Direct detection (DD) is the simplest of light detection schemes and can be implemented by using a photo-diode. Thus, it has long been used as the optical receiver of choice for cost-sensitive applications. However, the direct detection of light retrieves only the intensity information, losing the phase information of light. Recently, the Kramers-Kronig (KK) receiver has attracted a great deal of attention due to its capability of extracting the phase information from the directly detected signal. As long as the electric field of optical single-sideband (SSB) signal satisfies the minimum phase condition, the intensity and phase of the signal are linked by the KK relation. Thus, this DD receiver is capable of detecting the complex-valued electric field of the signal, just like the coherent receiver. This implies that it is possible to compensate for the linear transmission impairments by using various digital signal processing at the receiver. It also means the signal-signal beat interference inherent in the direct detection of optical SSB signal can be removed completely at the DD receiver.
The conventional way to generate the optical SSB signal is to utilize the IQ modulator. The modulator is driven by the signal and its Hilbert transform. However, this modulator is bulky and thus occupies a large footprint in the transmitter. A large insertion loss of this modulator also makes it necessary to employ an optical amplifier at their output. Moreover, the optical SSB transmitter based on IQ modulator requires two high-speed digital-to-analog converters (DACs).
In this thesis, I employ an electro-absorption modulated laser (EML) to generate an optical SSB signal for KK DD. This cost-effective and compact device requires only one DAC at the transmitter and generates a high-power signal at its output. However, the intensity modulation of EML creates an optical double sideband signal. I remove one of the sidebands by using an optical bandpass filter (OBPF) at the receiver. Due to the roll-off characteristic of the OBPF, it is necessary to insert a guard band between the carrier and the signal. This implies that there is a trade-off between the receiver sensitivity and spectral efficiency. When the guard band is narrow, one of the sidebands is not sufficiently suppressed by the OBPF and thus the resulting signal should resemble a vestigial sideband signal. Since the vestigial sideband serves to violate the one of the conditions required for the phase retrieval of KK receiver, the receiver sensitivity would be deteriorated. On the other hand, a large guard band would facilitate the generation of SSB signal at the expense of spectral efficiency.
For the demonstration of the proposed scheme, I experimentally demonstrate the transmission of 40-Gb/s orthogonal frequency-division-multiplexed (OFDM) signal generated by using a $1.55-\mum$ EML and its detection using the KK receiver. Through the optimization of the carrier-to-signal power ratio and the guard band between the optical carrier and signal, I achieve a receiver sensitivity of -16.7 dBm after transmission over 80 km long standard single-mode fiber. I believe that the proposed scheme could be utilized to implement cost-effective optical transmitter for KK systems.
직접 검출 광수신 방식(direct detection: DD)은 가장 단순하며 하나의 포토 다이오드를 사용하여 구현할 수 있다. 그러므로 이 방식은 비용에 민감한 어플리케이션에 적합한 광 수신기로 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나 빛의 직접 검출은 세기 정보만을 복구하고, 위상정보는 손실된다. 최근 Kramer-Kronig (KK) 수신기는 직접 검출 된 신호로부터 위상 정보를 추출 할 수있는 능력 때문에 많은 주목을 받고 있다. 광학 단측 파대 (SSB) 신호의 전계가 최소 위상 조건을 만족하는 한, 신호의 강도와 위상은 KK 관계로 연결된다. 따라서,이 DD 수신기는 코 히어 런트 수신기와 마찬가지로 신호의 복소수 전계를 검출 할 수있다. 이는 수신기에서 다양한 디지털 신호 처리를 사용하여 선형 전송 손상을 보상 할 수 있음을 의미한다. 이는 또한 광 SSB 신호의 직접 검출에 고유 한 신호 신호 비트 간섭이 DD 수신기에서 완전히 제거 될 수 있음을 의미한다.
광 SSB 신호를 생성하는 일반적인 방법은 IQ 변조기를 이용하는 것이다. 변조기는 신호와 힐버트 변환에 의해 구동된다. 그러나,이 변조기는 부피가 커서 송신기에서 큰 풋 프린트를 차지한다. 이 변조기의 큰 삽입 손실은 송신단의 출력에서 광 증폭기를 필요하게 만든다. 또한, IQ 변조기 기반의 광 SSB 송신기에는 2 개의 고속 디지털 - 아날로그 변환기 (DAC)가 필요하다.
이 논문에서는 Kramers-Kronig Direct Detection에 대한 광학 SSB 신호를 생성하기 위해 전자 흡수 변조 레이저 (EML)를 사용한다. 비용 효율적이고 컴팩트 한이 장치는 송신기에서 하나의 DAC 만 필요로하고 출력에서 고전력 신호를 생성한다.그러나, EML의 세기 변조는 광학 양측 대역 신호를 생성한다. 수신기에서 광학 밴드 패스 필터 (OBPF)를 사용하여 측 파대 중 하나를 제거한다. OBPF의 롤오프 특성으로 인해 캐리어와 신호 사이에 보호 대역을 삽입해야한다. 이는 수신기 감도와 스펙트럼 효율간에 트레이드 오프가 있음을 의미한다. 보호 대역이 좁은 경우, 측 대역 중 하나는 OBPF에 의해 충분히 억제되지 않으므로 결과 신호는 잔류 측 대역 신호와 유사하다. 잔류 측 파대는 KK 수신기의 위상 복원에 필요한 조건 중 하나를 위반하는 역할을하기 때문에 수신기 감도가 저하 될 수있다. 한편, 큰 가드 밴드는 스펙트럼 효율을 희생하면서 SSB 신호의 생성을 용이하게한다.
제안된 기법을 시연을 위해 1550nm EML을 사용하여 생성된 40-Gb/s OFDM(orthogonal frequency-division multiplexed) 신호의 전송과 KK 수신기를 이용한 검출을 실험적으로 증명한다. 광 캐리어와 신호 사이의 캐리어 대 신호 전력 비율 및 가드 밴드의 최적화를 통해, 나는 80km 길이의 표준 단일 모드 광섬유를 통한 전송 후에 -16.7dBm의 수신기 감도를 달성했다. 나는 제안 된 계획이 KK 시스템을위한 비용 효율적인 광 송신기를 구현하는 데 사용될 수 있다고 믿는다.
