Optimização de receptores com pré-amplificação óptica para sistemas de elevado débito

Abstract

O trabalho apresentado nesta tese é dedicado ao desenvolvimento, optimização e realização de receptores com pré-amplificação óptica e com processamento de sinal apropriados para sistemas de telecomunicaçóes de elevada capacidade - iguais ou superiores a 10 GbiVs - e a longa distância. É desenvolvido um estudo de filtros de pós-detecção para sistemas de recepção apropriados para sinais com o formato de retomo a zero (RZ), considerando. a minimização dos diversos factores que degradam o desempenho destes sistemas. São estudados aspectos relacionados com o seu desempenho e realizabilidade, quer em tecnologia híbrida planar microfita quer em tecnologia monolítica de Arsenieto de Gálio (MMIC). São propostas e comparadas analiticamente e experimentalmente diferentes estruturas de filtros de pós-detecção, desenvolvidos para sistemas de recepção de dados RZ a 10 Gbitls e a 15 Gbitís, tendo em conta o seu desempenho, a possibilidade de sintonia, a adaptação com os restantes subsistemas, o tamanho, o custo e a simplicidade de realização. O desempenho obtido com os filtros de pósdetecção, desenvolvidos para 10 Gbitls, são também comparados num sistema experimental de transmissão por solitão constituído por 200 Km de fibra monomodo normal. Filtros de igualação apropriados para sistemas não retomo a zero (NRZ), que utilizam o método de transmissão suportada pela dispersão (TSD), são também objecto de estudo. Foi desenvolvido um filtro em tecnologia MMIC, apropriado para sistemas TSD a 20 Gbitls, que apresenta uma frequência de corte electricamente sintonisável, a fim de ser adaptado a diferentes distâncias de transmissão ou a outro tipo condições de funcionamento. O ganho em sinal proporcionado por este filtro, a adaptação activa de impedâncias à entrada e à saída e o seu tamanho reduzido são outras vantagens relevantes. O filtro desenvolvido foi testado com sucesso em sistemas experimentais TSD a 20 Gbitls, com os comprimentos de fibra óptica monomodo normal de 40 Km e de 53 Km. As distâncias de transmissão conseguidas para um taxa de 20 Gbitls, em fibra óptica monomodo normal, sem a ajuda de repetidores ou igualadores de dispersão intercalados na fibra, encontram-se bem acima dos valores limites teóricos impostos pela dispersão cromática nos sistemas de modulação de intensidade e detecção directa. Nesta tese, é igualmente apresentado o estudo e a realização de unidades de recuperação de relógio, com a capacidade de extrair o sinal de sincronismo dos dados recebidos a 10 Gbitís e a 20 GbiVs. As unidades de recuperação desenvolvidas são baseadas numa estrutura em malha aberta, constituída por um circuito não-linear, por um filtro de muito elevado Q e por um andar de amplificação sintonizado. Das caracterizações experimentais dos protótipos desenvolvidos, verifica-se a eficiente recuperação do sinal de sincronismo, com valores de jitter bastante baixos e uma boa tolerância a alterações das condições de operação, tais como variações de temperatura, ou pequenos desvios no ritmo de transmissão.

This thesis is concerned with design, optimisation and realisation of optical preamplified receivers with signal processing strategies appropriate for high capacity - equal or greater than 10 Gbit/s - and long distance optical telecommunication systems. A range of post-detection filters appropriate for multigigabit return-to-zero (RZ) signalling, taking into account different system impairments inherent in high speed optical communication systems were investigated. It is assessed the performance and the feasibility of a range of practical realisations using hybrid and monolithic technology for 10 Gbit/s and 15 Gbit/s. Appropriate filter structures providing active impedance match and electrical adjustable transfer function to be used in adaptive receivers were study and designed. The performances of the designed post-detection filters for 10 Gbit/s are evaluated and compared in an experimental optical system based on soliton transmission with 200 Kin of standard single mode fibre (SMF). Electrical equalisers suitable for non-return to zero optical communications systems, based on dispersion supported transmission (DST) technique, were also investigated. It was designed a DST filter prototype in GaAs monolithic technology for 20 Gbit/s optical systems. The designed filter has the main advantage of being electrically adjustable, in order to provide optical system tolerance to different operating conditions and fibre lengths. It has also the advantages of providing a good input and output impedance match in a broadband frequency range and a small size. The filter was successfully tested in 20 Gbit/s DST systems with transmission distances of 40 Km and 53 Km. The achieved product bitratexdistances are well beyond the limit due to the chromatic dispersion. Clock recovery units appropriate for 10 Gbit/s and 20 Gbit/s optical receivers were also investigated, build and characterised. The designed units are based on open loop structures that includes a non-linear circuit, a very high Q filter and a narrow band amplifier. Particular emphasis has been put on the investigation of suitable structures in order to guarantee easy reproducibility, manufacturing and good performance, over a wide range of operating conditions, to make these units suitable for practical systems. The experimental characterisations of the developed prototypes show the ability to recovery the clock signal from the received data signal, with very low jitter and good tolerance to different operating temperatures and bit rate deviations.