Due to data traffic explosion in datacenter applications, there has recently been a great deal of interest in high-capacity short-reach (e.g., <2 km) optical transmission systems. These systems typically utilize the direct-detection (DD) scheme since it can be implemented cost-effectively even though the DD systems are inferior to the coherent systems in terms of capacity and receiver sensitivity. The transmission capacity of DD systems can be doubled by using the polarization-division-multiplexing (PDM) technique, which exploits two orthogonally polarized light channels. Due to the random polarization rotation during transmission over fiber, however, it is necessary to undo this polarization rotation at the receiver side to demultiplex the signals. Recently, the Stokes vector (SV) DD receiver has drawn much attention since it is capable of demultiplexing the PDM signals with the aid of digital signal processing (DSP) without cumbersome dynamic polarization control in DD systems.
The SV-DD receiver can be implemented by using a $1\times4$ optical coupler, three polarizers, a quarter-wave plate and 4 photo-detectors. This 4-branch SV-DD receiver detects the Stokes vector component in a direct-detection fashion at each branch. It has a lower insertion loss than the SV-DD receiver implemented by using a $90^\circ$ optical hybrid. One practical issue related to the implementation of the 4-branch SV-DD receiver is the calibration of polarizers located at the branches. In this thesis, I present the calibration process of adjusting the polarization angles of polarizers. The calibration process of measuring the timing difference between the branches is also presented. However, real implementation of 4-branch SV-DD receiver always accompanies some misalignment of polarization angles. Thus, I analyze the impact of polarization misalignment on the performance of SV-DD receiver. I evaluate the signal-to-noise ratio (SNR) penalty induced by the polarization misalignment of polarizers through numerical simulation. The results show that the 4-branch SV-DD receiver is very robust against the polarization misalignment. For example, an SNR penalty of 0.6 dB is estimated when the quarter-wave plate has a retardance as large as $\pm0.3$ radian.
Next, I propose a new 16-ary modulation format for SV-DD receiver. Due to the insertion loss of optical front-end in SV-DD receiver, it requires a relatively high optical power into the receiver. To improve the receiver sensitivity of SV-DD receiver, it is necessary to employ the modulation format tolerant to the noise of the receiver. For this purpose, the 16-ary modulation format which provides us with the largest Euclidean distance for a given average signal power was introduced. This optimum format was found by solving the sphere packing problem in the Stokes space. However, this 16-ary optimum constellation requires numerous number of levels to drive a dual-polarization IQ modulator (IQM). This implies that high-resolution digital-to-analog converters (DACs) are required for the generation of the signal. To avoid this problem, a suboptimum constellation has been proposed very recently. Nevertheless, this 16-ary suboptimum constellation still needs unequally-spaced 9-level electrical signals to drive IQMs, yet requiring high-resolution DACs. Moreover, since the reflected binary Gray coding is not applicable to this format, it suffers from multiple errors when a symbol error occurs. In this thesis, I propose a 16-ary coaxial dual cubic lattice (CDCL) constellation. I compare the transmitter complexity and the receiver sensitivity among five 16-ary modulation formats: dual-polarization 4-ary pulse amplitude modulation, 16-quadrature amplitude modulation polarization-multiplexed with continuous wave, 16-ary suboptimum constellation, 16-ary optimum constellation, and the proposed CDCL. I show that the proposed CDCL format exhibits a better receiver sensitivity than the other modulation formats (except for the 16-ary optimum constellation), but has considerably reduced implementation complexity. For example, the CDCL format incurs only <0.7 dB sensitivity penalty with respect to the 16-ary optimum constellation, but the transmitter can be implemented by using a fewer number of lower-resolution DACs. We believe that the proposed CDCL format can be used to lower the cost and complexity of SV-DD systems.
데이터 센터 애플리케이션에서의 데이터 트래픽 급증으로 인해, 대용량 단거리 (예를 들어, <2km) 광 전송 시스템에 대한 관심이 최근에 높아지고 있다. 이러한 시스템은 일반적으로 직접 검출 (Direct Detection) 시스템이 용량 및 수신자 감도면에서 코히런트 시스템보다 성능이 떨어지지만 비용면에서 경제적이므로 직접 검출 방식을 사용한다. 직접 검출 시스템의 전송 용량은 두 개의 직교 편광 광 채널을 이용하는 편광 분할 다중화 (PDM) 기술을 사용하여 두 배가 될 수 있다. 그러나, 광섬유를 통한 전송 동안의 무작위 편광 회전으로 인해, 수신기 측에서 이러한 편광 회전을 취소하여 신호를 역 다중화 할 필요가 있다. 최근에, 직접 검출 시스템에서 동적 편광 제어없이 디지털 신호 처리 (DSP)의 도움으로 PDM 신호를 역 다중화 할 수 있기 때문에 스토크스 벡터 (SV) 직접 검출 수신기가 많은 관심을 끌고 있다.
SV-DD 수신기는 $1\times4$ 광 커플러, 3 개의 편광자, 4 분의 1 파장 판 및 4 개의 광 검출기를 사용하여 구현할 수 있다. 이 4-branch SV-DD 수신기는 각 브랜치에서 Stokes 벡터 구성 요소를 직접 검출 방식으로 탐지하며 $90\^circ$ 광학 하이브리드를 사용하여 구현 된 SV-DD 수신기보다 삽입 손실이 적다. 4-branch SV-DD 수신기의 구현과 관련된 한 가지 실용적인 문제는 브랜치에 위치한 편광기의 교정이다. 본 논문에서는 편광판의 편광 각도를 조정하는 보정 과정을 제시한다. 브랜치 간의 타이밍 차이를 측정하는 보정 프로세스도 제공된다. 그러나 4-branch SV-DD 수신기의 실제 구현에는 항상 편파 각의 오정렬이 수반된다. 따라서, 나는 SV-DD 수신기의 성능에 편광 불일치의 영향을 분석하였다. 수치 시뮬레이션을 통해 편광판의 편광 불일치로 인한 신호 대 잡음비 (SNR) 패널티를 평가하였고 4 분기 SV-DD 수신기가 편파 부정합에 대해 매우 견고하다는 것을 보였다. 예를 들어, SNR 페널티는 1/4 파장 판의 지연이 $\pm0.3$ 라디안만큼 클 때 0.6 dB로 추정되었다.
다음으로, SV-DD 수신기를 위한 새로운 16-진 변조 형식을 제안한다. SV-DD 수신기에서 광 프론트 엔드의 삽입 손실로 인해 수신기에 상대적으로 높은 광 파워가 필요하다. SV-DD 수신기의 수신기 감도를 향상시키기 위해서는 수신기의 잡음에 견딜 수 있는 변조 형식을 사용해야 한다. 이를 위해 주어진 평균 신호 전력에 대해 가장 큰 유클리드 거리를 제공하는 16-진 변조 형식이 도입되었다. 이 최적의 형식은 스토크스 공간에서 구 쌓기 문제(sphere packing problem)를 해결함으로써 발견되었다. 그러나 이 16 개 최적 배치는 이중 편파 IQ 변조기 (IQM)를 구동하기 위해 수많은 수의 레벨을 필요로 한다. 이것은 신호 생성에 고해상도 디지털 - 아날로그 컨버터 (DAC)가 필요하다는 것을 의미한다. 이 문제를 피하기 위해서, 서브 옵티멈 변조 방식(suboptimum constellation)이 최근에 제안되었다. 그럼에도 불구하고 이 16-suboptimum 변조 방식은 IQ 변조기를 구동하기 위해 여전히 불평형 간격의 9 레벨의 전기 신호를 필요로 하지만 고해상도 DAC 역시 요구 된다. 더욱이, 반사 그레이 코딩 (Binary gray coding)은 이 포맷에 적용 가능하지 않기 때문에, 심볼 에러가 발생할 때 다수의 에러가 발생한다. 이 논문에서는 16-진 동축 정방 격자 (coaxial dual cubic lattice: CDCL) 변조 방식을 제안한다. 듀얼 편광 4 진 펄스 진폭 변조, 연속파를 사용하여 편광 다중화 된 16 위상 직교 진폭 변조 방식, 16-suboptimum 변조 방식, 16-진 최적 변조 방식 등 16 가지 변조 형식 중 송신기 복잡도와 수신기 감도를 비교한다. 제안 된 CDCL 형식이 다른 변조 형식 (16 진 최적 배치 제외)보다 우수한 수신기 감도를 나타내지만 구현 복잡성은 상당히 감소한 것으로 나타났다. 예를 들어, CDCL 형식은 16-진 최적 변조 방식에 비해 0.7dB 미만의 민감도 패널티를 초래하지만 더 적은 수의 저해상도 DAC를 사용하여 전송단을 구현할 수 있다. 우리는 제안 된 CDCL 형식을 사용하여 SV-DD 시스템의 비용과 복잡성을 낮출 수 있다고 생각한다.
