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Main Title: Electronic Precompensation of Dispersion and Nonlinearities in Fibre-Optic Transmission Systems
Translated Title: Elektronische Vorkompensation der Dispersion und der Nichtlinearitäten in faseroptischen Übertragungssystemen
Author(s): Weber, Christian
Advisor(s): Petermann, Klaus
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Hochbitratige Glasfaserübertragungssysteme werden durch verschiedene optische Effekte wie chromatische Dispersion und Fasernichtlinearitäten begrenzt. Die Kompensation dieser Effekte wird typischerweise durch rein optische Techniken erreicht, z.B. dispersionskompensierende Fasern (DCF), Dispersionsmanagement oder optimierte Modulationsformate. Allerdings weisen optische Komponenten einige Nachteile auf: hohe Kosten, physische Größe, zusätzliche Verluste, Signallaufzeitverzögerungen und fehlende Adaptierbarkeit. Alternativ zur optischen Kompensation wird zunehmend elektronische Signalentzerrung in der Sende- oder Empfangselektronik untersucht, deren Einsatz in hochbitratiger Übertragung erst durch die aktuellen Fortschritte bei der Entwicklung schneller digitaler Signalverarbeitung ermöglicht wurde. Vorteile sind unter anderem die geringeren Kosten, die Adaptierbarkeit auf zeitlich veränderliche Störungen sowie die Möglichkeit zur Vereinfachung des optische Streckendesigns. In dieser Arbeit wird die senderseitige Vorkompensation der chromatischen Dispersion und der Fasernichtlineartitäten in Weitverkehrsübertragungsstrecken bei Bitraten von 10 und 40 Gbit/s behandelt. Als optischer Empfängertyp wird Direkt-Detektion betrachtet. Das Ziel der Arbeit ist einerseits die Analyse fundamentaler Begrenzungen durch Nichtlinearitäten im Einkanal- und Wellenlängenmultiplex-Betrieb. Dazu werden numerische Simulationen präsentiert, bei denen ein ideal vorverzerrender Sender ohne Beschränkung des Hardware-Aufwands angenommen wird. Im Hinblick auf die Genauigkeit der Simulationen diskutieren wir die Rolle der verwendeten Bitsequenzlängen und berücksichtigen die Statistik der Interkanalnichtlinearitäten. Des Weiteren werden praktische Begrenzungen untersucht, die durch die Verwendung realistischer Hardware-Komponenten gegeben sind. Insbesondere werden nichtlineare digitale Filter (look-up tables), Digital-Analog-Wandler (DAC) und der verwendete Mach-Zehnder Modulatortyp (MZM) betrachtet. Wir untersuchen drei Fälle: Elektronische Vorverzerrung (EPD) der chromatischen Dispersion, kombinierte EPD von Dispersion und Intrakanalnichtlinearitäten sowie EPD von Intrakanalnichtlinearitäten in optisch dispersionskompensierten Strecken (ODC). Die EPD Systeme werden verglichen mit konventionellen optisch dispersionskompensierten Systemen. Es zeigte sich, dass die EPD Systeme bei einer Datenrate von 10 Gbit/s im Allgemeinen stärker von Intra- und Interkanalnichtlinearitäten beeinträchtigt werden als ODC Systeme. Bei 40 Gbit/s EPD Systemen ergibt sich hingegen eine ähnliche nichtlineare Schwelle wie bei ODC System. Die Toleranz gegenüber Nichtlinearitäten verbessert sich also bei einer Erhöhung der Datenrate zugunsten von EPD. Für eine mögliche praktische Realisierung der EPD Technik sind die Hardware-Anforderungen des vorverzerrenden Senders von besonderem Interesse. Die diesbezüglichen Untersuchungen ergaben, dass für eine effiziente Kompensation der Dispersion bei 40 Gbit/s mindestens eine DAC-Wandlerrate von 60 GSa/s mit 4 Bit Auflösung und ein Dreifach-MZM benötigt werden. Weiterhin zeigen wir, dass die senderseitige Vorkompensation der Dispersion ein langes Kanalgedächtnis erzeugt, das digitale Filter mit einer langen Impulsantwort erfordert. Zur möglichen Reduzierung des Kanalgedächtnisses wenden wir die Vorverzerrung der Intrakanalnichtlinearitäten in optisch dispersionskompensierten Strecken mit resonantem Dispersionsschema an und zeigen eine deutlich erhöhte Toleranz gegenüber Nichtlinearitäten.
Fibre-optic transmission at high bit rates is limited by several optical impairments such as chromatic dispersion and fibre nonlinearities. The compensation of these effects was typically carried out completely in the optical domain, e.g. using dispersion compensating fibres (DCF) and dispersion management. However, optical components have several disadvantages including high cost, physical size, additional loss, latency and lack of adaptability. Recent advances in high speed digital signal processing have enabled high bit rate electronic impairment mitigation in the transmitter or receiver electronics as an attractive alternative to optical compensation, allowing for adaptability, cost savings and a simplified link design. This thesis focuses on the mitigation of chromatic dispersion and fibre nonlinearities at the transmitter in long-haul 10 and 40 Gbit/s/channel wavelength division multiplexing transmission over standard single mode fibre using direct detection. In particular, fundamental limitations due to nonlinearities are studied using numerical simulations by assuming an ideal precompensating transmitter and unrestricted hardware complexity. We pay special attention to the role of the bit pattern length and the statistical nature of interchannel nonlinearities. In addition, practical limitations due to realistic hardware components are investigated by modelling the nonlinear digital filter based on look-up tables, the digital-to-analog conversion (DAC) and the field modulator. We consider three cases: Electronic predistortion (EPD) of chromatic dispersion, EPD of intrachannel nonlinearities and combined EPD of dispersion and intrachannel nonlinearities. The EPD systems are compared to conventional optically dispersion compensated (ODC) systems. Generally, it is found that 10 Gbit/s EPD systems suffer from severe degradations due to intra- and interchannel nonlinearities compared to ODC. At 40 Gbit/s, however, the limitations of EPD due to nonlinearities are less critical in comparison to ODC, showing that the nonlinear tolerance of EPD improves at higher bit rates. The analysis of the hardware limitations at 40 Gbit/s reveals that a DAC sampling rate of at least 60 GSa/s with 4 bit resolution and a triple Mach-Zehnder modulator (MZM) are required. Further, we show that precompensation of dispersion introduces a large channel memory that requires digital filters with a long impulse response in the precompensating transmitter. As an alternative, we combine EPD of intrachannel nonlinearities and optical dispersion compensation in ODC systems with a resonant dispersion map, thus allowing for a reduced channel memory. A significantly increased nonlinear tolerance is demonstrated.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-25856
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2697
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2400
Exam Date: 8-Jan-2010
Issue Date: 12-Mar-2010
Date Available: 12-Mar-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Dispersion
Faseroptische Übetragungstechnik
Glasfaser
Nichtlinearitäten
Optische Nachrichtentechnik
Übertragungstechnik
Dispersion
Fibre
Nonlinearities
Optical communication
Optical transmission
Optics
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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