Characterization of RSOA modulators in radio over fiber links

Abstract

In this work physical and behavioral models for a bulk Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) modulator in Radio over Fiber (RoF) links are proposed. The transmission performance of the RSOA modulator is predicted under broadband signal drive. At first, the simplified physical model for the RSOA modulator in RoF links is proposed, which is based on the rate equation and traveling-wave equations with several assumptions. The model is implemented with the Symbolically Defined Devices (SDD) in Advanced Design System (ADS) and validated with experimental results. Detailed analysis regarding optical gain, harmonic and intermodulation distortions, and transmission performance is performed. The distribution of the carrier and Amplified Spontaneous Emission (ASE) is also demonstrated. Behavioral modeling of the RSOA modulator is to enable us to investigate the nonlinear distortion of the RSOA modulator from another perspective in system level. The Amplitude-to-Amplitude Conversion (AM-AM) and Amplitude-to-Phase Conversion (AM-PM) distortions of the RSOA modulator are demonstrated based on an Artificial Neural Network (ANN) and a generalized polynomial model. Another behavioral model based on Xparameters was obtained from the physical model. Compensation of the nonlinearity of the RSOA modulator is carried out based on a memory polynomial model. The nonlinear distortion of the RSOA modulator is reduced successfully. The improvement of the 3rd order intermodulation distortion is up to 17 dB. The Error Vector Magnitude (EVM) is improved from 6.1% to 2.0%. In the last part of this work, the performance of Fibre Optic Networks for Distributed and Extendible Heterogeneous Radio Architectures and Service Provisioning (FUTON) systems, which is the four-channel virtual Multiple Input Multiple Output (MIMO), is predicted by using the developed physical model. Based on Subcarrier Multiplexing (SCM) techniques, four-channel signals with 100 MHz bandwidth per channel are generated and used to drive the RSOA modulator. The transmission performance of the RSOA modulator under the broadband multi channels is depicted with the figure of merit, EVM under di erent adrature Amplitude Modulation (QAM) level of 64 and 254 for various number of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) subcarriers of 64, 512, 1024 and 2048.

Nesta tese são propostos modelos físicos e comportamentais para o amplificador óptico semicondutor reflectivo (RSOA), tendo como objectivo a avaliação do seu desempenho quando utilizado como modulador em ligações de rádio sobre fibra (RoF). Os modelos propostos são capazes de prever o comportamento do dispositivo quando utilizado com sinais de banda larga bem como quando estimulado por sinais de elevada potência. Inicialmente propõe-se um modelo físico simplificado para o RSOA baseado nas equações de taxa e nas equações de propagação electromagnética. A implementação do modelo utiliza o ADS (Advanced Design Systems) e o bloco designado por dispositivo definido simbolicamente (SDD) para descrever as equações de taxa, assim como a propagação de fotões ao longo da cavidade. O modelo permite uma análise detalhada do ganho óptico, distorções harmônicas, intermodulação e seu desempenho de transmissão com portadoras RF modeladas. Foram também considerados modelos comportamentais. Um modelo baseado em rede neural artificial (ANN) e um modelo polinomial generalizado para banda base foram considerados tendo os parâmetros respectivos sido extraídos utilizando, para o efeito, dados obtidos experimentalmente. São demonstradas a característica da distorção resultante da conversão amplitude - amplitude (AM-AM) e conversão da fase - amplitude (AM-PM) no modulador RSOA. Um modelo baseado em parametros X, obtidos a partir do modelo físico, foi também analisado. Compensação da não-linearidade do modulador RSOA é realizada com base num modelo polinomial com memória. Demonstra-se que a distorção não linear do modulador RSOA pode ser compensada com sucesso. Com a compensação obtem-se uma redução de 17 dB da distorção introduzida pelos produtos de intermodulação de terceira ordem. O EVM (Error Vector Magnitude) apresenta uma melhoria de 6,1% para 2,0%. Na última parte deste trabalho considera-se uma configuração que representa a ligação ascendente por fibra de um sistema de antenas remoto a uma estação central de processamento. Com esta configuração pretendese demonstrar a possibilidade de implementação de uma tecnologia MIMO, suportada num sistema RoF. Baseado numa técnica de multiplexação subportadora (SCM), os sinais de quatro canais com largura de banda de 100 MHz por canal são multiplexados e utilizados para modelar o ganho do RSOA. O desempenho deste link óptico é caracterizado para modulações OFDM considerando diferentes números de sub-portadoras por símbolo (64, 512 , 1024 e 2048) assim como o formato QAM imposto sobre cada sub-portadora.