Optical free-space transmitters and their effects on preamplified direct detection / von Martin M. Strasser

• VerfasserIn: Strasser, Martin M.
• Place / Publishing House: 2002
• Year of Publication: 2002
• Language: English
• Physical Description: 151 S.; graph. Darst.
• Notes: Zsfassung in dt. Sprache

ger: Für optische Übertragungssysteme ist eine empfindliche Detektion von Daten von großer Bedeutung. In optischen Fasernetzen können empfindliche Empfänger die Anforderungen an Sender und Zwischenverstärker vermindern, die Übertragungsreichweite vergrößern und zusätzliche Systemreserven bereitstellen. In optischen Freiraumübertragungssystemen (sog. FSO Systemen) benötigt man hohe Empfängerempfindlichkeiten um die großen Übertragungsdistanzen zwischen Satelliten überbrücken zu können oder um hohe atmosphärische Dämpfungen in terrestrischen Anwendungen zu kompensieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf von Sendern und Empfängern für FSO Systeme und deren Optimierung um eine maximale Empfängerempfindlichkeit} zu erreichen. Theoretisch liefert eine kohärente Detektion von phasenumgetasteten Datensignalen die höchste Empfindlichkeit, doch in praktischen Systemen stellen Direktempfänger mit RZ (return-to-zero) kodierten Daten die optimale Lösung dar. Dies gilt insbesondere bei hohen Datenraten im Gbit/s Bereich. Aus diesem Grund konzentriere ich mich auf RZ Sender und optisch vorverstärkte Direktempfänger. Um eine optimale RZ Datenmodulation zu gewährleisten, untersuche ich verschiedene Methoden zur Erzeugung optischer Pulse (modengekoppelte Laser, direkt modulierte Laser und sinusförmig angesteuerte Elektroabsorptionsmodulatoren oder Mach-Zehnder Modulatoren). Die Eigenschaften der erzeugten Pulse werden sowohl theoretisch als auch experimentell charakterisiert. Weiters bewerte ich die verschiedenen Methoden hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit in FSO Systemen. Unter Berücksichtigung der Robustheit und Komplexität der Sender, sind DFB Laser, welche mit zweistufigen Elektroabsorptionsmodulatoren integriert sind, die optimalen Transmitter für FSO Anwendungen. Zur Modellierung des Empfängers werden Rauschstatistiken verwendet, welche die Detektionsrauschvarianzen genauer berechnen als herkömmliche Modelle. Die resultierenden Simulationen zeigen, daß man mit RZ Kodierung bis zu 4 dB bessere Empfängerempfindlichkeiten erreichen kann als mit NRZ (non return-to-zero). Bei RZ Kodierung werden die optimalen optischen und elektrischen Detektionsbandbreiten im wesentlichen durch ein Gleichgewicht zwischen maximaler Rauschunterdrückung und minimaler Reduktion der Signalleistung bestimmt. Im Gegensatz dazu spielt bei NRZ Kodierung Intersymbolinterferenz eine wesentliche Rolle. Die optimalen Bandbreiten hängen aber auch stark von den Eigenschaften der RZ-kodierten Datensignalen ab (Tastverhältnis, Auslöschungsverhältnis, Frequenzchirp), wodurch eine gemeinsame Optimierung des Senders und des Empfängers notwendig wird. Diese Optimierung zeigt: (i) Für praktisch relevante Empfängerbandbreiten ist ein Tastverhältnis von 33 Prozent optimal. (ii) Die Verschlechterung der Empfindlichkeit durch ein endliches Auslöschungsverhältnis des Senders kann durch optimale Modulationskonzepte minimiert werden. (iii) Die negativen Auswirkungen von Chirp und zeitlichem Jitter der Pulse können durch Anpassen verschiedener Systemeigenschaften gering gehalten werden. Die Einflüsse von Chirp auf die Empfindlichkeit des Direktempfängers werden dabei eingehender untersucht. Um eine genaue Bewertung der Chirpeigenschaften verschiedener Sender durchführen zu können, entwickle ich ein erweitertes Chirpmodell, welches die nichtlinearen Phasenverzerrungen realistischer vorhersagt als sogenannte effektive Chirpmodelle. Mit dem erweiterten Modell können die Chirpeigenschaften beliebiger intensitätsmodulierter optischer Quellen erfasst werden. Simulationen mit diesem Modell zeigen, daß Chirp bei RZ-kodierter Datenübertragung die Empfängerempfindlichkeit um einige dB verschlechtern kann. Im Falle von NRZ Kodierung ist es möglich, daß Chirp die Bitfehlerwahrscheinlichkeit verringert. Die Simulationen sind in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Messungen, welche bei einer Datenrate von 10 Gbit/s durchgeführt worden sind. Mit einem optimierten experimentellen RZ Übertragungssystem erreichte ich eine Rekordempfindlichkeit des Empfängers von 52 Photonen pro Bit bei einer Bitfehlerwahrscheinlichkeit von 10e-9. Dieser Wert liegt nur 1.4 dB über dem Quantenlimit.

eng: Sensitive detection of data signals is of major interest for optical high speed communication systems. In fiber-optic networks, sensitive receivers reduce transmitter or mid-span amplifier requirements, extend link distances, and provide additional margins. For the emerging class of free-space optical (FSO) communication systems, sensitive receivers are keys to closing the link over long distances in inter-satellite transmission scenarios or to overcoming large atmospheric attenuation in terrestrial FSO systems. This thesis deals with the design and optimization of transmitters and receivers for FSO applications with the aim to achieve maximum receiver sensitivity. Coherent detection of PSK (phase shift keying) coded signals theoretically yields the highest receiver sensitivity. However, in practical and economically attractive systems operating at data rates in the Gbit/s regime, direct detection (DD) receivers using RZ-OKK (return-to-zero on/off keying) coding outperform all other systems. Hence, I focus on RZ transmitters and optically preamplified direct detection receivers. For optimum RZ data modulation, I review various optical pulse generation methods such as mode-locking, gain-switching, and pulse carving by means of sinusoidally modulated Mach-Zehnder modulators or electroabsorption modulators. I theoretically and experimentally characterize the properties of the pulses generated by these methods, and discuss the different methods with respect to their application in FSO communication systems. Taking into account transmitter robustness and complexity, the optimum FSO transmitter is shown to be a DFB laser monolithically integrated with a dual-stage electroabsorption modulator. For receiver modelling, advanced Gaussian noise statistics are used to simulate detection noise in a more accurate way than with conventional noise models. The simulations presented in this work verify that RZ coding can outperform NRZ (non return-to-zero) by up to 4 dB in receiver sensitivity. For RZ coding, the optimum optical and electrical detection bandwidths yielding maximum receiver sensitivity represent a trade-off between filter-induced signal rejection and noise suppression. This is in strong contrast to NRZ coding, where intersymbol interference plays a major role. I show that the optimum bandwidths are strongly influenced by the characteristics of the RZ data signal such as duty cycle, extinction ratio, and frequency chirp. Hence, a joint optimization of transmitter and receiver is necessary. This optimization (i) identifies a duty cycle of about 33 percent as being optimum for practically relevant receiver bandwidths, (ii) chooses modulation concepts that minimize the penalty in sensitivity due to a finite transmitter extinction ratio, and (iii) results in system architectures that keep low the influence of degradation effects such as jitter and chirp. Especially for chirp, a comprehensive investigation of its influence on the sensitivity of direct detection receivers is presented. For a detailed assessment of the chirp characteristics of the transmitter I develop an extended chirp model predicting the phase distortions more realistically than the so-called effective chirp model. The extended model enables an accurate chirp characterization of any intensity modulated optical source. Simulations using the extended model show that chirped RZ signals always deteriorate the receiver sensitivity by up to several dB. In the case of NRZ coding, chirp is even capable of improving the bit error probability (BEP). Transmission experiments performed at a data rate of 10 Gbit/s verify the simulation results. An optimized experimental RZ transmitter and receiver setup yielded a record receiver sensitivity of 52 photons per bit at a BEP of 10e-9, which is just 1.4 dB above the quantum limit.