To accommodate the ever-increasing data traffic, there have been numerous efforts to increase the capacity of fiber-optic communication systems. In particular, for the short-reach fiber-optic communication systems, there have been many efforts to increase the operating speed of the intensity-modulation/direct detection (IM/DD) systems much faster than 10 Gb/s during the last decade. For this purpose, the electrical equalization technique has been widely used to compensate for the limited bandwidth mainly caused by directly modulated laser (DML) as well as the signal distortions caused by the chromatic dispersion of optical fiber. However, the electrical equalization technique has several fundamental problems for the use in the extremely high-speed IM/DD system. Firstly, since the electrical equalizer itself is consisted of electrical components, it has a scalability problem. For example, as the operating speed increases, it is necessary to utilize faster electrical components, which inevitably increase the costs and power consumptions. Secondly, since the electrical equalizers compensate for the signal distortion in the electrical layer, it cannot compensate for the signal phase in IM/DD systems. Thus, in IM/DD systems, the electrical equalization technique is inefficient for the compensation of the phase distortions caused by chromatic dispersion.
In this thesis, a simple optical equalization technique is proposed to solve the fundamental limitations of the electrical equalization technique commonly used in IM/DD systems. This technique utilizes a programmable optical filter capable of adjusting the amplitude and phase of its passband independently (i.e., commercially available $WaveShaper^{TM}$). For the compensation of the limited bandwidths of various electrical/ optical components, this adaptive equalization technique utilizes a gradient descent algorithm to minimize the mean-squared error (MSE) between the received and training signals. In addition to this optimization of the intensity profile, the phase profile is set to have a parabolic shape for the pre-compensation of the fiber’s chromatic dispersion.
The performance of the proposed optical equalization technique is evaluated in 28-Gb/s IM/DD system implemented by modulating a 10G Class directly modulated laser (DML) with on-off keying (OOK) signal. Its bit-error rate(BER) is compared with the same systems utilizing no equalization or the conventional electrical equalization technique with 4-tap decision-feedback equalizer (DFE) and 9-tap feed-forward equalizer (FFE). The results show that the proposed optical equalization technique is superior to the conventional electrical equalization technique. For example, the 28-Gb/s OOK signal generated by using a 10G DML can be transmitted over 40 km of standard single-mode fiber by using the proposed optical equalization technique, while the maximum transmission distance is measured to be only 10 km when the conventional electrical equalization technique is used.
지속적으로 증가하는 데이터 트래픽을 수용하기 위해 광섬유 통신 시스템의 용량을 늘리기위한 많은 노력이 있었다. 특히 단거리 광통신 시스템의 경우 지난 10 년 동안 10Gb / s보다 훨씬 빠른 강도 변조 / 직접 탐지 (IM / DD) 시스템의 작동 속도를 높이기 위한 시도가 많았다. 이를 위해서 사용된 전기적 등화 기법은 광섬유의 색 분산으로 인한 신호 왜곡뿐만 아니라 직접 변조 레이저 (DML)에 의해 주로 발생하는 제한된 대역폭을 보완하기 위해 널리 사용되고 있다. 그러나, 전기 등화 기술은 초고속 IM / DD 시스템에서 사용하기 위해 몇 가지 근본적인 문제를 가지고 있다. 첫째, 전기적 등화 기 자체가 전기 부품으로 구성되기 때문에 확장 성 문제가있다. 예를 들어, 작동 속도가 증가함에 따라 더 빠른 전기 부품을 사용해야하므로 필연적으로 비용과 전력 소비가 증가한다. 둘째, 전기 이퀄라이저가 전기 층의 신호 왜곡을 보상하므로 IM / DD 시스템에서 신호 위상을 보상 할 수 없다. 따라서, IM / DD 시스템에서, 전기 등화 기술은 색 분산으로 인한 위상 왜곡의 보상에 비효율적이다.
본 논문에서는 IM / DD 시스템에서 일반적으로 사용되는 전기적 등화 기법의 근본적인 한계를 해결하기 위해 간단한 광학 등화 기술을 제안한다. 이 기술은 통과 대역의 진폭 및 위상을 독립적으로 조정할 수있는 프로그램 가능한 광학 필터 (즉, 상업적으로 이용 가능한 WaveShaperTM)를 이용한다. 다양한 전기 / 광학 구성 요소의 제한된 대역폭을 보상하기 위해이 적응 등화 기술은 수신 및 훈련 신호 간의 평균 제곱 오류 (MSE)를 최소화하기위한 그래디언트 디센트 알고리즘을 사용한다. 강도 프로파일의 이러한 최적화 외에도, 위상 프로파일은 섬유의 색 분산의 사전 보정을위한 포물선 모양을 갖도록 설정된다.
제안 된 광학 등화 기술의 성능은 10G 클래스 직접 변조 레이저 (DML)를 온 - 오프 키잉 (OOK) 신호로 변조함으로써 구현 된 28-Gb / s IM / DD 시스템에서 평가된다. 비트 오류율 (BER)은 이퀄라이제이션을 사용하지 않는 동일한 시스템 또는 4 탭 결정 피드백 이퀄라이저 (DFE) 및 9 탭 피드 포워드 이퀄라이저 (FFE)를 사용하는 기존의 전기 이퀄라이제이션 기법과 비교하였다. 결과는 제안 된 광학 등화 기술이 종래의 전기적 등화 기술보다 우수하다는 것을 보여주었다. 10G DML을 사용하여 생성 된 28-Gb / s OOK 신호는 제안 된 광학 이퀄라이제이션 기법을 사용하여 표준 단일 모드 광섬유를 통해 40km 전송할 수 있지만 종래의 전기적 등화 기술로 가능한 최대 전송 거리는 10km 에 불과하기 때문이다.
