems klein (£ 0.4 bit/s/Hz) ist, die Einkanaleffekte (z.B. SPM, IXPM) die dominierenden Effekten sind. Demzufolge haben WDM und Einkanalsysteme ähnliche optimale Systemparameter, was ein einfaches System- und Kapazitätsupgrade ermöglichen würde. Des weiteren wurde gezeigt, dass für die Realisierung von DWDM Systemen eine schmalbandige optische Filterung sowohl am Sender als auch am Empfänger notwendig ist, deren Folge die Zerstörung der RZ Pulsform ist, wodurch die untersuchten RZ und NRZ basierten Modulationsformate identische Übertragungseigenschaften in DWDM Systemen aufweisen. Eine ähnliche Tendenz wurde auch bei manchen neuen Formaten (z.B. alCNRZ) beobachtet, was mit einem breiten Signalspektrum zu erklären ist. Auf der anderen Seite zeigten alternierend polarisierte Modulationsverfahren (z.B. alPNRZ) auch in DWDM Systemen eine Verbesserung hinsichtlich Filtertoleranz und Toleranz zu Mehrkanaleffekten (z.B. XPM), und empfählen sich als optimaler Kandidat für die zukünftigen 40 Gbit/s Systeme. Es wurde gezeigt, dass der optimale Fasertyp für eine DWDM Übertragung weitgehend unabhängig vom Modulationsformat ist und dass Faser eine möglichst hohe Dispersion besitzen sollen, um eine Unterdrückung der Mehrkanaleffekte ermöglichen zu können. Um zu erkennen, wie eine weitere Verbesserung der Übertragungseigenschaften in 40 Gbit/s Systemen ermöglicht werden könnte, wurden Verfahren wie orthogonal polarisierte Kanäle sowie phase shift keying (PSK) basierte Modulationsformate (z.B. DPSK, DQPSK) untersucht. Es wurde gezeigt, dass die orthogonale Polarisation zwischen den Kanälen als eine Verbesserungsmethode auf eine Übertragungslänge von ca. 200 km begrenzt ist. PSK-Formate ermöglichen eine Verbesserung der Übertragungseigenschaften der Strecke, wobei die notwendigen komplizierten Sender- und Empfängerrealisierungen vom Nachteil sein könnten.
The focus of this work was set on 40 Gb/s based optical transmission systems with a varying number of channels and various spectral efficiencies in order to investigate the potential of 40 Gb/s technologies for the implementation in the next generation optical transmission networks. The results of this work can be used as design guidelines enabling a better understanding of propagation limitations in high bit rate transmission systems and give useful insights needed for the capacity upgrade of existing transmission lines. Using conventional amplitude-shift-keying (ASK) based modulation formats and by the author proposed novel modulation formats, the optimization of the system settings is performed in 40 Gb/s based single channel, wavelength division multiplex (WDM) and dense WDM (DWDM) transmission lines, in order to enable a comparison between different modulation formats in terms of the total transmission distance and the maximum achievable spectral efficiency. The signal generation and dominant transmission characteristics of various conventional non return-to-zero (NRZ), return-to-zero (RZ), duobinary, single side band RZ (SSB-RZ), carrier suppressed RZ (CSRZ) - and novel modulation formats alternate chirped NRZ (alCNRZ), novel chirped RZ (nCRZ), alternate polarized (N)RZ (alP(N)RZ) were introduced. The idea behind the development of novel modulation formats was the performance improvement of the existing transmission lines with possibly low signal generation complexity, employing conventional ASK-based receiver configuration for the signal detection. Dividing all modulation formats in two groups NRZ- and RZ-based - their tolerances to linear and nonlinear transmission disturbances are investigated in single channel transmission, indicating that an implementation of NRZ-based modulation formats provides a better dispersion tolerance, but suffers from strong nonlinear limitations. The use of novel NRZ-based formats enables a significant improvement of nonlinear transmission characteristics at the cost of a slightly increased transmitter complexity. RZ-based formats are characterized by an increased sensitivity to residual dispersion and a significant nonlinear tolerance. It is shown that an additional phase or polarization modulation of RZ pulses enables more compact signal spectra and a further improvement of nonlinear transmission robustness, thus enlarging the maximum transmission distance. Strong intra-channel limitations were indicated as the dominant transmission limitation especially in RZ-based formats characterized by strong interactions of consecutive pulses within the bit stream, due to the fast broadening of short optical pulses at 40 Gb/s. This effect is accompanied by self-phase modulation (SPM) group velocity dispersion (GVD) interplay, which becomes evident in both format groups at larger channel powers. It is shown that the dominance of intra-channel effects requires implementation of transmission fibers with moderate dispersion values. Furthermore, it was shown, that as long as intra-channel effects dominate transmission performance, the best dispersion compensation scheme is characterized by a small amount of dispersion pre-compensation, due to suppression of interactions between adjacent pulses. Thereby, right amount of dispersion pre-compensation is dependent on the modulation format in use, because of the interplay between the pulse internal chirp induced during modulation and the local dispersion in transmission line. The importance of pre-compensation increases in long-haul transmission lines employing dispersion compensation on a span-by-span basis, because of constructive superposition of intrachannel cross-phase modulation (IXPM) contributions in each span. The modulation formats employing polarization switching between consecutive pulses were identified as best solution for the performance enhancement in 40 Gb/s single channel based transmission lines. The 40 Gb/s based WDM systems with spectral efficiency of 0.4 bit/s/Hz showed identical transmission behavior as in single channel transmission for all modulation formats, which can be explained by the dominance of single-channel effects in 40 Gb/s systems with a channel spacing of 100 GHz. This leads to the conclusion that a system upgrade from single channel to WDM at 40 Gb/s channel data rate can be made using identical transmission infrastructure. As in the single channel case, RZ-based formats indicated a significant robustness to nonlinear propagation effects, which could be further improved by the use of novel modulation formats. Basically, RZ-based modulation formats outperform the NRZ-based ones in 40 Gb/s single channel and WDM transmissions, and transmission advantages of RZ based formats become even more evident with an increased transmission distance. It was shown that an increase of spectral efficiency to 0.8 bit/s/Hz in 40 Gb/s based DWDM systems results in increased pulse distortions, because of the reduced tolerance to implemented narrow-band filtering and larger impact of multi-channel nonlinearities (particularly XPM). The differences between RZ- and NRZ-based modulation formats vanish in DWDM transmissions, because of the distortion of RZ pulse shape due to narrow-band filtering needed at the transmitter side. It was shown that transmission performance of DWDM systems could profit from implementation of transmission fibers with a large chromatic dispersion, due to suppression of multi-channel effects independently of the modulation format in use. Accordingly, already deployed fibers (e.g. G.652) can be further used in next generation of DWDM transmission systems. Furthermore, considering concatenation of identical spans in a DWDM transmission line, it was observed that XPM-induced impacts superpose constructively from span to span independently of the implemented dispersion compensation scheme, resulting in an transmission penalty, which is in high power regime proportional to number of concatenated spans. This behavior enables together with already know transmission rules (e.g. Pmax) an efficient estimation of the maximum transmission performance and maximum transmission distance in 40 Gb/s DWDM systems. This work is completed by representation of some promising technologies, e.g. polarization orthogonality between the channels or phase-shift-keying (PSK) based modulation formats, which enable a further increase of spectral efficiency (beyond 0.8 bit/s/Hz) and an enhanced maximum transmission distance. The investigations of PSK-based modulation formats showed that not all recently proposed PSK-based system could compete with ASK-based formats for implementation in DWDM systems. Differential quadrature PSK (DQPSK) based modulation formats were identified as a potential candidate for the implementation in future spectrally efficient DWDM systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9156
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1312
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1015
Exam Date: 16-Jul-2004
Issue Date: 15-Nov-2004
Date Available: 15-Nov-2004
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): 40 Gb/s
AlPNRZ
AlPRZ
CSRZ
Duobinary
DWDM
NRZ
Optische Modulationsformate
Optische Nachrichtenübertragung
RZ
Spektrale Effizienz
WDM
40 Gb/s
AlPNRZ
AlPRZ
Capacity u
CSRZ
Duobinary
DWDM
NRZ
Optical modulation formats
Optical transmission systems
RZ
Spectral efficiency
WDM
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