Modelling, simulation and analysis of optical time domain multiplexing transmission systems [Elektronische Ressource] / vorgelegt von André Christoph Wietfeld

Modelling, Simulation and Analysis ofOptical Time Domain MultiplexingTransmission SystemsDer Technischen Fakultät derUniversität Erlangen Nürnbergzur Erlangung des GradesDoktor Ingenieurvorgelegt vonDipl. Phys. AndréChristoph WietfeldErlangen 2004Als Dissertation genehmigt vonder Technischen Fakultätder Universität Erlangen NürnbergTag der Einreichung : 9. September 2004Tag der Promotion : 20. Dezember 2004Dekan : Prof. Dr. rer. nat. A. WinnackerBerichterstatter : Prof. Dr. Ing. L. P. SchmidtProf. Dr. Ing. W. RosenkranzModellierung, Simulation und AnalyseOptischer Zeitbereichs MultiplexenderÜbertragungssystemeII Für Clara Diese Seite ist all denen gewidmet, die mich mit Rat und Tat während meiner Promotion begleitet haben. Einige möchte ich besonders hervorheben: An erster Stelle bedanke ich mich bei Prof. Dr.-Ing. Bernhard Schmauss für die hervorragende Betreuung. Besonderer Dank gilt auch Arnd Hofmann, Arne Striegler, Matthias Schmidt, Thomas Kaupert und Ullrich Vollenbruch, die mit ihren Diplom –und Studianarbeiten wichtige Beiträge für diese Arbeit geleistet haben. Ich bedanke mich ferner bei meinen Gutachtern für ihre Zeit und Mühe, die sie für die Begutachtung investiert haben. Meinen Kollegen am LHFT möchte ich für das stets gute Arbeitsklima und ihre Hilfsbereitschaft bedanken.
Publié le : samedi 1 janvier 2005
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Source : WWW.OPUS.UB.UNI-ERLANGEN.DE/OPUS/VOLLTEXTE/2005/140/PDF/DISS_DRUCK.PDF
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Modelling, Simulation and Analysis of
Optical Time Domain Multiplexing
Transmission Systems
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen Nürnberg
zur Erlangung des Grades
Doktor Ingenieur
vorgelegt von
Dipl. Phys. AndréChristoph Wietfeld
Erlangen 2004Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät
der Universität Erlangen Nürnberg
Tag der Einreichung : 9. September 2004
Tag der Promotion : 20. Dezember 2004
Dekan : Prof. Dr. rer. nat. A. Winnacker
Berichterstatter : Prof. Dr. Ing. L. P. Schmidt
Prof. Dr. Ing. W. RosenkranzModellierung, Simulation und Analyse
Optischer Zeitbereichs Multiplexender
ÜbertragungssystemeII








Für Clara



























Diese Seite ist all denen gewidmet, die mich mit Rat und
Tat während meiner Promotion begleitet haben. Einige
möchte ich besonders hervorheben:

An erster Stelle bedanke ich mich bei Prof. Dr.-Ing.
Bernhard Schmauss für die hervorragende Betreuung.
Besonderer Dank gilt auch Arnd Hofmann, Arne
Striegler, Matthias Schmidt, Thomas Kaupert und Ullrich
Vollenbruch, die mit ihren Diplom –und Studianarbeiten
wichtige Beiträge für diese Arbeit geleistet haben.
Ich bedanke mich ferner bei meinen Gutachtern für ihre
Zeit und Mühe, die sie für die Begutachtung investiert
haben.
Meinen Kollegen am LHFT möchte ich für das stets gute
Arbeitsklima und ihre Hilfsbereitschaft bedanken.
An dieser Stelle bedanke ich mich auch bei den Kollegen
vom Fraunhofer Institut HHI und von Lucent
Technologies für die gute Zusammenarbeit.




































Contents
1 Introduction 1
2 Theory 9
2.1 Linear and Nonlinear Fibre Effects . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 The Numerical Model for Fibre Propagation . . . . . . . . . . 17
2.3 Methods for the Assessment of Signal Quality . . . . . . . . . 18
2.3.1 Monte Carlo Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Simple Q factor and bit error ratio estimation . . . . . 20
2.3.3 Quasi analytic bit error ratio estimation . . . . . . . . 21
2.3.4 Quasi Monte Carlo method . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.5 The covariance matrix method . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.6 Quantification of signal quality by penalty and OSNR 24
2.3.7 Eye diagram and eye opening penalty . . . . . . . . . 26
2.4 Analytical Perturbation Theory Approach . . . . . . . . . . . 26
2.4.1 Intra channel four wave mixing . . . . . . . . . . . . 28
3 Modelling of Optical Components 37
3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 The Optical Time Domain Multiplexer . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Simulative setup of the multiplexer . . . . . . . . . . 40
3.2.2ve setup of the enhanced multiplexer . . . . . 42
3.3 The OTDM Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1 Experimental demultiplexer realizations . . . . . . . . 44
3.3.2 The demultiplexer model . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 Optical Demultiplexer Simulations 57
4.1 Influence of the Demultiplexer on the Receiver Performance . 57
4.1.1 Quantification of results . . . . . . . . . . . . . . . . 58IV
4.1.2 Assessment of filter settings . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.3 of signal energy truncation effects . . . . 60
4.1.4 Insufficient suppression of residual OTDM channels . 68
4.1.5 Characteristics of the switching contrast . . . . . . . . 75
4.2 Comparison of Experimental and Simulative Demultiplexing . 79
4.2.1 Transmitter parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.2 Receiver setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.3 The adaption process in the back to back case . . . . 86
4.2.4 Comparison of experiment and simulation . . . . . . . 91
5 Single Channel Transmission Effects for 160 Gbit/s Links 95
5.1 Isolated Consideration of Linear Effects . . . . . . . . . . . . 95
5.1.1 Second and third order chromatic dispersion tolerance 95
5.1.2 OTDM transmitter related effects . . . . . . . . . . . 100
5.2 Nonlinear Transmission Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2.1 Fibre dispersion and bit pattern effects . . . . . . . . . 105
5.2.2 OTDM phase fluctuations and bit pattern effects . . . 113
5.3 Link Design Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.1 Precompensation concepts . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.2 Symmetric compensation concepts . . . . . . . . . . . 129
5.3.3 Transmission distance for different concepts . . . . . . 134
5.3.4 Experimental and numerical comparison of SLA IDF
and SSFM DCF links . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6 160 Gbit/s WDM Simulations 143
6.1 Simulative Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Optimization of the Optical Transmitter Filter and the Pulse
Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.3 of the Optical WDM Demultiplexer Filter . . . . 150
6.4 Comparison of Transmission Penalties for 40Gbit/s, 80Gbit/s
and 160Gbit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.1 Comparison of the bitrates . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.5 Link Design of WDM Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.5.1 Optimum fibre dispersion . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.5.2 Precompensation schemes . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.5.3 System reach for optimized input powers . . . . . . . 165

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