Υψίρρυθμα οπτικά συστήματα μετάδοσης άμεσης φώρασης σε μητροπολιτικά δίκτυα

Abstract

In high data rate systems, signal distortions caused by intersymbol interference increase proportionally to the square of the data rate, hence the performance of the transmission system is very sensitive to the possible residual dispersion at the receiver. Optical dispersion compensation can only compensate for specific values of chromatic dispersion, however in dynamic multi-channel network segments dispersion is not always known in advance. Electronic equalizers, on the other hand, are utilized adjustably after signal detection. Οptical transmission systems can benefit from a combination of rigid DCF with adaptive equalization at the receiver where residual dispersion is adjustably compensated after signal detection. The fundamental objective of this work is to study techniques of optical transmission combined with optical and electronic equalization in order to implement backbone networks with extremely low cost per transmitted bit, and to develop the optical and electronic components to ensure low cost optical networks. Another important challenge is the economically feasible upgrade of existing channels from 10 Gb/s to higher bit rate, without changing the already deployed transmission infrastructure or the need of regenerating the signal. The objective of upgrading an existing optical system was not confined only in terms of higher bit rates, but also on the extension of the maximum transmission length, without the need of regenerating the optical signal. For this purpose, different types of supervised fractionally spaced electronic equalizers were investigated: 1. Decision Feedback Equalizer (DFE), 2. Volterra Decision Feedback (VDFE), 3. Maximum Likelihood Sequence Equalizers (MLSE), Advanced modulation techniques were investigated in order to increase the information content of channels. However, the increased hardware requirements raise a barrier in the deployment of such device in low cost, high speed optical links. To alleviate the complexity issues, reduced complexity counterparts were introduced, resorting to pruning techniques for suppressing that part of the Volterra kernel that has a marginal contribution in the overall performance. The resulted pruned equalizers, compared to the full terms design, are more tractable from an implementation point of view, leading to significant computational complexity savings, without sacrificing much of the performance compared to the fully deployed counterpart. The electronic systems improve the quality of individual channels and the adaptive optics systems improve the quality for individual channels and multichannel systems by modifying the interactions between channels. Specifically for the multichannel case, the performance of the central frequency was investigated due to its vulnerability to the nonlinear effects.Apart from the performance of the electronic equalizers on alleviating chromatic dispersion, their ability on compensating polarization mode dispersion was also investigated. Because of the stochastic nature of the phenomenon, PMD is not possible to be known in advance and the contribution of electronic equalization becomes significant since its static mitigation is not a reliable solution.

Η ανοχή στη διασπορά ενός οπτικού σήματος μειώνεται δραματικά καθώς αυξάνεται ο ρυθμός μετάδοσης και έτσι τα συστήματα υψηλών ρυθμών επηρεάζονται σημαντικά από ανεπαρκώς προσαρμοσμένη αντιστάθμιση διασποράς. Η λύση της τοποθέτησης ινών αντιστάθμισης διασποράς ανά τακτά διαστήματα κατά μήκος μιας ζεύξης κρίνεται στατική και μη ευέλικτη, καθώς προϋποθέτει ότι η τιμή της διασποράς πρέπει να είναι γνωστή εκ των προτέρων. Αντίθετα, η χρήση ηλεκτρονικών εξισωτών παρέχει στο οπτικό σύστημα μια περισσότερο προσαρμοστική λύση στην αντιστάθμιση της διασποράς. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν μέθοδοι βελτίωσης της ποιότητας του σήματος τόσο όταν η αντιστάθμιση της διασποράς γίνεται αποκλειστικά μέσω ηλεκτρονικών μεθόδων στο δέκτη, όσο και με συνδυασμό ηλεκτρονικών εξισωτών και μεθόδων οπτικής αντιστάθμισης. Βασικός στόχος ήταν η αναζήτηση του βέλτιστου συνδυασμού ανάμεσά τους, ώστε να διατηρηθεί όσο το δυνατόν χαμηλότερο το κόστος υλοποίησης. Ένας από τους βασικούς σκοπούς της διδακτορικής διατριβής ήταν η επίδειξη της δυνατότητας αναβάθμισης ενός ήδη υπάρχοντος συστήματος που λειτουργεί στα 10 Gb/s, σε μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, χωρίς την ανάγκη αλλαγής της εγκατεστημένης υποδομής, τροποποιώντας μόνο τα τερματικά που βρίσκονται στα άκρα του δικτύου (πομπός-δέκτης). Ταυτόχρονα, κρίνεται σημαντική και η επίδειξη της δυνατότητας αύξησης του συνολικού μήκους μετάδοσης χωρίς την ανάγκη αναγέννησης του σήματος. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν διαφορετικά μεγέθη εξισωτών κλασματικής απόστασης με επίβλεψη: (α) συμβόλων γραμμικής παραμετροποίησης και (β) ακολουθίας μέγιστης πιθανοφάνειας. Πιο συγκεκριμένα, οι βασικές κατηγορίες εξισωτών που ερευνήθηκαν είναι: 1. Decision Feedback Equalizer (DFE), 2. Volterra Decision Feedback (VDFE), 3. Maximum Likelihood Sequence Equalizers (MLSE), Η παραπάνω μελέτη επεκτάθηκε και για περισσότερο προηγμένα σχήματα διαμόρφωσης (DPSK,DQPSK) καταλήγοντας σε παρόμοια συμπεράσματα τόσο για συστήματα 10 Gb/s, όσο και για 40 Gb/s. Ωστόσο, καθώς αυξήθηκε η πολυπλοκότητα του ζευγαριού πομπού/δέκτη (λόγω σύνθετων τρόπων διαμόρφωσης) παρατηρήθηκε ότι το κόστος υλοποίησης των εξισωτών αύξανε δραματικά. Έτσι, χρησιμοποιώντας τεχνικές μείωσης πολυπλοκότητας εισήχθησαν στην έρευνα μας εξισωτές που παρά τη αρκετά μειωμένη πολυπλοκότητα, εξακολουθούν να φέρουν εξαιρετικές επιδόσεις που δε διαφέρουν σημαντικά από τις πλήρεις εκδοχές τους. Όλοι οι παραπάνω στόχοι, ερευνήθηκαν τόσο στις περιπτώσεις των εμπορικά διαθέσιμων τρόπων διαμόρφωσης, όσο και σε περισσότερο προηγμένα σχήματα διαμόρφωσης, είτε πρόκειται για μονοκάναλα, είτε για πολυκάναλα συστήματα. Ιδιαίτερα για την περίπτωση των πολυκάναλων συστημάτων μελετήθηκαν συστηματικά οι επιδόσεις του κεντρικού καναλιού, το οποίο φέρει και τη χειρότερη απόδοση ως προς τα μη γραμμικά φαινόμενα, δίνοντας μας έτσι μια εικόνα για το επίδοση του worst case σεναρίου. Αξίζει να σημειωθεί ότι παράλληλα με την επίδοση των ηλεκτρονικών εξισωτών όσον αφορά τη δυνατότητα αντιστάθμισης της χρωματικής διασποράς, ερευνήθηκε και η δυνατότητα τους να αντισταθμίσουν την διασπορά τρόπου πόλωσης (PMD), στην οποία επίσης εμφάνισαν εξαιρετικά καλή απόδοση. Ειδικότερα δε, καθώς η PMD αποτελεί ένα στοχαστικό μέγεθος που δεν μπορεί να είναι γνωστό εκ των προτέρων, η συνεισφορά των ηλεκτρονικών εξισωτών κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική μιας και η στατική της διαχείριση δεν μπορεί να αποτελέσει λύση.