Microwave signal processing in the optical domain is investigated in this thesis. Two signal processors including an all-optical fractional Hilbert transformer and an all-optical microwave differentiator are investigated and experimentally demonstrated. Specifically, the photonic-assisted fractional Hilbert transformer with tunable fractional order is implemented based on a temporal pulse shaping system incorporating a phase modulator. By applying a step function to the phase modulator to introduce a phase jump, a real-time fractional Hilbert transformer with a tunable fractional order is achieved. The microwave bandpass differentiator is implemented based on a finite impulse response (FIR) photonic microwave delay-line filter with nonuniformly-spaced taps. A microwave bandpass differentiator based on a six-tap nonuniformly-spaced photonic microwave delay-line filter with all- positive coefficients is designed, simulated, and experimentally demonstrated. The reconfigurability of the microwave bandpass differentiator is experimentally investigated. The employment of the differentiator to perform differentiation of a bandpass microwave signal is also experimentally demonstrated.

Microwave signal processing in the optical domain is investigated in this thesis. Two signal processors including an all-optical fractional Hilbert transformer and an all-optical microwave differentiator are investigated and experimentally demonstrated. Specifically, the photonic-assisted fractional Hilbert transformer with tunable fractional order is implemented based on a temporal pulse shaping system incorporating a phase modulator. By applying a step function to the phase modulator to introduce a phase jump, a real-time fractional Hilbert transformer with a tunable fractional order is achieved. The microwave bandpass differentiator is implemented based on a finite impulse response (FIR) photonic microwave delay-line filter with nonuniformly-spaced taps. A microwave bandpass differentiator based on a six-tap nonuniformly-spaced photonic microwave delay-line filter with all- positive coefficients is designed, simulated, and experimentally demonstrated. The reconfigurability of the microwave bandpass differentiator is experimentally investigated. The employment of the differentiator to perform differentiation of a bandpass microwave signal is also experimentally demonstrated.

Microwave signal processing in the optical domain is investigated in this thesis. Two signal processors including an all-optical fractional Hilbert transformer and an all-optical microwave differentiator are investigated and experimentally demonstrated. Specifically, the photonic-assisted fractional Hilbert transformer with tunable fractional order is implemented based on a temporal pulse shaping system incorporating a phase modulator. By applying a step function to the phase modulator to introduce a phase jump, a real-time fractional Hilbert transformer with a tunable fractional order is achieved. The microwave bandpass differentiator is implemented based on a finite impulse response (FIR) photonic microwave delay-line filter with nonuniformly-spaced taps. A microwave bandpass differentiator based on a six-tap nonuniformly-spaced photonic microwave delay-line filter with all- positive coefficients is designed, simulated, and experimentally demonstrated. The reconfigurability of the microwave bandpass differentiator is experimentally investigated. The employment of the differentiator to perform differentiation of a bandpass microwave signal is also experimentally demonstrated.

Microwave signal processing in the optical domain is investigated in this thesis. Two signal processors including an all-optical fractional Hilbert transformer and an all-optical microwave differentiator are investigated and experimentally demonstrated. Specifically, the photonic-assisted fractional Hilbert transformer with tunable fractional order is implemented based on a temporal pulse shaping system incorporating a phase modulator. By applying a step function to the phase modulator to introduce a phase jump, a real-time fractional Hilbert transformer with a tunable fractional order is achieved. The microwave bandpass differentiator is implemented based on a finite impulse response (FIR) photonic microwave delay-line filter with nonuniformly-spaced taps. A microwave bandpass differentiator based on a six-tap nonuniformly-spaced photonic microwave delay-line filter with all- positive coefficients is designed, simulated, and experimentally demonstrated. The reconfigurability of the microwave bandpass differentiator is experimentally investigated. The employment of the differentiator to perform differentiation of a bandpass microwave signal is also experimentally demonstrated.

Die chromatische Dispersion ist in optischen Übertragungssystemen mit Datenraten von 10 Gbit/s und darüber einer der Faktoren, der die Länge der Übertragungsstrecke limitiert. Der Hauptteil der chromatischen Dispersion wird in solchen Übertragungssystemen in der Regel durch Dispersionskompensationsfasern ausgeglichen. Aufgrund von z.B. Umwelteinflüssen kann allerdings auch eine sich zeitlich ändernde Dispersion auftreten. Zur Eliminierung dieser Restdispersion wurden unterschiedliche Ansätze wie abstimmbare Faser-Bragg-Gitter, Virtually-Imaged-Phased-Arrays und Delay-Line-Filter publiziert. Delay-Line-Filter, deren periodisches Übertragungsverhalten durch die Filterkoeffizienten bestimmt wird, wurden bereits als Ring-Resonatoren und kaskadierte Mach-Zehnder-Interferometer in integriert-optischer Technologie hergestellt. Integriert-optische Komponenten verursachen aufgrund der Ankopplung an die Fasern des Übertragungssystems hohe Einfügeverluste. Darüber hinaus treten hohe Wellenleiterverluste, polarisationsabhängige Verluste und Polarisationsmodendispersion auf. Daher wird in dieser Arbeit die Realisierung faseroptischer Delay-Line-Filter, die auf faseroptischen Schmelzkopplern und faseroptischen Gewichtungselementen basieren, untersucht. Aufgrund der geometrischen Längen der faseroptischen Schmelzkoppler und der Größe der Gewichtungselemente können solche Filter allerdings nur mit einer geringen Filterordnung und mit einer geringen Anzahl von Gewichtungselementen hergestellt werden. Um mit Filtern niedriger Ordnung eine möglichst effektive Kompensation der Restdispersion zu erzielen, ist zunächst eine sorgfältige Untersuchung der Filtereigenschaften und des Filterentwurfs erforderlich. Durch systematische Untersuchung des Verhaltens der Filterdispersion in Abhängigkeit der Filterkoeffizienten wurden in dieser Arbeit hierzu erstmalig einfache Entwurfsregeln aufgestellt, die für Filter beliebiger Filterordnung zu annähernd konstantem Dispersionsverlauf führen. Auf dieser Grundlage konnte ein faseroptisches Delay-Line-Filter realisiert werden, das auf zwei in Reihe geschalteten faseroptischen 3x3 Schmelzkopplern basiert. Die Dispersion dieses Filters ist in einem Bereich von 50 GHz um die Mitte einer Filterperiode herum annähernd konstant und kann in einem Bereich von +/-50 ps/nm durch ein einzelnes thermisches Gewichtungselement abgestimmt werden. Aufgrund der faseroptischen Realisierung kann die Komponente problemlos in optische Übertragungsstrecken integriert werden und verursacht dabei Einfügeverluste von lediglich 3 dB. In Übertragungsexperimenten bei Datenraten von 42,5 Gbit/s konnte gezeigt werden, dass das Filter in der Lage ist die Dispersionstoleranz des Systems annähernd zu verdoppeln. Dies gilt sowohl für die Kompensation eines einzelnen Kanals als auch für die simultane Kompensation mehrerer benachbarter Übertragungskanäle mit je 42,5 Gbit/s. / Chromatic dispersion is a limiting factor in fast optical networks with channel bit rates of 10 Gbit/s or higher. The main part of the dispersion is usually compensated by spans of dispersion compensating fiber that have a fixed dispersion value. But the residual dispersion caused by environmental changes or rerouting has to be compensated adaptively. To overcome the effects of residual dispersion several approaches like tunable fiber Bragg gratings, virtually imaged phased arrays and delay line filters can be found in literature. The use of delay line filters like cascaded ring-resonators, multi-cavity etalons and cascaded Mach-Zehnder interferometers, whose periodic transfer behavior is determined by their coefficients, have already been developed in planar-optics. These components cause insertion loss due to the coupling to the fibers. Furthermore they suffer from high waveguide loss, non-negligible polarization dependent loss and polarization mode dispersion. In this thesis the realization of tunable delay line filters based on fiberoptic couplers and fiberoptic weighting elements is investigated. Due to the size of these components the filters can be realized with a limited order and a limited number of weighting elements, only. To fulfill these requirements a careful investigation of the filter design is necessary. By systematically investigating the dispersion of the filter depending on the filter coefficients simple design rules for non-recursive delay line filters with approximately constant dispersion are figured out. That enables the realization of a fiberoptic delay line filter, based on two 3x3 couplers concatenated in series. The dispersion of this filter is constant in a bandwidth of about 50 GHz around the center of a period and can be tuned in a range of +/-50 ps/nm by changing one single weighting element. Due to its nature this device causes low loss and can be easily integrated in an optical transmission system. In experiments it was demonstrated that by adding this filter to a 42.5 Gb/s transmission system the +/- 55 ps/nm dispersion tolerance of the optical receiver can almost be doubled - either in a single channel as well as in a multi channel configuration with five adjacent 42.5 Gb/s channels.

Die chromatische Dispersion ist in optischen Übertragungssystemen mit Datenraten von 10 Gbit/s und darüber einer der Faktoren, der die Länge der Übertragungsstrecke limitiert. Der Hauptteil der chromatischen Dispersion wird in solchen Übertragungssystemen in der Regel durch Dispersionskompensationsfasern ausgeglichen. Aufgrund von z.B. Umwelteinflüssen kann allerdings auch eine sich zeitlich ändernde Dispersion auftreten. Zur Eliminierung dieser Restdispersion wurden unterschiedliche Ansätze wie abstimmbare Faser-Bragg-Gitter, Virtually-Imaged-Phased-Arrays und Delay-Line-Filter publiziert. Delay-Line-Filter, deren periodisches Übertragungsverhalten durch die Filterkoeffizienten bestimmt wird, wurden bereits als Ring-Resonatoren und kaskadierte Mach-Zehnder-Interferometer in integriert-optischer Technologie hergestellt. Integriert-optische Komponenten verursachen aufgrund der Ankopplung an die Fasern des Übertragungssystems hohe Einfügeverluste. Darüber hinaus treten hohe Wellenleiterverluste, polarisationsabhängige Verluste und Polarisationsmodendispersion auf. Daher wird in dieser Arbeit die Realisierung faseroptischer Delay-Line-Filter, die auf faseroptischen Schmelzkopplern und faseroptischen Gewichtungselementen basieren, untersucht. Aufgrund der geometrischen Längen der faseroptischen Schmelzkoppler und der Größe der Gewichtungselemente können solche Filter allerdings nur mit einer geringen Filterordnung und mit einer geringen Anzahl von Gewichtungselementen hergestellt werden. Um mit Filtern niedriger Ordnung eine möglichst effektive Kompensation der Restdispersion zu erzielen, ist zunächst eine sorgfältige Untersuchung der Filtereigenschaften und des Filterentwurfs erforderlich. Durch systematische Untersuchung des Verhaltens der Filterdispersion in Abhängigkeit der Filterkoeffizienten wurden in dieser Arbeit hierzu erstmalig einfache Entwurfsregeln aufgestellt, die für Filter beliebiger Filterordnung zu annähernd konstantem Dispersionsverlauf führen. Auf dieser Grundlage konnte ein faseroptisches Delay-Line-Filter realisiert werden, das auf zwei in Reihe geschalteten faseroptischen 3x3 Schmelzkopplern basiert. Die Dispersion dieses Filters ist in einem Bereich von 50 GHz um die Mitte einer Filterperiode herum annähernd konstant und kann in einem Bereich von +/-50 ps/nm durch ein einzelnes thermisches Gewichtungselement abgestimmt werden. Aufgrund der faseroptischen Realisierung kann die Komponente problemlos in optische Übertragungsstrecken integriert werden und verursacht dabei Einfügeverluste von lediglich 3 dB. In Übertragungsexperimenten bei Datenraten von 42,5 Gbit/s konnte gezeigt werden, dass das Filter in der Lage ist die Dispersionstoleranz des Systems annähernd zu verdoppeln. Dies gilt sowohl für die Kompensation eines einzelnen Kanals als auch für die simultane Kompensation mehrerer benachbarter Übertragungskanäle mit je 42,5 Gbit/s. / Chromatic dispersion is a limiting factor in fast optical networks with channel bit rates of 10 Gbit/s or higher. The main part of the dispersion is usually compensated by spans of dispersion compensating fiber that have a fixed dispersion value. But the residual dispersion caused by environmental changes or rerouting has to be compensated adaptively. To overcome the effects of residual dispersion several approaches like tunable fiber Bragg gratings, virtually imaged phased arrays and delay line filters can be found in literature. The use of delay line filters like cascaded ring-resonators, multi-cavity etalons and cascaded Mach-Zehnder interferometers, whose periodic transfer behavior is determined by their coefficients, have already been developed in planar-optics. These components cause insertion loss due to the coupling to the fibers. Furthermore they suffer from high waveguide loss, non-negligible polarization dependent loss and polarization mode dispersion. In this thesis the realization of tunable delay line filters based on fiberoptic couplers and fiberoptic weighting elements is investigated. Due to the size of these components the filters can be realized with a limited order and a limited number of weighting elements, only. To fulfill these requirements a careful investigation of the filter design is necessary. By systematically investigating the dispersion of the filter depending on the filter coefficients simple design rules for non-recursive delay line filters with approximately constant dispersion are figured out. That enables the realization of a fiberoptic delay line filter, based on two 3x3 couplers concatenated in series. The dispersion of this filter is constant in a bandwidth of about 50 GHz around the center of a period and can be tuned in a range of +/-50 ps/nm by changing one single weighting element. Due to its nature this device causes low loss and can be easily integrated in an optical transmission system. In experiments it was demonstrated that by adding this filter to a 42.5 Gb/s transmission system the +/- 55 ps/nm dispersion tolerance of the optical receiver can almost be doubled - either in a single channel as well as in a multi channel configuration with five adjacent 42.5 Gb/s channels.

In den letzten Jahrzehnten ist das globale Kommunikationssystem in einem immer größerem Maße ein integraler Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Optische Kommunikationssysteme sind die technologische Basis für diese Entwicklung. Nur Fasern können die riesige benötigte Bandbreite bereitstellen. Während für die ersten optischen Übertragungssysteme die Faser als "flacher" Kanal betrachtet werden konnte, machen Wellenlängenmultiplex und steigende Übertragungsraten die Einbeziehung von immer mehr physikalischen Effekten notwendig. Bei einer Erhöhung der Kanaldatenrate auf 40 Gbit/s und mehr ist die statische Kompensation von chromatischer Dispersion nicht mehr ausreichend. Die intrinsische Toleranz der Modulationsformate gegenüber Dispersion nimmt quadratisch mit der Symbolrate ab. Daher können beispielsweise durch Umwelteinflüsse hervorgerufene Dispersionsschwankungen die Dispersionstoleranz der Modulationsformate überschreiten. Dies macht eine adaptive Dispersionskompensation notwendig, was gleichzeitig auch Dispersionsmonitoring erfordert, um den adaptiven Kompensator steuern zu können. Vorhandene Links können mit Restdispersionskompensatoren ausgestattet werden, um sie für Hochgeschwindigkeitsübertragungen zu ertüchtigen. Optische Kompensationstechniken sind unabhängig von der Kanaldatenrate. Daher wird eine Erhöhung der Datenrate problemlos unterstützt. Optische Kompensatoren können WDM-fähig gebaut werden, um mehrere Kanäle auf einmal zu entzerren. Das Buch beschäftigt sich mit optischen Delay-Line-Filtern als eine Klasse von optischen Kompensatoren. Die Filtersynthese von solchen Delay-Line-Filtern wird behandelt. Der Zusammenhang zwischen optischen Filtern und digitalen FIR-Filtern mit komplexen Koeffizienten im Zusammenhang mit kohärenter Detektion wird aufgezeigt. Iterative und analytische Methoden, die die Koeffizienten für dispersions- und dispersions-slope-kompensierende Filter produzieren, werden untersucht. Genauso wichtig wie die Kompensation von Dispersion ist die Schätzung der Dispersion eines Signals. Mit Delay-Line-Filtern können die Restseitenbänder eines Signals genutzt werden, um die Dispersion zu messen. Alternativ kann nichtlineare Detektion angewandt werden, um die Pulsverbreiterung, die hauptsächlich von der Dispersion herrührt, zu schätzen. Mit gemeinsamer Dispersionskompensation und Dispersionsmonitoring können Dispersionskompensatoren auf die Signalverzerrungen eingestellt werden. Spezielle Eigenschaften der Filter zusammen mit der analytischen Beschreibung können genutzt werden, um schnelle und zuverlässige Steueralgorithmen zur Filtereinstellung bereitzustellen. Schließlich wurden Prototypen derartiger faseroptischen Kompensatoren von chromatischer Dispersion und Dispersions-Slope hergestellt und charakterisiert. Die Einheiten und ihr Systemverhalten wird gezeigt und diskutiert. / Over the course of the past decades, the global communication system has become a central part of people's everyday lives. Optical communication systems are the technological basis for this development. Only fibers can provide the huge bandwidth that is required. Where the fiber could be regarded as a flat channel for the first optical transmission systems wavelength multiplexing and increasing line rates made it necessary to take more and more physical effects into account. When the line rates are increased to 40 Gbit/s and higher static chromatic dispersion compensation is not enough. The modulation format's intrinsic tolerance for dispersion decreases quadratically with the symbol rate. Thus, environmentally induced chromatic dispersion fluctuations may exceed the dispersion tolerance of the modulation formats. This makes an adaptive dispersion compensation necessary implying also the need for a monitoring scheme to steer the adaptive compensator. Legacy links that are CD-compensated by DCFs can be upgraded with residual dispersion compensators to make them ready for high speed transmission. Optical compensation is independent from the line rate. Hence, increasing the data rates is inherently supported. Optical compensators can be built WDM ready compensating multiple channels at once. The book deals with optical delay line filters as one class of optical compensators. The filter synthesis of such delay line filters is addressed. The connection between optical filters and digital FIR filters with complex coefficients that are used in conjunction with coherent detection could be shown. Iterative and analytical methods that produce the coefficients for dispersion (and also dispersion slope) compensating filters are researched. As important as the compensation of dispersion is the estimation of the dispersion of a signal. Using delay line filters, the vestigial sidebands of a signal can be used to measure the dispersion. Alternatively, nonlinear detection can be used to estimate the pulse broadening which is caused mainly by dispersion. With dispersion compensation and dispersion monitoring, dispersion compensators can be adapted to the signal's impairment. Special properties of the filter in conjunction with an analytical description can be used to provide a fast and reliable control algorithm for setting the filter to a given dispersion and centering it on a signal. Finally, prototypes of such fiber optic chromatic dispersion and dispersion slope compensation filters were manufactured and characterized. The device and system characterization of the prototypes is presented and discussed.

In den letzten Jahrzehnten ist das globale Kommunikationssystem in einem immer größerem Maße ein integraler Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Optische Kommunikationssysteme sind die technologische Basis für diese Entwicklung. Nur Fasern können die riesige benötigte Bandbreite bereitstellen. Während für die ersten optischen Übertragungssysteme die Faser als "flacher" Kanal betrachtet werden konnte, machen Wellenlängenmultiplex und steigende Übertragungsraten die Einbeziehung von immer mehr physikalischen Effekten notwendig. Bei einer Erhöhung der Kanaldatenrate auf 40 Gbit/s und mehr ist die statische Kompensation von chromatischer Dispersion nicht mehr ausreichend. Die intrinsische Toleranz der Modulationsformate gegenüber Dispersion nimmt quadratisch mit der Symbolrate ab. Daher können beispielsweise durch Umwelteinflüsse hervorgerufene Dispersionsschwankungen die Dispersionstoleranz der Modulationsformate überschreiten. Dies macht eine adaptive Dispersionskompensation notwendig, was gleichzeitig auch Dispersionsmonitoring erfordert, um den adaptiven Kompensator steuern zu können. Vorhandene Links können mit Restdispersionskompensatoren ausgestattet werden, um sie für Hochgeschwindigkeitsübertragungen zu ertüchtigen. Optische Kompensationstechniken sind unabhängig von der Kanaldatenrate. Daher wird eine Erhöhung der Datenrate problemlos unterstützt. Optische Kompensatoren können WDM-fähig gebaut werden, um mehrere Kanäle auf einmal zu entzerren. Das Buch beschäftigt sich mit optischen Delay-Line-Filtern als eine Klasse von optischen Kompensatoren. Die Filtersynthese von solchen Delay-Line-Filtern wird behandelt. Der Zusammenhang zwischen optischen Filtern und digitalen FIR-Filtern mit komplexen Koeffizienten im Zusammenhang mit kohärenter Detektion wird aufgezeigt. Iterative und analytische Methoden, die die Koeffizienten für dispersions- und dispersions-slope-kompensierende Filter produzieren, werden untersucht. Genauso wichtig wie die Kompensation von Dispersion ist die Schätzung der Dispersion eines Signals. Mit Delay-Line-Filtern können die Restseitenbänder eines Signals genutzt werden, um die Dispersion zu messen. Alternativ kann nichtlineare Detektion angewandt werden, um die Pulsverbreiterung, die hauptsächlich von der Dispersion herrührt, zu schätzen. Mit gemeinsamer Dispersionskompensation und Dispersionsmonitoring können Dispersionskompensatoren auf die Signalverzerrungen eingestellt werden. Spezielle Eigenschaften der Filter zusammen mit der analytischen Beschreibung können genutzt werden, um schnelle und zuverlässige Steueralgorithmen zur Filtereinstellung bereitzustellen. Schließlich wurden Prototypen derartiger faseroptischen Kompensatoren von chromatischer Dispersion und Dispersions-Slope hergestellt und charakterisiert. Die Einheiten und ihr Systemverhalten wird gezeigt und diskutiert. / Over the course of the past decades, the global communication system has become a central part of people's everyday lives. Optical communication systems are the technological basis for this development. Only fibers can provide the huge bandwidth that is required. Where the fiber could be regarded as a flat channel for the first optical transmission systems wavelength multiplexing and increasing line rates made it necessary to take more and more physical effects into account. When the line rates are increased to 40 Gbit/s and higher static chromatic dispersion compensation is not enough. The modulation format's intrinsic tolerance for dispersion decreases quadratically with the symbol rate. Thus, environmentally induced chromatic dispersion fluctuations may exceed the dispersion tolerance of the modulation formats. This makes an adaptive dispersion compensation necessary implying also the need for a monitoring scheme to steer the adaptive compensator. Legacy links that are CD-compensated by DCFs can be upgraded with residual dispersion compensators to make them ready for high speed transmission. Optical compensation is independent from the line rate. Hence, increasing the data rates is inherently supported. Optical compensators can be built WDM ready compensating multiple channels at once. The book deals with optical delay line filters as one class of optical compensators. The filter synthesis of such delay line filters is addressed. The connection between optical filters and digital FIR filters with complex coefficients that are used in conjunction with coherent detection could be shown. Iterative and analytical methods that produce the coefficients for dispersion (and also dispersion slope) compensating filters are researched. As important as the compensation of dispersion is the estimation of the dispersion of a signal. Using delay line filters, the vestigial sidebands of a signal can be used to measure the dispersion. Alternatively, nonlinear detection can be used to estimate the pulse broadening which is caused mainly by dispersion. With dispersion compensation and dispersion monitoring, dispersion compensators can be adapted to the signal's impairment. Special properties of the filter in conjunction with an analytical description can be used to provide a fast and reliable control algorithm for setting the filter to a given dispersion and centering it on a signal. Finally, prototypes of such fiber optic chromatic dispersion and dispersion slope compensation filters were manufactured and characterized. The device and system characterization of the prototypes is presented and discussed.