Forward Error Correcting Codes for 100 Gbit/s Optical Communication Systems

摘要

Denne PhD afhandling omhandler design og anvendelse af fejlkorrigerende koder (Forward Error Correction – FEC) i optisk højhastighedskommunikation med transmissionshastigheder på 100 Gb/s og derover. Med den konstant voksende internettrafik er FEC blevet betragtet som en vigtig og cost-effektiv metode til forbedring af transmissionskvaliteten (quality of transmission – QoT) med henblik på at imødekomme de voksende krav til ”quality of service” (QoS). De videnskabelige resultater der præsenteres i denne afhandling tackler tre grundlægende problemer. For det første er det nødvendigt at studere fejlkorrigerende koder for at opnå det høje ”coding gain (CG)” der er brug for med en 100 Gb/s optisk forbindelse. For det andet spiller hardwareløsninger med lav kompleksitet og lavt energiforbrug en vigtig rolle i næste genrations energi-effektive netværk. For det tredje kræves en samlet undersøgelse af kommunikationssystemer med FEC da fordelingen af transmissionsfejl afgøres af mange forskellige faktorer som fx ulineariteter i langdistance fiberoptiske forbindelser, krydstale i WDM systemer og så videre.Fejlkorrektion med produktkoder er undersøgt såvel teoretisk som eksperimentelt. Den iterativ dekodningsmetode der er anvendt til fejlkorrigerende koder i en produktkode struktur kan effektivt reducere bitfejlsandsynligheden (Bit Error Rate – BER). Forslag til dekodning ud over de teoretiske grænser (Beyond Bound Decoding – BBD) og adaptive dekodningsalgoritmer bliver præsenteret. BBD er en udvidelse der kan anvendes i visse tilfælde for yderligere at reducere BER.Transmission med FEC for kort datacenter links præsenteres. Ved hjælp af FEC og billige Vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) kan man opnå rå datahastigheder på 100 Gb/s, hvilket demonstrerer mulighederne for at konstruere et højhastigheds kortrækkende link med billige elementer.Integration af FEC i WDM link for metronetværk bliver også præsenteret. Den eksperimentelle ydeevne af FEC både i det lineære og det ulineære områder demonstreres med dual polarisation 16QAM og transmission over 741 km med WDM baseret på kohærent detektion og en rå datahastighed på 88,8 Gb/s. FEC kan kompensere i begge områder, men analyse af transmissionskanalen viser støj der ikke er additiv hvis Gaussisk. Desuden ændrer et tættere grid i WDM kurveformerne for de eksperimentelle resultater så der kræves en kraftigere fejlkorrigerende kode.Endelig præsenteres en ”proof-of-the-concept” hardware implementering. Trade-off mellem kodelængde, CG og kompleksitet kræver yderligere overvejelse af FEC system for visse anvendelser. Det adaptive kodningssystem der præsenteres er et af de få publicerede forskningsresultater der muliggør effektiv brug af båndbredde når transmissionskanalen påvirkes af mange forskellige faktorer.Som konklusion indeholder denne afhandling forslag til fejlkorrigerende koder med eksperimentelle resultater og hardwareimplementering. Det påviste høje coding gain, fleksibilitet, robusthed og mulighed for skalering understreger den vigtige rolle for FEC tekniker i næste generations højhastighed, stor kapacitet, høj ydeevne og energieffektive fiber-optiske data transmissions netværk.