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Main Title: Characterization of nonlinear distortions in fiber optical transmission systems with mode-division multiplexing
Translated Title: Charakterisierung nichtlinearer Signalverzerrung in faser-optischen Übertragungssystemen mit räumlichem Multiplex
Author(s): Rademacher, Georg Friedrich
Advisor(s): Petermann, Klaus
Referee(s): Petermann, Klaus
Krummrich, Peter
Bunge, Christian Alexander
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Kerr-Effekt basierende Nichtlinearitäten stellen einen limitierenden Faktor für die Übertragungsleistung von faser-optischen Kommunikationssystemen mit räumlichen Multiplexverfahren (engl. Space Division Multiplexing (SDM), auch Mode Division Multiplexing (MDM)) da. Ziel dieser Arbeit ist eine fundierte Analyse von nichtlinearen Effekten, die in Übertragungssystemen mit Vielmoden Glasfasern, bei Verwendung von räumlichem Multiplex, auftreten können. Zunächst wurde eine analytische Abschätzung des Einflusses von intra- und intermodalen nichtlinearen Störungen berechnet, wobei eine idealisierte vielmodige Glasfaser angenommen wurde. Es wurde gezeigt, dass intermodale nichtlineare Störung von gleicher Größenordnung wie intramodal nichtlineare Störungen sein kann. Anhand eines exemplarischen Übertragungssystems wurde weiterhing gezeigt, dass eine vielmodige Glasfaser mit gleicher Leistungsdichte im Faserkern, höhere Übertragungsleistungen aufweist als eine einmodige Glasfaser. Das ist ein erstaunliches Ergebnis, da es zeigt, dass eine vielmodige Glasfaser nicht nur bei höherer absoluter Leistung sondern auch bei höherer Leistungsdichte betrieben werden kann als eine einmodige Glasfaser. Weiterhin wurde die maximale Übertragungskapazität einer vielmodigen Glasfaser die in etwa dem OM4 Standard entspricht ermittelt. Jede Mode dieser Glasfaser kann eine gleiche oder höhere Übertragungskapazität bieten als eine standard-einmodige Faser. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit war die numerische Untersuchung von nichtlinearen Übertragungseffekten, die auftreten, wenn MDM in realistischeren Übertragungsszenarien eingesetzt wird. Dabei wurde zunächst der Einfluss von Differential Mode-Delay (DMD) management auf die Übertragungsqualität untersucht. Es wurde gezeigt, dass DMD management durch die Einführung einer Korrelation zwischen Signalen in unterschiedlichen Moden zu einer erhöhten nichtlinearen Störung führt. Zuletzt wurde der Einfluss der Kanal Granularität von Signalen mit Wellenlängen Multiplex auf die nichtlineare Signalausbreitung bestimmt. Dabei hat sich gezeigt, dass eine starke Fluktuation der Übertragungsleistung auftritt, wenn eine kleine Variation der differenziellen Gruppenlaufzeiten zwischen zwei Moden auftritt.
Kerr-effect-based nonlinearities might be the limiting factor for the application of Mode-Division Multiplexed (MDM) transmission links. The goal of this study was to offer a thorough analysis of nonlinear effects that might occur in MDM systems with multi-mode fibers (MMF). An analytical estimation of the impact of intra- and intermodal nonlinear interaction in idealized MMF (no mode-dependent loss / no linear coupling) has been derived and validated by numerical simulations. It was observed that intermodal nonlinear interactions can occur in same order of magnitude as intramodal nonlinear interactions. It has been shown that each mode of an exemplary graded-index MMF based transmission system can outperform a single-mode fiber based systems with equal core-power densities when only considering Kerr-nonlinearities. This is a noteworthy result, as it shows that a multi-mode fiber cannot only be operated at higher absolute power than a single-mode fiber but also at higher power density. Furthermore, the nonlinear impairments in a standard MMF (similar to OM4-standard) were analyzed. It was found out that each fiber mode can achieve a better performance compared to a standard SMF. A second emphasis was the investigation of transmission effects that might arise when applying mode-division multiplexing in a more realistic system. Differential Mode-Delay (DMD) management was proposed to facilitate reduce the group-delay spread in order to facilitate Multiple-Input / Multiple Output (MIMO) that is required when considering linear mode coupling. It was shown in this work that DMD management can have a negative impact on the maximal achievable performance of each mode as a result of an increased signals correlation that has a negative impact on the nonlinear signal distortion. Finally, it was shown that the channel granularity in Wavelength-Division multiplexed (WDM) transmission links can lead to a strong performance fluctuation when the DMD varies in a range that might be within the tolerance of the fiber production process.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-68452
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4837
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4540
Exam Date: 18-Jun-2015
Issue Date: 4-Aug-2015
Date Available: 4-Aug-2015
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): Optische Kommunikation
nichtlineare Signalausbreitung
multimode Faser
räumlicher Multiplex
Fiber optical communication
mode-division multiplexing
multi-mode fibers
nonlinear propagation
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