Seriell-partielle FIR-Filterstrukturen für die optische Signalverabreitung in hochbitratigen Übertragungssystemen

Publication date
2016
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Schwarz, Stefan
Advisor
Schäffer, Christian G.
Referee
Rosenkranz, Werner
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2016-06-09
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Filter
Dispersion
Nichtrekursives Filter
FIR
OFDM
Demultiplexer
Multiplexer
Chip
Integrierte Schaltung
Optoelektronik
Abstract
Die Dissertation beschäftigt sich mit dem Ansatz der optischen Signalentzerrung durch ein Delay-Line-Filter, das als planare Wellenleiterstruktur realisiert wurde. Aufbauend auf den Erkenntnissen serieller Filterstrukturen erweitert der hier untersuchte Ansatz die Flexibilität im Filterdesign durch die Einführung von paralleler Signalverarbeitung. Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Möglichkeiten und Grenzen dieses neuartigen Ansatzes zur adaptiven Kompensation von chromatischer Dispersion. Neben theoretischen Analysen und Simulationen zum Filterverhalten wurde ebenfalls die Realisierung der entworfenen Struktur in Silicon-on-Insulator vorgestellt. Die Struktur der Arbeit gliedert sich wie folgt: Einleitend wird der Einfluss der Pulsverzerrung im optischen Übertragungssystem angesprochen und die Auswirkung von chromatischer Dispersion auf das Datensignal untersucht. Eine Möglichkeit der Kompensation der Entzerrung kann mit Hilfe eines Finite-Impulse-Response Filters erfolgen, dessen Aufbau und Wirkungsweise beschrieben wird. Die such anschließenden Kapitel beinhalten darüber hinaus Ausführungen zum Einsatz des Filters im WDM-System, die Herangehensweisen zur Bestimmung der Filterkoeffizienten sowie eine Untersuchung zu den Möglichkeiten und Grenzen der Entzerrung mit einem Finite-Impulse-Response Filter geringer Ordnung. Das darauffolgende Kapitel behandelt die Umsetzung des Finite-Impulse-Response-Filters in optischer, planarer Filterstruktur in Silicon-on-Insulator. Es werden die Grundbausteine des Filters vorgestellt, sowie auf den Effekt der Doppelbrechung eingegangen. Da mehrere Möglichkeiten existieren, wie ein Filter mit einer festgelegten Ordnung zusammengesetzt werden kann, müssen die verschiedenen Varianten bezüglich ihrer Robustheit und Anfälligkeit untersucht werden. Hieran schließt sich die Vorstellung der schrittweisen Realisierung der ausgewählten Variante der planaren Struktur an. Neben Ausführungen zum Design und Layout beinhaltet dieser Abschnitt Untersuchungen zum charakteristischen Verhalten der Filterschaltung sowie Analysen der Performance als Entzerrer von chromatischer Dispersion. Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing ist eine spezielle Form der Mehrkanal-Modulation und wird bereits seit langer Zeit in der digitalen Datenübertragung eingesetzt. Durch die steigende Nachfrage nach Übertragungssystemen mit einer hohen spektralen Effizienz wurde damit begonnen, diesen Ansatz auch für die optische Übermittlung zu nutzen. Das sich hiermit befassende Kapitel stellt diesen Ansatz zunächst vor und erläutert anschließend die Motivation einer optischen Realisierung des Multi- und Demultiplexers, die zur Erzeugung und Auftrennung des Mehrkanalsignals notwendig sind. Hierauf folgen Anmerkungen zur prinzipiellen Wirkungsweise eines optischen Finite-Impulse-Response-Filters zur Realisierung eines Demultiplexers. Die Entwurfsschritte zur Verknüpfung der Filtergrundelemente und Wahl der Parameter für das Design einer rein-parallelen Filterstruktur werden dargelegt. Da sich auch in diesem Fall hieraus verschiedene Demultiplexerstrukturen zur Auftrennung eines OFDM-Signals ergeben, beinhaltet die Dissertation ebenfalls eine Vergleichsanalyse der aufgezeigten Varianten zur Untersuchung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede bezüglich verschiedener Faktoren. Hierzu gehören die Analyse des Energieverbrauches, der Vergleich der Komplexität jedes Filteransatzes, sowie die Auswirkung von Phasen- und Betragsabweichungen in den Koppelelementen der Filterstruktur. Eine Korrektur der Phasenoffsets auf den Wellenleitern wird angesprochen. Die exemplarische Realisierung eines 8-Kanal-Demultiplexers in Silicon-on-Insulator wird ebenfalls vorgestellt. Anhand der Charakterisierung des Übertragungsverhaltens wird in einer Simulation auf die Performance als Demultiplexer geschlossen. Somit umfasst die Arbeit eine umfangreiche Ansammlung von Analysen und Untersuchungen zum Design und dem Verhalten planarer Filterstrukturen für den Einsatz in hochbitratigen Übertragungssystemen.
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