TU Darmstadt / ULB / tuprints

Verfahren zur elektronischen Kompensation der Polarisationsmodendispersion in optischen Übertragungssystemen

Gölz, Daniel :
Verfahren zur elektronischen Kompensation der Polarisationsmodendispersion in optischen Übertragungssystemen.
TU Darmstadt, Institut für Mikrowellentechnik und Photonik, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Goelz_online.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (3607Kb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Verfahren zur elektronischen Kompensation der Polarisationsmodendispersion in optischen Übertragungssystemen
Language: German
Abstract:

Die zunehmende Popularität von Datendienstleistungen wie IP-basierte Video- und Sprachdienste bringen ein ständiges Wachstum des weltweit übertragenen Datenvolumens mit sich. Um zukünftigen Anforderungen gewachsen zu sein, ist eine Vergrößerung der Kapazitäten der Weitverkehrsnetze unumgänglich. Die sinnvollste Lösung hierfür stellt die Erhöhung der Datenraten der einzelnen Wellenlängenkanäle von derzeit üblicherweise 10Gbit/s auf 40Gbit/s oder gar 100 Gbit/s dar.

Auf vielen der heute installierten Faserstrecken ist solch eine Umstellung jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Der physikalische Effekt der Polarisationsmodendispersion (PMD) verursacht eine Verzerrung der Signalverläufe in den Fasern, was eine erhöhte Bitfehlerquote zur Folge hat. Dieser Effekt gewinnt mit zunehmender Datenrate an Gewicht, so dass Übertragungssysteme mit 40 Gbit/s und mehr oftmals nicht mehr zuverlässig arbeiten.

Diese Beschränkung kann durch die Installation neuer Glasfasern mit geringerer PMD behoben werden, was allerdings mit enormen Kosten verbunden ist. Es ist daher günstiger, den Störeinfluss der PMD durch den Einsatz optischer oder elektronischer Kompensatoren zu verringern. Die elektronischen Kompensatoren haben im Vergleich zu optischen Kompensatoren einige Vorteile: Durch die Integrierbarkeit der Schaltungen können sie wesentlich kostengünstiger und platzsparender realisiert werden. Zudem können elektronische Verfahren wesentlich schneller auf Änderungen des Übertragungskanals reagieren.

Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Optimierung von elektronischen Verfahren zur Kompensation von PMD zum Ziel. Hierbei werden zwei Schwerpunkte gesetzt, die im Folgenden erläutert werden. Untersuchungen werden mit der Simulationssoftware Matlab durchgeführt. Bewertet werden die Kompensatoren anhand ihrer Fähigkeit die Wahrscheinlichkeit von Systemausfällen zu reduzieren.

Zum einen werden Kompensationsverfahren für amplitudenmodulierte, direktempfangende, optische Übertragungssysteme behandelt. Es wird ein Entscheideverfahren, im speziellen das Prinzip der Sequenzschätzung, auf die Anforderungen solcher Systeme angepasst und untersucht. Das Verfahren wird erstmals für die Anwendung in Polarisationsmultiplexsystemen erweitert und optimiert. Es zeigt sich, dass hierfür eine zusätzliche Polarisationsregelung erforderlich ist. Die Toleranz gegenüber PMD kann durch dieses Verfahren deutlich erhöht werden.

Zum anderen werden in dieser Arbeit elektronische Kompensatoren entworfen, die nach dem Prinzip der Signalentzerrung mithilfe linearer Filter funktionieren. Ein Einsatz in direkt detektierenden Systemen ist nur beschränkt möglich. Erst durch Überlagerungsempfang kann das volle Potential dieser Entzerrer ausgeschöpft werden, da dieses Empfangsprinzip sowohl Amplitude als auch Phase des empfangenen Signals liefert. Zur Verarbeitung amplitudenmodulierter Signale wird eine adaptiv einstellbare Filterstruktur auf das System angepasst und eine Erweiterung zur Anwendung in Polarisationsmultiplexsystemen wird vorgenommen. Dieses Adaptionsverfahren schätzt die zu invertierende Übertragungsfunktion des Systems mithilfe einer Trainingssequenz. Erstmals wird hierbei ein Verfahren zur Adaptionsbeschleunigung eingesetzt, wodurch die Adaptionszeiten signifikant verringert werden.

Weiterhin wird die Anwendbarkeit der adaptiven Filterstruktur auf phasenmodulierte Signale untersucht. Eine blinde Adaptionsmethode, die auf die Verwendung einer Trainingssequenz verzichtet und stattdessen die konstante Hüllkurve phasenmodulierter Signale ausnutzt, wird ebenfalls für die Anwendung in optischen Übertragungssystemen mit Polarisationsmultiplex angepasst, untersucht und mit dem vorher genannten Verfahren verglichen. Beide Methoden sind in der Lage, die durch Polarisationsmodendispersion verursachten Systemausfälle deutlich zu reduzieren, wobei das blinde Verfahren erwartungsgemäß weniger gut abschneidet.

Eine Gegenüberstellung der Entscheideverfahren und der Entzerrer zeigt, dass Sequenzschätzer eine gute Möglichkeit bieten, direkt detektierende, amplitudenmodulierte Systeme bei hohen Datenraten betreiben zu können. Auf lange Frist werden sich allerdings Systeme mit Überlagerungsempfang durchsetzen. Lineare Filterstrukturen ermöglichen hier die vollständige Kompensation der PMD, so dass durch Kombination mit höherwertigen Modulationsformaten Datenraten von über 100 Gbit/s in optischen Übertragungssystemen realisierbar sein werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The increasing popularity of data services such as IP-based video and voice communications are creating continuous growth in the volume of data being transferred across the globe. In order to prepare for these future challenges, it is imperative to expand the capacity of the global fiber network. The most sensible solution would involve speeding up the data rate of the individual wavelength channels from the currently typical 10 Gbit/s to 40 Gbit/s, or even 100 Gbit/s. This type of refitting of currently installed fiber optic links is simply not possible, however. The physical effect of polarization mode dispersion (PMD) causes a distortion of the signals in the optical links, which then leads to an increase of the bit error rate. This effect becomes more severe the more the data rate is increased, so that transmission systems of 40 Gbit/s or more no longer function reliably. This limitation can be removed by installing new fiber optic cables that have a lower PMD, but this naturally comes with high costs. It is less expensive to reduce the negative effect of PMD by using optical or electronic compensators. In comparison to optical compensators, electronic compensators have certain advantages; because they can be easily implemented as integrated circuits, they are more space and cost-saving. In addition, electronic compensators can react much more quickly to changes in the optical transmission channel. The goal of the present work is to develop and optimize electronic methods for the compensation of PMD. There are two areas of focus, described in the following. Investigations were undertaken using Matlab simulation software. The compensators are rated according to how well they are able to reduce the probability of system outages. Firstly, the work focuses on compensation principles for fiber optic transmission systems with amplitude modulation and direct detection. An estimation principle, more specifically, the principle of maximum likelihood sequence estimation, which matches the requirements of such systems, is tested and modified. This principle at first is expanded on and optimized for use in polarization multiplex systems. It turns out that to accomplish this goal, an additional polarization control is required. The degree to which PMD is tolerated can be considerably increased by adopting this principle. The second focus of this work is the development of electronic compensators which function according to the principle of signal equalization, with the aid of linear filters. Such an application in direct detection systems is only possible to a limited extent. The full potential of this equalizer can be realized through the use of homodyne reception. This is because this reception principle produces both the amplitude as well as the phase of the received signal. The processing of the amplitude modulated signal involves the addition of an adaptive, adjustable filter structure to the system, which is then also applied to polarization multiplex systems. With the help of a training sequence, this adaption process estimates the transmission function of the system to be inverted. It is possible for the first time to implement a method which speeds up adaption, such that the time required for adaption is significantly reduced. In addition, the applicability of the adaptive filter structure to phase-modulated signals is examined. A blind adaption method is therefore investigated and compared with the above-mentioned process for its suitability of use with fiber optic transmission systems with polarization multiplex. This blind adaption method does not employ a training sequence but instead utilizes the constant envelope of phase-modulated signals. Both methods are capable of reducing the number of system outages caused by polarization mode dispersion; however, as one would predict, the blind process is less successful. In summary, a comparison of estimation principles and of the equalizers shows that maximum likelihood sequence estimation provides a good opportunity to utilize direct detecting amplitude-modulation systems at high data rates. In the long term, homodyne reception systems will certainly establish themselves. Linear filter structures allow for the possibility of complete compensation for PMD, so that in combination with high order modulation formats, data rate levels of over 100 Gbit/s in fiber optic transmission systems will become reality.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Polarisationsmodendispersion, PMD, Kompensation, Entzerrer, Entscheideverfahren, MLSE, LMS, CMA
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
polarization mode dispersion, PMD, compensation, equalizer, MLSE, LMS, CMAEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Photonics and Opical Communications
Date Deposited: 22 Oct 2012 09:36
Last Modified: 10 Dec 2012 09:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-31297
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Meißner, Prof. Dr.- Peter and Küppers, Prof. Dr.- Franko and Hanik, Prof. Dr.- Norbert
Refereed: 8 October 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3129
Export:

Actions (login required)

View Item View Item