Joint-Transceiver Design for Short Reach Multi-Mode Fiber Systems
Authors:   , Singh Jasmeet 
Published: April 2024

Esta tesis doctoral presenta un diseño novedoso de ecualizador de transceptor conjunto para sistemas de fibras multimodo (MMF) de corto alcance, con modulación de intensidad y detección directa (IM/DD). Un diseño óptimo combinado del pre y post-ecualizador permite mejoras en el rendimiento del sistema. Un pre-ecualizador de feed-forward lineal con algunos coeficientes filtro es incorporado para permitir una señalización multinivel para conservar la estructura sencilla del transmisor. Mediante la utilización de apenas unos pocos coeficientes filtro del pre-ecualizador, la señalización multinivel es responsable de la mitigación parcial de un canal MMF. Consecuentemente, las interferencias residuales son compensadas con un post-ecualizador en el receptor. Contrario a los esquemas de pre y post ecualización (PPE) convencionales, los coeficientes del esquema PPE conjunto o del ecualizador de transceptor conjunto son diseñados y optimizados conjuntamente utilizando un algoritmo de optimización numérica. Este sistema de ecualización recientemente desarrollado se adapta a un sistema IM/DD óptico con una extensa aplicabilidad que va desde conceptos de entrada y salida única (SISO) hasta conceptos de entrada y salida múltiple (MIMO). El rendimiento del sistema del esquema PPE conjunto es analizado y comparado con los esquemas comúnmente utilizados de solo post-ecualización (PE-only) y con la técnica PPE basada en el principio de forzar a cero (ZF). Considerando un sistema SISO con una conexión MMF de 250 m de longitud, la potencia óptica recibida requerida para alcanzar un rango de error bit (BER) de 10^-3 utilizando el ecualizador PEE conjunto se ve reducido en un 7.3% para PE-ZF y en un 6.8% para un error cuadrático medio mínimo (MMSE) PE-only. Adicionalmente, se observan mejoras significativas en el rendimiento del sistema con un incremento en el número de coeficientes del pre-ecualizador, al utilizar el ecualizador PPE conjunto. Cuando se aplica el esquema PPE conjunto a un sistema óptico MIMO (2 × 2) en un canal MMF de 1.4km de longitud, la potencia óptica recibida promedio para alcanzar un BER de 10^-4 mejora 2.58 dB para el formato PAM-2 y 2.68 dB para el formato PAM-4 en comparación con PEMMSE. Bajo los escenarios analizados, los beneficios alcanzados en el rendimiento del BER al utilizar el sistema PPE conjunto son el doble de los alcanzados con los esquemas ZF-PPE utilizados convencionalmente. Agregando a lo anterior, la apertura del diagrama de ojo, al analizar el rango de señal-a-ruido de diferentes esquemas de ecualización, coincide con su respectivo rendimiento de BER. Los resultados experimentales de BER obtenidos también son comparados con simulaciones Monte-Carlo. Mejoras adicionales en los rendimientos BER son posibles al aplicar descomposición en valores singulares (SVD) y método de asignación de potencia en combinación con el esquema PPE conjunto. En las simulaciones por computadora, la potencia óptica promedio requerida para alcanzar un BER de 10^-4 utilizando el esquema SVD-PPE se reduce en 3.52 dB para el formato PAM-2 y en 3.82 dB para el formato PAM-4, ambos con un canal MMF de 1.4km en configuración MIMO (2 × 2). El diseño de ecualizador de transceptor conjunto supera a diversos esquemas de ecualización en sistemas IM/DD basados en MMF al hacer posible la señalización multinivel en el lado del transmisor.

ABSTRACT

This dissertation presents a novel joint-transceiver equalizer design for short reach multi-mode fiber (MMF) systems with intensity modulation and direct detection (IM/DD). A combined optimal design of the pre-and post-equalizer allows improvements in the system performance. A linear feed-forward pre-equalizer with a few taps is incorporated to enable multi-level signaling in order to retain a simple structure of a transmitter. The multi-level signaling using just a few filter coefficients of a pre-equalizer is responsible for the partial mitigation of an MMF channel. Consequently, the residual interferences are compensated with a post-equalizer at the receiver. In contrary to state-of-the-art pre- and post-equalization (PPE) schemes, the coefficients of the joint-PPE scheme or joint-transceiver equalizer are designed and optimized together using a numerical optimization algorithm. This newly developed equalization scheme is tailored for an optical IM/DD system with extensive applicability from single-input and single-output (SISO) to multiple-input and multiple-output (MIMO) concepts. The system performance of the joint-PPE scheme is analyzed and compared with the commonly used post-equalization only (PE-only) schemes and PPE technique based on the zero-forcing (ZF) principle. Considering a SISO system with a 250m long MMF link, the required optical received power to reach a bit-error rate (BER) of 10^-3 using the joint-PPE is reduced by 7.3% for PE-ZF and 6.8% for minimum mean square error (MMSE) PE-only. Additionally, significant improvements in the system performance using the joint-PPE equalizer are observed with an increase in the number of pre-equalizer coefficients. When the joint-PPE scheme is applied on a (2 × 2) optical MIMO system over a 1.4 km long MMF channel, the average optical received power to reach a BER of 10^-4 is improved by 2.58 dB for PAM-2 and 2.68 dB for PAM-4 formats in comparison to PE-MMSE. Under the analyzed scenarios, the achieved BER performance benefits utilizing the joint-PPE are twice that of the conventionally used ZF-PPE schemes. Furthermore, the eye openings at analyzed signal-to-noise ratio from the different equalization schemes agree with their respective BER performance. The obtained experimental BER results are also compared with Monte-Carlo simulations. Further enhancement in the BER performances is enabled by applying singular value decomposition (SVD) and power allocation methods in combination with the joint-PPE scheme. From the computer simulations, the required average optical power to reach a 10^-4 BER using the SVD-PPE scheme is lowered by 3.52 dB for PAM-2 and 3.82 dB for PAM-4 formats with a 1.4km MMF channel in (2 × 2) MIMO configuration. The joint-transceiver equalizer design outperforms different equalization schemes in MMF-based IM/DD systems by enabling multi-level signaling at the transmitter side.