Projecto de receptores integrados de banda larga

Abstract

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

The present work objective is to present the study and design of receivers optimized for high speed (10Gb/s and 40Gb/s) fiber optic communication systems, with the integrated capacity of adaptive compensation of the effects of chromatic and polarizations dispersion originated in the optical channel. Chapter 1 details the scope of applicability of these receivers in modern WDM optical communication systems. This chapter also presents the main goals and contributions of this thesis. Chapter 2 describes the details of the design of a post-detection amplifier suited for 10Gb/s and 40Gb/s optical communications systems. The most adequate circuit topologies are discussed and also the criteria that dictated the choice of transimpedance configuration as well as the conditions that allow its gain, bandwidth and noise performance to be optimized. Additionally the main aspects related to the layout of the circuit resorting to Microwave Monolithic Integrated Circuit (MMIC) techniques and its impact on the circuit performance, such as the effect of components which are not part of the chip particularly the bondwire inductance. This amplifier was designed and implemented in GaAs pHEMT technology resorting to MMIC techniques. The resulting prototypes were measured on wafer and data from the performance of 80 chips was made available by the factory and compared with simulation and assembled test prototype. Chapter 3 details the design of two electrical adjustable compensators with the capability of mitigation of the effects of chromatic and polarization dispersion in 10Gb/s and 40Gb/s optical systems. Two possible topologies for this type of compensator circuits are discussed (the Feed-Forward and Decision Feedback equalizer) are presented and compared. The Feed- Forward equalizer topology is selected and analyzed further, and details on the practical implementation of such structures are discussed. The chapter shows in detail how these circuits were implemented in MMIC technology, resorting to distributed circuits and also focusing on two possibilities of designing the variable gain cells: based on the Gilbert cell or based in the Cascode. Experimental and simulation results (for the manufactured prototypes) allow drawing conclusions and comparing the performance of the two distinct possibilities for the gain cells. Finally the chapter includes test results of compensation of a signal affected of electrical distortion. Chapter 4 deals with the impact of the type of optical modulation in an optical system affected of dispersion, being of the dual side band or single-side band type. It is shown that if single side band modulation is considered, then the effects of beating between carriers from both the sub-bands due to the quadratic intensity detection process (in optical to electrical conversion) is much reduced and also such detection process allows phase preservation of the chromatic dispersion distortion from the channel. For single sideband modulation optical systems are then much more tolerant to chromatic dispersion and the electrical compensators are much more effective. The chapter also shows test results of the compensators developed, in a laboratory scenario representative of field optical systems at 10Gb/s and 40 Gb/s data rate), and these results are compared considering: the modulation format double side band or single side band, and also the effects of the group velocity dispersion and the differential group delay. Single-side band modulation together with adaptive electrical compensation was shown to have much superior performance than double side-band modulation, allowing for increased tolerance to dispersion effects. Finally, chapter 5 summarizes and presents the main conclusions of this work.