As the data traffic keeps increasing in an exponential manner, fiber-optic transmission systems are evolving in a way that accommodates more wavelength-division-multiplexed channels as well as the increased data rate per channel. Current short- and intermediate-haul fiber-optic transmission systems are largely dominated by an intensity modulation/direct detection system operating at 10 or 25 Gb/s per lane or channel due to its simplicity and cost-effectiveness (in comparison with, for example, the coherent system). The transmitters of these systems are implemented using external modulation or direct modulation of laser diode. However, it is highly desirable to utilize directly modulated lasers (DMLs) because they can provide high output power, low power consumption, small footprint, and low implementation cost.
Major technical challenges associated with the use of DMLs for high-speed transmission include the limited modulation bandwidth of DMLs and the waveform distortions arising from the DML’s frequency chirp when it is combined with fiber chromatic dispersion. In this thesis, I explore the possibility of 28-Gb/s transmission utiliz-ing a 1.55-μm DML developed for 10G applications. In order to accommodate 28-Gb/s signals over the limited modulation bandwidth of DML, I attempt to exploit the bandwidth-efficient multi-level modulation formats including the duobinary and 4-level pulse amplitude modulation (PAM-4). I optimize the signal’s extinction ratio and employ the post-detection electrical equalization to maximize the transmission distance without using costly optical dispersion compensation modules.
I first compare through experiment two different types of duobinary encoders, a low-pass filter (LPF) and a delay-and-add circuit. I find out that the LPF-based duobinary encoder outperforms the delay-and-add circuit in terms of receiver sensitivity, implementation complexity, and loss. Then I carry out the 28-Gb/s duobinary transmission experiment by using the DML and LPF-based duobinary encoder. A PIN receiver developed for 10G application is utilized to further enhance the cost-effectiveness of the system. I optimize the extinction ratio of the 28-Gb/s signal to maximize the transmission distance limited by the waveform distortions caused by the interplay between the laser’s chirp and fiber dispersion. Also I employ the electrical equalization at the receiver for the compensation of these waveform distortions. The results show that I can transmit the signal over 50-km standard single-mode fiber (SSMF) using a 14-tap feed-forward equalizer (FFE) followed by a 5-tap decision-feedback equalizer (DFE).
I also transmit the 28-Gb/s PAM-4 signals by using the DML and PIN receiver. Similar to our previous experimental results obtained by using the duobinary signal, I can transmit the 28-Gb/s PAM-4 signal over 50-km SSMF using the FFE and DFE. Our experimental comparison between the duobinary and PAM-4 transmissions using the DML shows that the PAM-4 system marginally outperforms the duobinary system in terms of receiver sensitivity. However, the PAM-4 encoder, which is typically implemented using either a 2-bit digital-to-analog converter or a power combiner with one of its input 6-dB attenuated, would be more complicated and lossy than the duobinary encoder (i.e., LPF). Thus, the duobinary transmitter based on the DML would be better suited for the cost-effective implementation of 28-Gb/s transmission systems for the applications of optical access net-works, inter-datacenter networks, and mobile front/backhaul networks.
데이터 트래픽이 기하 급수적으로 증가하고 유지 같이, 광섬유 전송 시스템이 더 많은 파장 분할 다중화 된 채널뿐만 아니라 채널 당 증가 된 데이터 레이트를 수용하는 방식으로 발전하고있다. 현재 단기 및 중간 장거리 광섬유 전송 시스템은 주로 예를 들어, 인해에 비해 단순하고 비용 효율성 (10 또는 25 GB / s의 차선 또는 채널 당에서 작동 강도 변조 / 직접 검출 시스템에 의해 지배된다 코 히어 런트 시스템). 이러한 시스템의 송신기 또는 외부 변조 레이저 다이오드를 직접 변조를 사용하여 구현된다. 그러나, 그들은 고출력, 낮은 전력 소비, 작은 크기 및 낮은 구현 비용을 제공 할 수 있기 때문에, 직접 변조 레이저 (DML이)를 이용하는 것이 매우 바람직하다.
고속 전송 DML이의 사용과 관련된 중요한 기술적 과제 및 DML이 섬유는 색 분산과 결합 될 때 DML의 주파수 처프 인한 파형 왜곡 제한된 변조 대역폭을 포함한다. 이 논문에서 필자는 10G 애플리케이션 용으로 개발 된 28 GB / s의 전송 utiliz - 보내고 1.55 μm의의 DML의 가능성을 탐구한다. DML의 제한된 변조 대역폭 28 GB / s의 신호를 수용하기 위해, I는 듀오 바이너리 4- 레벨 펄스 진폭 변조 (PAM-4)를 포함하는 대역폭 효율적인 멀티 레벨 변조 방식을 악용. I는 신호의 소광비를 최적화 후 검출에게 값 비싼 광 분산 보상 모듈을 사용하지 않고 전송 거리를 최대화하기 위해 전기 등화를 채용한다.
처음 실험을 통해 듀오 바이너리 부호화기 두 가지 유형의 비교, 로우 패스 필터 (LPF) 및 회로의 지연 - 및 - 부가. 나는 LPF 기반 듀오 바이너리 인코더 수신기 감도, 구현 복잡성 및 손실의 측면에서 지연 및 추가 기능 회로의 성능을 능가 것을 찾을 수 있습니다. 그럼 난 DML 및 LPF 기반 듀오 바이너리 인코더를 사용하여 28 GB / s의 듀오 바이너리 전송 실험을 실시하고 있습니다. 10G 애플리케이션에 대해 개발 된 PIN 수신기는 상기 시스템의 비용 효율성을 향상시키기 위해 이용된다. I는 레이저의 처프 섬유 분산액 사이의 상호 작용에 의한 파형 왜곡으로 제한 전송 거리를 최대화하기 위해 28 개 Gb / s 신호의 소광비를 최적화한다. 또한 나는이 파형 왜곡의 보상을위한 수신기에서 전기 등화를 사용합니다. 결과는 I은 5 탭 결정 피드백 이퀄라이저 (DFE)에 이어 14 탭 피드 포워드 이퀄라이저 (FFE)를 사용하여 50 km 표준 단일 모드 섬유 (SSMF)에 대한 신호를 전송할 수 있음을 보여준다.
I는 DML 및 PIN 수신기를 사용하여 28 GB / s의 PAM-4 신호를 전송한다. 듀오 바이너리 신호를 이용하여 얻은 이전 전 perimental 결과와 유사하게, 나는 FFE와 DFE를 사용하여 50 km의 SSMF를 통해 28 GB / s의 PAM-4 신호를 전송할 수있다. 듀오 바이너리 및 DML을 사용하여 PAM-4 전송 사이에 우리의 실험 비교는 PAM-4 시스템은 소폭 수신기 감도 측면에서 듀오 바이너리 시스템을 능가하는 성능을 보여줍니다. 그러나, 통상적으로 사용하여 구현되는 PAM-4 인코더 중 2 비트 디지털 - 아날로그 컨버터 또는 6 dB 감쇠 입력, 듀오 바이너리 부호화기보다 복잡하고 손실있는 것 중 하나가 전력 결합기 (즉 , LPF). 따라서, DML에 기초하여 듀오 바이너리 송신기는 28 GB의 비용 효율적인 구현에 더 적합 할 것이다/s 광 액세스 망 작동 간 센터 네트워크, 모바일 앞 / 백홀 네트워크의 응용 프로그램 전송 시스템.
