Performance analysis of intensity modulated PAM-4 with pre-compensation filter and direct detection in short reach optical communication

The ber optic transmission with rate 100 Gbit/s with coherent reception is a commercially available and consolidate technology, since it allows transmission on ber links up to distance of thousands of kilometers. In a medium reach link, up to 80 km, the cost of such a technology is too high, since it implies the use of a laser at the receiver, in addition to an optical hybrid and four photo-diodes per polarization. The advantage of coherent systems is the possibility to equalize all the linear distortions undergone by the signal during transmission at the receiver, in particular for the Chromatic Dispersion (CD). Recently, many low complexity techniques have been proposed to reduce the costs. In particular, we can distinguish between two main types of solutions: self-coherent systems and non coherent one. The self-coherent systems implement the transmission of the carrier along with the information signal. The transmitted optical signal must be Single Side Band (SSB). In this way, after going through the photo-detector at the receiver, the beating between signal and carrier is not a ected by Chromatic Dispersion. The biggest part of self-coherent systems uses OFDM as modulation scheme, but there are also examples of single carrier self-coherent systems. This work introduces selfcoherent systems without specifying a particular modulation scheme. Non coherent systems are even easier and exploit the transmission of di erent values of the laser light intensity (Intensity Modulation). Since the receiver consists only of a photo-diode, the generated electrical signal is proportional to the square of the amplitude of the optical eld. The cascade between transmitter, channel and receiver is therefore non-linear and it is not possible to equalize CD anymore. The contribute of this work is the evaluation of the performance of a system with Intensity Modulation (IM) and Direct Detection (DD) techniques, that implements a pre-compensation lter to face with Chromatic Dispersion. It uses a PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation) modulation scheme. This lter is built with nominal parameters, typical of the band around 1550nm (C-band) in a Single Mode Fiber (SMF). The degradation of the performance is introduced with the misalignment between this pre-compensation lter and the real CD introduced by the ber transmission. Performance is measured using the Bit Error Rate (BER) as main parameter and trying to nd an estimate of it by means of the measured Error Vector Magnitude (EVM). This system is simulated with both a rectangular transmission lter and a Nyquist lter with reduced bandwidth. The evaluation of the performance needs to understand how much the misalignment between pre-compensation lter and actual CD is. Considering that the channel is time invariant, or anyway it varies slowly, the entity of the misalignment can be communicated at the transmitter by means of a feedback channel (not considered in this work), therefore allowing a better pre-compensation with the modi cation of the parameters of the lter. After introduction in Chapter 1, in Chapter 2 the ber transmissions are introduced, in particular the types of receiver and the origin of Chromatic Dispersion. In Chapter 3 the main concepts of digital communications are explained, while Chapter 4 deals with our PAM-4 system and many self-coherent examples. In Chapter 5 the types of performance analysis are illustrated and fi nally all the obtained results are shown.

La trasmissione su fibra ottica a rate 100 Gbit/s con ricezione coerente è una tecnologia commerciale ormai consolidata, che permette la trasmissione su collegamenti in fibra fi no a distanze di migliaia di chilometri. Nei collegamenti a medio raggio, fi no agli 80 km, il costo di questa tecnologia è troppo alto, poichè prevede l'utilizzo di un laser in ricezione, oltre alla presenza di un ibrido ottico e di quattro fotodiodi per polarizzazione. Il vantaggio dei sistemi coerenti è la possibilità di equalizzare al ricevitore tutte le distorsioni lineari subite dal segnale durante la trasmissione, in particolare la dispersione cromatica. Recentemente, sono state sono state proposte diverse soluzioni a bassa complessità per ridurre i costi. In particolare, possiamo distinguere tra due principali tipi di soluzioni: i sistemi self-coherent e quelli non coerenti. I sistemi self-coherent prevedono la trasmissione della portante insieme con il segnale di informazione. Il segnale ottico trasmesso deve essere a banda laterale singola. In questo modo, dopo il fotodiodo al ricevitore, il battimento tra il segnale e la portante non risente della dispersione cromatica. La maggior parte dei sistemi self-coherent utilizza l'OFDM come schema di modulazione, anche se esistono esempi di sistemi self-coherent con modulazione a singola portante. Nel lavoro di tesi quest tipo di sistemi è introdotto senza specifi care un particolare schema di modulazione. I sistemi non coerenti sono ancora più semplici e prevedono la trasmissione di diversi valori di intensità della luce laser (modulazione di intensità). Dato che il ricevitore è costituito solo da un fotodiodo, il segnale elettrico generato è proporzionale al quadrato dell'ampiezza del campo ottico. La cascata tra trasmettitore, canale e ricevitore non è perciò lineare e non è più possibile equalizzare la dispersione cromatica. Il contributo di questo lavoro di tesi è la valutazione delle prestazioni di un sistema con modulazione di intensità e ricezione coerente, che per tenere conto della dispersione cromatica, implementa un fi ltro di pre-compensazione al trasmettitore. Esso utilizza uno schema di modulazione PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation). Il fi ltro è generato con dei parametri nominali, tipici della banda intorno ai 1550nm (C-band) in una fibra a singolo modo (Single Mode Fiber). Il peggioramento delle prestazioni è introdotto tramite una non perfetta corrispondenza tra questo filtro di pre-compensazione e la dispersione cromatica reale introdotta dalla trasmissione in fi bra. Le prestazioni sono misurate usando come parametro principale la Bit Error Rate (BER) e cercando di trovare una sua stima tramite l'Error Vector Magnitude (EVM) misurato. Questo sistema è simulato sia con un fi ltro di trasmissione rettangolare sia con un filtro di trasmissione di Nyquist con banda ridotta. La valutazione delle prestazioni serve a comprendere quanto vale il non allineamento tra il filtro di pre-compensazione e la dispersione cromatica reale. Considerando che il canale è costante nel tempo o comunque varia lentamente, l'entità del non allineamento può essere comunicata al trasmettitore tramite un canale di ritorno (non considerato in questo lavoro), permettendo perciò una pre-compensazione migliore modi cando i parametri del l filtro. Dopo l'introduzione svolta nel Capitolo 1, le basi della trasmissione in bra sono introdotte nel Capitolo 2, in particolare i tipi di ricevitore e l'origine della dispersione cromatica. Nel Capitolo 3 sono spiegati i concetti principali delle comunicazioni digitali, mentre il Capitolo 4 parla del nostro sistema PAM-4 e di alcuni esempi di trasmissione di tipo self-coherent. Nel Capitolo 5 vengono illustrati i tipi di analisi delle prestazioni e in ne sono mostrati e spiegati tutti i risultati ottenuti.