Compensation of MZ-IQ-modulator nonlinearity based on FPGA algorithms

Abstract

Nos últimos anos, a crescente necessidade de largura de banda e a evolução das técnicas de processamento digital de sinal renovaram o interesse pelos sistemas de comunicação ópticos coerentes. O modulador IQ assume-se como um componente chave nestes transmissores, sendo responsável pela conversão de informação do domínio eléctrico para o domínio óptico. Os moduladores Mach-Zehnder que constituem este dispositivo recebem sinais de drive com uma excursão controlada, garantindo a utilização de uma região aproximadamente linear das suas funções transferência e a geração de constelações sem distorções de fase. No entanto, existem vantagens em explorar a extensão completa da característica dos moduladores. Neste contexto, torna-se relevante efectuar um estudo acerca das técnicas de pré-distorção electrónica que permitem corrigir os efeitos das não-linearidades associadas a este método de transmissão. Esta dissertação foca-se no estudo da compensação dos impactos que a característica não-linear do modulador Mach-Zehnder tem nos sistemas de transmissão ópticos coerentes. Após a identificação e desenvolvimento de soluções matemáticas para o problema, realizaram-se vários testes utilizando um simulador integrado em ambiente MATLAB. Um sistema de transmissão coerente utilizando formatos de modulação QAM e os respectivos algoritmos de compensação foram posteriormente implementados em FPGA. Desenvolveram-se também co-simulações que permitiram garantir que o hardware concebido produzia os resultados desejados. Para além disso, realizaram-se vários testes utilizando um modulador IQ disponível no “Laboratório de Óptica” do Instituto de Telecomunicações de Aveiro. O objectivo consistiu em operar o sistema em condições laboratoriais e analisar o desempenho dos algoritmos de compensação em ambiente real.

In recent years, the ever-increasing bandwidth demand and the evolution of digital signal processing techniques renewed the interest for the optical coherent systems. The IQ-Modulator is a key component in optical coherent transmitters, being responsible for the conversion of information from electrical to optical domain. The Mach-Zehnder modulators that compose this device receive driving signals with a controlled excursion, in order to use an approximately linear region of their transfer function and produce constellations without phase distortions. However, there are advantages in exploit the full range of the modulators’ characteristic. In this context, a study about the electronic predistortion techniques required to overcome the nonlinear effects associated to this transmission method becomes relevant. The subject of this dissertation is the compensation of impairments related to the nonlinear characteristic of the Mach-Zehnder Modulator in coherent optical transmission systems. After the identification and development of mathematical solutions for the problem, several tests were made using a simulator that runs in a MATLAB environment. A QAM coherent transmitter system and the compensation algorithm were then implemented in a FPGA platform. Co-simulations were performed in order to prove that the designed hardware was generating correct results. Furthermore, some tests were conducted using an IQ-Modulator available in the “Optics Laboratory” at Telecommunications Institute of Aveiro. The goal was to operate the system under laboratorial conditions and analyze the performance of the compensation algorithm in a real case scenario.