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Impact of stochastic transmission effects on the design of digital back propagation
Goroshko, Kseniia
During the last three decades optical telecommunications industry is constantly pushing for new data transmission capacity limits. With a nowadays paradigm of coherent communication, one of the ways to increase the data rates is closely related to increasing the signal transmission power. That in turns allows reaching higher optical signal-to-noise ratio (OSNR). An intrinsic part of this solution will be proposing a proper management for fibre nonlinearities (NL) that arise with the high optical power.
One of the promising techniques to mitigate NL is called digital back propagation (DBP). The main assumption of DBP is that fibre propagation can be fully described by the Manakov-polarisation mode dispersion (PMD) equations. The most popular DBP implementation is based on the split-step Fourier (SSF) method. Its performance is limited by the accuracy of the actual implementation (signal discretization, step size) and the uncertainty of the transmission link (fibre parameters, amplification map). Fundamental limitations of DBP that are independent from implementation arise from the impact of stochastic propagation impairments on fibre NL, such as amplified spontaneous emission (ASE) noise and polarisation effects.
This thesis will focus on the impact of stochastic propagation effects on DBP performance. The key limiting effects, PMD and polarisation dependent loss (PDL), will be characterised. A supplement to the perturbation model will be proposed to account for PMD analytically and to predict the DBP error. Further, a low-complex and high-efficient DBP modification will be proposed. Finally, the fundamental limits of the conventional and the proposed DBP will be quantified.
In den letzten drei Jahrzehnten treibt die optische Datenübertragungsbranche neue Kapazitätsgrenzen voran. Mit dem heutigen Paradigma der kohärenten Kommunikation ist eine der Möglichkeiten, um höhere Datenraten zu erreichen, zugleich eng mit der Erhöhung der Sendeleistung verbunden, wodurch wiederum ein höheres optisches Signal/Rausch-Verhältnis erreicht werden kann. Ein wesentlicher Teil dieser Lösung wird darin bestehen, einen ordnungsgemäßen Umgang mit der Nichtlinearität in Glasfasern, die bei der hohen optischen Leistung auftreten, vorzuschlagen.
Eine der vielversprechenden Techniken zur Minderung von Nichtlinearitäten wird als digitale Rückwärtsausbreitung bezeichnet. Die Hauptannahme der digitalen Rückwärtsausbreitung ist, dass die Wellenausbreitung in Fasern durch die Manakov-Polarisationsmodendispersion Gleichungen vollständig beschrieben werden kann. Die Leistung der digitalen Rückwärtsausbreitung wird durch die numerische Genauigkeit der tatsächlichen Implementierung (Signaldiskretisierung, Schrittgröße) und die Unbestimmtheit der tatsächlichen Übertragungsverbindung (Faserparameter, Verstärkungskarte) begrenzt. Grundsätzliche Einschränkungen, die von der Implementierung unabhängig sind, ergeben sich aus den Auswirkungen stochastischer Ausbreitungsbeeinträchtigungen auf Fasernichtlinearitäten, wie beispielsweise verstärktes spontanes Emissionsrauschen und Polarisationswirkungen der Doppelbrechung der Faser.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Auswirkungen stochastischer Ausbreitungseffekte auf die Leistung der digitalen Rückwärtsausbreitung. Die wichtigsten einschränkenden Wirkungen, Polarisationsmodendispersion und polarisationsbedingter Verlust werden dabei charakterisiert. Eine Ergänzung des Perturbationsmodells wird vorgeschlagen, um Polarisationsmodendispersion analytisch zu berücksichtigen und den Fehler der digitalen Rückwärtsausbreitung vorherzusagen. Ferner wird eine hocheffiziente Modifikation der digitalen Rückwärtsausbreitung mit niedriger Kapazität vorgeschlagen, um die Nichtlinearität- Polarisationsmodendispersion-Wechselwirkungen zu verringern. Schließlich werden die grundlegenden Grenzen der konventionellen und vorgeschlagenen digitalen Rückwärtsausbreitung quantifiziert.
