Digital Photonic Receivers for Wireless and Wireline Optical Fiber Transmission Links

摘要

Denne ph.d.-afhandling omhandler design og evaluering af digitale, fotoniske modtagere i hybride, optiske fiber-trådløse transmissionssystemer. Forskningsresultaterne er banebrydende på to områder. For det første vises eksperimentel og automatisk demodulation af signaler med blandede modulationsformater og bithastigheder i en og samme digitale, fotoniske modtager; signalerne stammer fra basisbånd og optisk fase-modulerede (PM) radio-over-fiber (RoF) systemer. For det andet præsenteres de første, kendte, analytiske og numeriske undersøgelser af data-støttede, optiske kanalestimeringer baseret på konstant-amplitude nul-autokorrelation sekvenser for 112 Gb/s kohærente, optiske fiberforbindelser med polarisationsdiversitet. Først præsenteres fordelene ved at indføre digital signalbehandling i optiske, RoF systemer med amplitudedetektion. Efterfølgende påvises robustheden og fleksibiliteten af digitale, signalbehandlingsbaserede modtagere til kohærent detektion af bølgelængdemultipleksede (WDM), optiske transmissionssystemer i metro-accesnet, som understøtter heterogene, kabelbaserede og trådløse tjenester. Den eksperimentelle opstilling understøtter følgende transmissionssystemer: et 5 Gb/s basisbånd, intensitetsmoduleret system, der bruger en direkte moduleret ”vertical cavity surface emitting laser” (VCSEL ); et 20 Gb/s basisbånd ”non-return-to-zero quadrature phase-shift keying” (NRZ-QPSK) system; en optisk, fase-moduleret 2 Gb/s ”impulse radio ultrawideband” (IR-UWB) forbindelse; og en optisk fasemoduleret 5 GHz OFDM-radio-over-fiber transmissionsforbindelse. Resultaterne af eksperimenterne er relevante for fremtidige anvendelser i heterogene metro-access netværk. Afhandlingen introducerer også en ny tilgang til at realisere estimering af fælles fase, frekvens og modulationsformat. Den foreslåede, nye fremgangsmåde gør brug af en data-støttet, cluster-baseret estimeringsteknik, som er baseret på ”k-means” algoritmen i stedet for de traditionelle metoder baseret på maksimal a posteriori eller maksimal sandsynlighedsestimering. Først anvendes ”k-means” algoritmen med succes til demodulation af radio-over-fiber signaler med meget høj bithastighed i en WDM multikanal transmissionsforbindelse. De gendannede 2,5 Gb/s QPSK signaler på en bærefrekvens på 6 GHz udgjorde den højeste bithastighed, som var rapporteret indtil 2009 for den slags systemer. Derefter blev en udvidelse af den foreslåede ”k-mean” algoritme anvendt på højere ordens modulationsformater. Vellykkede, eksperimentelle demoduleringer af ”8 phaseshift- keying” (8PSK) og ”16 quadrature-amplitude-modulated” (16QAM) bekræfter den foresl˚aede demodulationsmetodes robusthed. Endelig blev en rekonfigurerbar modtager, der understøtter ”burst mode” transmission af signaler, hvor modulationsformat og bithastighed ændrer sig fra ”burst to burst”, introduceret og eksperimentelt verificeret. Ph.d.-afhandling demonstrerer den fleksibilitet, det opgraderingspotentiale og den robusthed, som omkonfigurerbare, digitale, signalbehandlingsbaserede fotoniske modtagere kan tilbyde i hybride, trådløse og kabelbaserede fiberforbindelser. Desuden kan den digitale signalbehandlingsmetode, der præsenteres, udvides til at designe sandsynlighedsbaserede, digitale fotoniske modtagere, som kan finde anvendelse i kognitive, heterogene og rekonfigurerbare optiske netværk.