Photonics-Assisted High Data Rate Communications
The escalating demand for higher data rates and wider bandwidths in communication networks is being driven by the emergence of new applications. This growth extends beyond communications to include essential requirements for broad-bandwidth devices in various fields, including radar, sensing, and measuring systems. The increasing bandwidths, in addition to the sampling rate, may pose challenges for the electronic digital-to-analog converter (DACs) and analog-to-digital converters (ADCs) in digital systems. These challenges include the utilization of vast digital signal processing, leading to high-power consumption and increased costs. Photonics-assisted high-data rate communication may offer promising alternatives because photonics devices provide wide bandwidth, low-power consumption, and immunity against electromagnetic interferences. The main purpose of this thesis is to explore new methods to generate and detect high-bandwidth signals by low-bandwidth electronics based on optical signal processing. Those methods should be featured by the extremely small size and low-power consumption. The research in this thesis is divided into four main parts.
The first part introduces the concept of generating high-bandwidth signals with higher-spectral efficiency from low-bandwidth DACs with lower-spectral efficiency. The method combines the use of electronics and photonics. By electronics, low-bandwidth sub-DACs are employed to generate signals with wide-bandwidth and low-spectral efficiency through the use of electrical orthogonal sampling with sinc-pulse sequences in N parallel branches. In photonics, higher spectral efficiency can be produced from M branches at different optical powers.
The second part proposes a concept for detecting high-bandwidth wireless signals by a low-bandwidth photonics-assisted receiver. The idea is based on down-converting the input high-bandwidth wireless signals into low-bandwidth sub-signals using optical orthogonal sampling. It relies on multiplication rather than switching, which avoids introducing aperture jitter and improves the Q-factor for detection.
The third part of this thesis presents a silicon ring modulator-based compact photonic sampler with low-power consumption. The sampler can sample various microwave signals by sinc-pulse sequences. The generation of the sinc-pulse sequence and sampling occur simultaneously within the same optical ring modulator. The proposed sampler can sample high-bandwidth signals with low-bandwidth electronics.
The last section of this thesis describes a novel concept for the generation and detection of an optical superchannel. The transmitter system employs a comb source and cascaded optical ring modulators. Each modulator works as a filter, selecting one wavelength from the comb lines, and as a modulator, modulating k time division channels on the chosen wavelength. This process generates a rectangular optical superchannel from all wavelengths together. The transmitter does not require the employment of optical filters or delay lines, making it simple and compact. At the receiver side, an optical ring modulator can be utilized with the local oscillator (LO) to separate the generation of the sinc-pulse sequence from sampling. This is to prevent the suppression of the optical carrier.
The concepts outlined in the first to fourth sections can be combined together to generate and detect high-bandwidth signals with low-bandwidth electronics. An extremely compact system with very low-power consumption can be achieved by employing optical ring modulators, resulting in low-cost systems. The proposed system is applicable to various fields, including radar, sensing, instrumentation, communications, and data centers.
Die steigende Nachfrage nach höheren Datenraten und größeren Bandbreiten in Kommunikationsnetzwerken wird durch das Aufkommen neuer Anwendungen vorangetrieben. Das Wachstum erstreckt sich über die Kommunikation hinaus und umfasst Bereiche wie Radaranwendungen, Sensorik und Messtechnik. Die zunehmenden Bandbreiten und Abtastraten stellen Herausforderungen für elektronische Digital-analog-Wandler (DACs) und Analog-digital-Wandler (ADCs) in digitalen Systemen dar. Vor allem die umfangreiche digitale Signalverarbeitung, die zu einem hohen Energieverbrauch und erhöhten Kosten führt, ist dabei ein Problem. Die photonikgestützte Hochgeschwindigkeits-Kommunikation ist eine vielversprechende Alternative, da diese höhere Bandbreiten sowie einen geringen Energieverbrauch ermöglicht und immun gegenüber elektromagnetischer Interferenz ist. Das Hauptziel der Arbeit ist es, auf Basis optischer Signalverarbeitung neue Konzepte zur Generierung und Detektion hochbandbreitiger Signale durch elektronische, niederbandbreitige Geräte zu entwickeln. Die Konzepte sollen sich durch durch Kompaktheit und einen geringen Energieverbrauch auszeichen. Die Forschung dieser Arbeit ist in vier Hauptteile unterteilt.
Im ersten Teil wird eine Methode vorgestellt, hochbandbreitige Signale mit hoher spektraler Effizienz mithilfe von niedrigbandbreiten DACs mit geringer spektraler Effizienz zu erzeugen. Die Methode verbindet Elektronik und Photonik. Elektrisch werden DACs in N parallelen Zweigen genutzt, um Signale mit großer Bandbreite und spektraler Effizienz mittels einer elektrischen, orthogonalen Abtastung mit Sinc-Puls-Sequenzen zu generieren. Photonisch ist eine höhere spektrale Effizienz durch M Zweige mit verschiedenen optischen Leistungen realisierbar.
Im zweiten Teil wird ein Konzept zum Empfang hochbandbreitiger Drahtlos-Signale vorgeschlagen, die auf einem photonikgestützten Empfänger mit kleiner Bandbreite beruht. Es basiert auf der Herunterkonvertierung der Eingangs-Signale in niedrigbandbreitige Signale durch optisches, orthogonales Abtasten. Dabei wird auf Multiplikation statt auf Schaltprozesse gesetzt, um den Apertur-Jitter zu vermeiden und somit den Q-Faktor bei der Detektion anzuheben.
Im dritten Teil der Arbeit wird ein kompakter photonischer Sampler auf Basis eines Siliziumringmodulators mit geringem Energieverbrauch präsentiert. Der Sampler tastet beliebige Radiofrequenzsignale mit Sinc-Puls-Sequenzen ab. Die Erzeugung der Sinc-Puls-Sequenz und die Abtastung erfolgen gleichzeitig im selben optischen Ringmodulator. Der Sampler kann hochbandbreitige Signale mittels niedrigbandbreitiger Elektronik sampeln.
Im letzten Abschnitt der Arbeit wird ein neues Konzept zur Erzeugung und Detektion eines optischen Superkanals beschrieben. Der Sender verwendet eine Kammquelle und hintereinandergeschaltete optische Ringmodulatoren. Jeder Modulator fungiert als Filter, der eine Wellenlänge aus dem Kamm auswählt und als Modulator, der k zeitlich verschachtelte Kanäle auf die gewählte Welle moduliert. Mittels aller Wellenlängen wird ein rechteckiger, optischer Superkanal generiert. Der Sender braucht keine optischen Filter oder Verzögerungsglieder, was ihn einfach und kompakt macht. Zum Empfang wird ein optischer Ringmodulator mit Lokaloszillator (LO) genutzt, um die Sinc-Puls-Sequenz-Erzeugung von der Abtastung zu trennen und die Unterdrückung des optischen Trägers zu verhindern.
Die vom ersten bis vierten Abschnitt dargestellten Methoden können kombiniert werden, um hochbandbreitige Signale mit niedrigbandbreitiger Elektronik zu erzeugen und zu empfangen. Ein kompaktes System mit sehr geringem Energieverbrauch kann mit optischen Ringmodulatoren realisiert werden, sodass es kostengünstig umsetzbar ist. Das System lässt sich für Radaranwendungen, Sensorik, Messtechnik, Kommunikation sowie in Rechenzentren einsetzen
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