TY  - THES
T1  - Analyse und Anwendung der digitalen Rückpropagation in hochbitratigen optischen Übertragungssystemen
A1  - Asif,Muhammad Rameez
Y1  - 2012/10/11
N2  - In neuesten numerischen und experimentellen Untersuchungen haben sich die Modulationsformate kohärentes optisches QPSK mit Polarisationsmultiplex (DP-CO-QPSK) und QAM als äußerst vielversprechend für die Realisierung von 100 Gbit/s Ethernet der nächsten Generation (100 GbE) und noch höheren Datenraten von z.B. 224 Gbit/s und 400 Gbit/s erwiesen. Kohärente Detektion in Verbindung mit digitaler Signalverarbeitung (DSP) stellt eine effiziente Methode zur Kompensation diverser linearer Effekte, wie z.B. chromatische Dispersion (CD) und Polarisationsmodendispersion (PMD) bei der Übertragung über Glasfasern dar und weist weiterhin geringe Anforderungen an das optische Signal-zu-Rausch-Verhältnis (OSNR) auf. Trotz Faserdispersion und Nichtlinearitäten, welche die bedeutendsten limitierenden Faktoren darstellen, werden in optischen Übertragungssystemen höherwertige Modulationsformate eingesetzt, um die spektrale Effizienz zu erhöhen und somit die stetig wachsende Nachfrage nach größeren Übertragungskapazitäten zu erfüllen. Daraus resultierend ist die Thematik der Kompensation linearer Effekte wie z.B. chromatischer Dispersion und von Nichtlinearitäten wie z.B. Selbstphasenmodulation (SPM), Kreuzphasenmodulation (XPM) und Vierwellenmischung (FWM) derzeit von hohem Interesse. 

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ?Digital Backward Propagation? (DBP) Algorithmus zur gleichzeitigen Kompensation linearer und nichtlinearer Verzerrungen bei der Übertragung über Glasfasern in Systemen mit höheren Datenraten und fortgeschrittenen Modulationsformaten eingehend untersucht. DBP basiert auf der numerischen Umsetzung der inversen nichtlinearen Schrödinger Gleichung (NLSE) unter Verwendung von ?Split-Step Fourier Methoden? (SSFM). Die Einflüsse: (a) der Datenrate, z.B. 10 Gbit/s, 40 Gbit/s und 100 Gbit/s; (b) der Länge der faseroptischen Übertragungsstrecke und (c) von Einkanal- im Vergleich zu Mehrkanal-Übertragung auf die Leistungsfähigkeit des DBP Algorithmus werden ausgewertet. Für diese Untersuchungen kommen gängige SSFM Methoden zum Einsatz, wie z.B. die Asymmetrische Split-Step Fourier Methode (A-SSFM) und die Symmetrische Split-Step Fourier Methode (S-SSFM). Basierend auf der Analyse dieser Resultate wurde eine neue Methode vorgeschlagen, die als Modifizierte DBP (M-DBP) bezeichnet wird und SSFM verwendet, welche durch eine Optimierung des Berechnungspunktes des nichtlinearen Operators (r) umgesetzt wird. Normalerweise beträgt r = 0 für A-SSFM und r = 0.5 für S-SSFM, wohingegen für M_DBP 0 ? r ? 0.5 beträgt.

Der Einfluss der Auswahlmethode zur Bestimmung der Schrittweite auf die Leistungsfähigkeit des DBP wurde ebenfalls untersucht. Bisherige Algorithmen und mathematische Modelle des DBP werden mit SSFM Methoden mit konstanter Schrittweite umgesetzt. Die numerischen Ergebnisse machen ersichtlich, dass die nichtlineare Toleranz durch Verwendung des DBP Algorithmus basierend auf einer logarithmischen Schrittweite (L-DBP) verbessert wird. Ich habe diesen Algorithmus in 56 Gbit/s, 112 Gbit/s, 224 Gbit/s DP-QPSK Systemen mit WDM Übertragung von 20, 10 und 5 Kanälen untersucht. Weiterhin wurde das Konzept der gefilterten nichtlinearen Schritte beim L-DBP angewendet und mittels des auf einer logarithmischen Schrittweite basierende DBP Algorithmus mit interner Filterung (FL-DBP) konnte der Rechenaufwand um bis zu 75% reduziert werden, d.h. Multi-Span DBP, was bedeutet, dass ein Berechnungsschritt über mehrere Faserspans durchgeführt wird.

Ein weiterer Ansatz der angewendet wurde um die Systemeigenschaften des DBP zu verbessern ist die Berücksichtigung der Optimierung der Pulsformen. Verschiedene Pulsformen wurden untersucht, darunter: Non-return to zero (NRZ), Return to zero (RZ) und Root Raised Cosine (RRC) Pulse in einem 112 Gbit/s DP-QPSK Übertragungssystem. Die Ergebnisse zeigen anschaulich, dass die RRC Pulsformung toleranter bezüglich Intra-Kanal Nichtlinearitäten ist, d.h. SPM, und folglich die Nichtlineare Schwelle des Übertragungssystems erhöht. Die Toleranzen des DBP Algorithmus gegenüber Schwankungen, die die Informationen über den Aufbau der Übertragungsstrecke betreffen, wurde ebenfalls eingehend geprüft. Zum Abschluss der Dissertation fokussiere ich mich auf ein 224 Gbit/s DP-16QAM Übertragungssystem, um die Leistungsfähigkeit der M-DBP und L-DBP Algorithmen für verschiedene Fasertypen in homogenen wie auch inhomogenen Faserstrecken zu vergleichen. Diese Untersuchung wird weiterhin ausgeweitet auf den Vergleich von DP-16QAM mit einem Modulationsformat mit gleicher spektraler Effizienz, d.h. Duobinär mit Quadraturphase und Polarisationsmultiplex (DP-QDB), wobei die Komplexität des DBP Algorithmus für beide Formate analysiert wird. Die Hauptmotivation für die Serie von numerischen Untersuchungen hinsichtlich der Übertragung mittels Polarisationsmultiplex liegt in der Untersuchung der Leistungsfähigkeit des DBP Algorithmus bei erhöhter Übertragungskapazität im Vergleich zur Übertragung mittels einer einzelnen Polarisation. Ungeachtet der Tatsache, dass die Leistungsfähigkeit von Übertragungssystemen mit Polarisationsmultiplex von der Polarisationsmodendispersion (PMD) abhängt, wird diese im Rahmen dieser Arbeit als vernachlässigbar angesehen. Auch dass PMD einen stochastischen Prozess darstellt und der DBP Algorithmus lediglich deterministische Beeinflussungen kompensieren kann.

Die wichtigste Zielsetzung dieser Arbeit liegt in der Bereitstellung eines Leitfadens zum Verständnis des DBP Algorithmus im Falle unterschiedlicher Methoden der Implementierung, unterschiedlicher Übertragungssysteme und Auslegung der Übertragungsstrecke. Die vorliegenden numerischen Untersuchungen werden weiterhin beim zukünftigen Einsatz der DBP Algorithmen in Modulen mit Echtzeit-Signalverarbeitung zur digitalen nichtlinearen Entzerrung hilfreich sein.

KW  - Glasfaser
KW  - Lichtleitfaser
CY  - Erlangen
PB  - Universitätsbibliothek der Universität Erlangen-Nürnberg
AD  - Universitätsstraße. 4, 91054 Erlangen
L2  - http://www.opus.ub.uni-erlangen.de/opus/volltexte/2012/3563
ER  -