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Title: High Capacity Optical Transmission Systems Based on Mode Division Multiplexing
Authors: Ferreira, Filipe Marques 
Orientador: Silva, Henrique José Almeida da
Fonseca, Daniel Diogo Ferrão da Trindade
Keywords: Multiplexação por divisão modal; Fibras com poucos modos; Atraso modal diferencial; Diafonia modal linear; Atenuação dependente do modo; Efeitos não-lineares intermodais; Mode division multiplexing; Few-mode fibers
Issue Date: 8-Sep-2014
Citation: FERREIRA, Filipe Marques - High capacity optical transmission systems based on mode division multiplexing. Coimbra : [s.n.], 2014. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/26021
Abstract: O presente trabalho relata a investigação de sistemas de transmissão de alta capacidade com multiplexação por divisão modal (MDM) em fibras com poucos modos (FMFs). MDM em FMFs é uma solução atractiva para ultrapassar a iminente exaustão das fibras monomodais (SMFs) convencionais com uma poupança potencial no custo, espaço e consumo energético. Um sistema MDM-FMF básico é composto por: FMFs, multiplexadores modais (MMUXs) e demultiplexadores modais (MDMUXs), amplificadores multimodais (MMAs), e processamento digital de sinal (DSP) para sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). As características chave das FMFs são uma maior capacidade de transmissão teórica, uma vez que cada modo pode ter uma capacidade igual a uma SMF, e reduzidos coeficientes não-lineares. Contudo, a natureza multimodal das FMFs introduz limitações ausentes nas SMFs: atraso modal diferencial (DMD), diafonia modal linear (XT), atenuação dependente do modo (MDL), e efeitos não-lineares intermodais. Estas limitações têm que ser abordadas para cumprir todo o potencial das FMFs. Os MMAs são um componente chave no projecto de sistemas MDM-FMF economicamente competitivos e energeticamente eficientes. A potência das bombas tem que ser partilhada entre os canais MDM para atingir uma poupança no custo e consumo energético. Uma das maiores dificuldades no projecto de MMAs é a obtenção de um ganho dependente do modo (MDG) reduzido. Os MMUXs/MDMUXs são responsáveis por um mapeamento aproximadamente unitário entre os sinais de entrada e os modos guiados pelas FMF e vice-versa, para que seja possível reverter os efeitos de transmissão utilizando DSP-MIMO. Nesta tese, as principais limitações dos sistemas MDM-FMF acima identificadas são modeladas de forma a permitir o desenvolvimento de várias técnicas para reduzir o seu impacto. Um modelo não-linear semi-analítico para a transmissão em FMFs é desenvolvido. O projecto de máscaras de fase para MMUXs/MDMUXs é proposto, especificando os requisitos na resolução, ruído de fase e alinhamento. O projecto de FMFs adequadas para transmissão de longo alcance é proposto considerando até 12 modos não-degenerados linearmente polarizados. Além disso, são propostos três métodos para a extensão do alcance de transmissão de sistemas MDM-FMF através da redução da DMD e MDL/MDG acumuladas. Finalmente, um estudo alargado dos efeitos não-lineares intermodais é apresentado, identificando os efeitos dominantes bem como potenciais técnicas para a redução da penalidade induzida pelos mesmos.
The present work reports the investigation on high capacity optical transmission systems based on mode division multiplexing (MDM) over few-mode fibers (FMFs). MDM over FMFs is as an attractive solution to overcome the impending capacity crunch of conventional single-mode fiber (SMF) systems with potential cost, space, and energy savings. A basic MDM-FMF system is composed by: FMFs, mode multiplexers (MMUXs) and demultiplexers (MDMUXs), multimode amplifiers (MMAs), and multiple-input-multiple-output (MIMO) digital signal processing (DSP). The key characteristics of FMFs are their theoretically higher capacity, since each mode can support the same amount of information of a SMF, and the reduced nonlinear coefficients. However, there are some impairments arising from the multimode nature of FMFs, which have to be addressed in order to fulfill their full capacity: differential mode delay (DMD), linear mode crosstalk (XT), mode-dependent loss (MDL), and intermodal nonlinearities. The MMAs are a key component for economic and energy efficient MDM-FMF systems. In order to reduce cost and energy consumption in comparison to M parallel single-mode amplifiers, the MDM channels have to share the pumps power. One of the main difficulties experienced in the design of MMAs is the achievement of low mode dependent gain (MDG). The MMUXs/MDMUXs are responsible for an approximately unitary mapping from the input signals to the FMF modes and vice-versa, such that the transmission impairments can be reverted through MIMO-DSP. In this thesis, the main impairments of MDM-FMF systems identified above are modeled, allowing to develop several techniques to reduce their impact. A nonlinear semi-analytical model (NSAM) for transmission over FMFs is developed. The design requirements of mode selective phase masks for MMUXs/MDMUXs are investigated regarding the mask resolution, mask phase noise and mask alignments. The design of FMFs with up to 12 non-degenerate linearly polarized (LP) modes suitable for long-haul transmission are proposed. Moreover, three methods to extend the transmission reach of MDM-FMFs by limiting the accumulation of DMD and MDL/MDG along transmission are proposed. Finally, an extensive study of the intermodal nonlinear effects in MDM-FMF systems is presented, identifying the dominant effects as well as possible techniques to reduce the corresponding induced penalty.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, no ramo de especialização de Telecomunicações, apresentada ao Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/26021
Rights: openAccess
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