Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1238
Main Title: Analyse faseroptischer Übertragungssysteme mit Wellenlängenmultiplex bei 160 Gbit/s Kanaldatenrate
Translated Title: Analysis of Fibre-Optic Transmission Systems with Wavelength-Division Multiplex at 160 Gb/s Data Rate per Channel
Author(s): Randel, Sebastian
Advisor(s): Petermann, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit werden zukünftige faseroptische Übertragungssysteme mit Wellenlängenmultiplex (engl. Wavelength-Division Multiplex - WDM) mit einer Datenrate von 160 Gbit/s pro Kanal analysiert. Dabei werden relevante, in der Glasfaser auftretende Effekte herausgestellt und es detailliert wird auf wesentliche Aspekte der Erzeugung und des Empfangs von Signalen eingegangen. Ein Schwerpunkt liegt zudem auf der Analyse von Methoden zur Optimierung der Übertragungseigenschaften. Im ersten Teil der Arbeit werden lineare und nichtlineare Eigenschaften der Glasfaser vorgestellt und ihr Einfluss in hochbitratigen Übertragungssystemen wird abgeschätzt. Ausführlich wird dabei auf die Wirkungsweise des nichtlinearen Kerr-Effektes eingegangen. Dieser wirkt bei 160 Gbit/s anders als in herkömmlichen WDM-Systemen mit bis zu 10 Gbit/s Kanaldatenrate fast ausschließlich innerhalb der Bandbreite eines Wellenlängenkanals vorwiegend als Intrakanal-Vierwellenmischung (engl. Intrachannel Four-Wave Mixing - IFWM). Die damit verknüpfte Entstehung von sogenannten Geisterpulsen wird mit Hilfe der Spektrogrammdarstellung anschaulich erklärt und mittels eines Störungsansatzes analytisch beschrieben. Im zweiten Teil wird auf wesentliche Aspekte der Erzeugung von optischen 160 Gbit/s Signalen mittels optischem Zeitmultiplex (engl. Optical Time-Division Multiplex – OTDM) eingegangen. Aufgrund von geringfügigen Temperaturschwankungen, kann es in konventionellen OTDM-Sendern zu statistisch variierenden bitweisen Phasenwechseln kommen. Es wird gezeigt, daß durch eine Stabilisierung der relativen Phasenlagen verschiedene OTDM-Modulationsformate generiert werden können. Zudem wird die Photostromstatistik eines optisch vorverstärkten Geradeausempfängers analysiert und es wird gezeigt, daß ein OTDM-Empfänger als ein konventioneller Geradeausempfänger mit äquivalentem Tiefpass verstanden werden kann. Weiterhin wird im Hinblick auf spektral effiziente WDM-Systeme der Einfluss senderseitiger optischer Filterung untersucht. Das Verhalten des Übertragungskanals wird schließlich im dritten Teil mit Hilfe von numerischen Simulationen untersucht. Einen kritischen Parameter bei 160 Gbit/s Kanaldatenrate stellt die Dispersionstoleranz dar. Es wird gezeigt, daß sich beispielsweise die Toleranz gegenüber chromatischer Dispersion, welche bei moderaten spektralen Effizienzen im Bereich von gerade einmal ±2 ps/nm liegt, bei hohen spektralen Effizienzen durch die Wahl des optimalen OTDM-Modulationsformates auf Werte von bis zu ±7 ps/nm steigern läßt. Bezüglich des nichtlinearen Verhaltens des Übertragungskanals wird gezeigt, daß IFWM mit den OTDM-Modulationsformaten π/2-AP-RZ und π-PAP-RZ optimal unterdrückt werden kann. Im Vergleich zu den Formaten RZ und CS-RZ ergibt sich dabei eine Erhöhung der maximalen Eingangsleistung pro Kanal um ca. 3 dB. Eine weitere Verringerung der Störungen durch IFWM kann durch bitweise alternierende Polarisation erreicht werden. Bei optimiertem Dispersionskompensationsschema kann auf diese Weise im Einkanalfall eine Systemreichweite von mehr als 2500 km bei einer Bitfehlerrate von 10^-9 ohne Fehlerkorrektur und elektronische Entzerrung überbrückt werden.
In the present work future fibre-optic transmission systems based on wavelength-division multiplex (WDM) with a data rate of 160 Gbit/s per channel are analysed. Relevant effects arising in the glass fibre are pointed out and substantial aspects of the generation and detection of signals are described in detail. Furthermore emphasis is placed on the analysis of methods to optimize the transmission performance. In the first part of the work linear and nonlinear characteristics of the fibre are introduced and their influence in high bit rate transmission systems is evaluated. Thereby the impact of the nonlinear Kerr-effect is pointed out in detail. Differently from conventional WDM systems with data rates of up to 10 Gbit/s per channel the Kerr nonlinearity acts almost completely inside the bandwidth of a single wavelength channel - predominantly as intrachannel four-wave mixing (IFWM) - when the data rate per channel is increased to 160 Gbit/s. The emergence of so-called ghost pulses is descriptive explained with the help of the spectrogram representation and furthermore described analytically by means of a perturbation approach. The second part deals with relevant aspects of the generation of optical 160 Gbit/s signals using optical time-division multiplex (OTDM). In conventional OTDM transmitters statistically varying bitwise phase changes may occur due to slight temperature fluctuations. It is shown that by stabilisation of the relative optical phases, different OTDM-Modulation formats can be generated. Furthermore the photo current statistics of an optically pre-amplified direct receiver is analysed. It is shown that an OTDM receiver can be understood as a conventional direct receiver with an equivalent electrical low-pass. Regarding spectrally efficient WDM systems the influence of optical filtering at the transmitter is examined. Finally in the third part the behaviour of the transmission channel is investigated by means of numerical simulations. One critical parameter at a data rate of 160 Gbit/s per channel is the dispersion tolerance. It is shown that e.g. the tolerance versus chromatic dispersion which is in the range of ±2 ps/nm at moderate spectral efficiencies can be increased to ±7 ps/nm at high spectral efficiency for the optimum OTDM modulation format. Concerning the nonlinear behaviour of the channel it is shown that IFWM can optimally be suppressed with the OTDM modulation formats π/2-AP-RZ and π-PAP-RZ. Compared to the RZ and CS-RZ formats an increase of the maximum input power per channel of around 3 dB can be achieved. A further reduction of IFWM induced distortions can be obtained by the use of bitwise alternating polarization. Using an optimized dispersion map an system reach of more than 2500 km can be achieved in the single channel case at a bit rate of 10^-9 without error correction and electronic equalization.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11475
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1535
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1238
Exam Date: 17-May-2005
Issue Date: 18-Nov-2005
Date Available: 18-Nov-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Lichtwellenleiter
Optische Nachrichtentechnik
Optischer Zeitmultiplex
Telekommunikation
Wellenlängenmultiplex
Optical Communications
Optical Fibre
Optical Time-Division Multiplex
Telecommunications
Wavelength-Division Multiplex
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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