In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Systemtoleranz optischer Übertragungssysteme theoretisch analysiert, durch numerische Simulationen untersucht und in Experimenten und Feldversuchen praktisch überprüft. Der Schwerpunkt lag dabei auf empfängerseitigen elektronischen sowie optischen Entzerrern. Diese Entzerrer verbessern die Signalübertragung, in dem sie die Augenöffnung des Signals am Empfänger vergrößern oder in dem sie durch digitale Logikschaltungen das gesendete Signal aus einem gestörten Signal rekonstruieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch auf der Untersuchung der Entzerrer auf Systemebene, d.h. es wird das Verhalten in einem kompletten optischen Übertragungssystem bestehend aus Sender, Glasfaserstrecke und Empfänger bewertet. Zur Untersuchung wurde eine Simulationsumgebung in der Programmiersprache FORTRAN erstellt, in der die unterschiedlichen Entzerrer in verschiedenen Netz-Szenarien untersucht wurden. Zur praktischen Untersuchung wurde außerdem eine Testumgebung im verlegten Glasfasernetz aufgebaut und eine Realisierung eines Entzerrers experimentell untersucht. / In this thesis, several methods for the enhancement of the tolerance of optical transmission systems are analyzed theoretically, investigated in numerical simulations and evaluated in experiments and field trials. The investigations were thereby focused on receiver sided electronic and optical equalizers. Those devices improve the signal transmission by increasing the eye-opening at the receiver or by reconstructing the original signal from the distorted received signal by the use of digital signal processing. However, this thesis is focused on the investigation of different equalizers on a system level where the performance of a complete transmission system consisting of a transmitter, transmission fiber and receiver is evaluated. For those studies a simulation environment was created using the programming language FORTRAN where the different equalizers were evaluated in different network scenarios. For practical investigations, a test environment was created using the deployed fiber infrastructure and specific equalizer realization were evaluated experimentally.

In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Systemtoleranz optischer Übertragungssysteme theoretisch analysiert, durch numerische Simulationen untersucht und in Experimenten und Feldversuchen praktisch überprüft. Der Schwerpunkt lag dabei auf empfängerseitigen elektronischen sowie optischen Entzerrern. Diese Entzerrer verbessern die Signalübertragung, in dem sie die Augenöffnung des Signals am Empfänger vergrößern oder in dem sie durch digitale Logikschaltungen das gesendete Signal aus einem gestörten Signal rekonstruieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch auf der Untersuchung der Entzerrer auf Systemebene, d.h. es wird das Verhalten in einem kompletten optischen Übertragungssystem bestehend aus Sender, Glasfaserstrecke und Empfänger bewertet. Zur Untersuchung wurde eine Simulationsumgebung in der Programmiersprache FORTRAN erstellt, in der die unterschiedlichen Entzerrer in verschiedenen Netz-Szenarien untersucht wurden. Zur praktischen Untersuchung wurde außerdem eine Testumgebung im verlegten Glasfasernetz aufgebaut und eine Realisierung eines Entzerrers experimentell untersucht.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundaufbau und Komponenten optischer Übertragungssysteme 3 2.1 Optische Sender 4 2.2 Das Übertragungsmedium Glasfaser 9 2.3 Optische Faserverstärker 22 2.4 Optische Empfänger und Signalauswertung 24 3 Filterstrukturen und Polynomsysteme 29 3.1 Digitalfilter 29 3.2 Optische Filter 30 3.3 Volterra-Systeme 33 4 Elektronische Entzerrung zur Erhöhung der Systemtoleranz 35 4.1 Klassische Entzerrer 35 4.2 Nichtlineare Entzerrer basierend auf Volterra-Systemen 41 4.3 Maximum Likelihood Sequence Estimation 45 5 Optische Entzerrung und Kompensation 49 5.1 Dispersionskompensationsfasern 49 5.2 Optische FIR-Filter 50 6 Entzerrung in unkompensierten Übertragungssystemen 61 6.1 Prinzipieller Vergleich der Entzerrer bei linearer Übertragung 61 6.2 Entzerrung unter Berücksichtigung nichtlinearer Fasereffekte 78 7 Entzerrung in dispersionskompensierten Übertragungssystemen 87 7.1 Ausgleich einer DCF-Fehlanpassung 87 7.2 Entzerrung von Restdispersion 93 8 Gleichzeitige Entzerrung mehrerer Fasereffekte 97 8.1 Simulation der Entzerrung durch MLSE-Entzerrer 97 8.2 Experimentelle Untersuchung von MLSE-Entzerrern im Feldversuch 99 9 Alternative Verfahren zur Erhöhung der Systemtoleranz 113 9.1 Optisches Subcarrier-Multiplexing 113 9.2 Gezielter Austausch von Glasfasern mit hoher PMD 117 10 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 121 Literaturverzeichnis 123 Verzeichnis der im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Veröffentlichungen 133 Anhang A 137 Anhang B 138 / In this thesis, several methods for the enhancement of the tolerance of optical transmission systems are analyzed theoretically, investigated in numerical simulations and evaluated in experiments and field trials. The investigations were thereby focused on receiver sided electronic and optical equalizers. Those devices improve the signal transmission by increasing the eye-opening at the receiver or by reconstructing the original signal from the distorted received signal by the use of digital signal processing. However, this thesis is focused on the investigation of different equalizers on a system level where the performance of a complete transmission system consisting of a transmitter, transmission fiber and receiver is evaluated. For those studies a simulation environment was created using the programming language FORTRAN where the different equalizers were evaluated in different network scenarios. For practical investigations, a test environment was created using the deployed fiber infrastructure and specific equalizer realization were evaluated experimentally.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundaufbau und Komponenten optischer Übertragungssysteme 3 2.1 Optische Sender 4 2.2 Das Übertragungsmedium Glasfaser 9 2.3 Optische Faserverstärker 22 2.4 Optische Empfänger und Signalauswertung 24 3 Filterstrukturen und Polynomsysteme 29 3.1 Digitalfilter 29 3.2 Optische Filter 30 3.3 Volterra-Systeme 33 4 Elektronische Entzerrung zur Erhöhung der Systemtoleranz 35 4.1 Klassische Entzerrer 35 4.2 Nichtlineare Entzerrer basierend auf Volterra-Systemen 41 4.3 Maximum Likelihood Sequence Estimation 45 5 Optische Entzerrung und Kompensation 49 5.1 Dispersionskompensationsfasern 49 5.2 Optische FIR-Filter 50 6 Entzerrung in unkompensierten Übertragungssystemen 61 6.1 Prinzipieller Vergleich der Entzerrer bei linearer Übertragung 61 6.2 Entzerrung unter Berücksichtigung nichtlinearer Fasereffekte 78 7 Entzerrung in dispersionskompensierten Übertragungssystemen 87 7.1 Ausgleich einer DCF-Fehlanpassung 87 7.2 Entzerrung von Restdispersion 93 8 Gleichzeitige Entzerrung mehrerer Fasereffekte 97 8.1 Simulation der Entzerrung durch MLSE-Entzerrer 97 8.2 Experimentelle Untersuchung von MLSE-Entzerrern im Feldversuch 99 9 Alternative Verfahren zur Erhöhung der Systemtoleranz 113 9.1 Optisches Subcarrier-Multiplexing 113 9.2 Gezielter Austausch von Glasfasern mit hoher PMD 117 10 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 121 Literaturverzeichnis 123 Verzeichnis der im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Veröffentlichungen 133 Anhang A 137 Anhang B 138

Ultrasonic guided wave imaging methods offer a cost-effective mechanism to perform in situ structural health monitoring (SHM) of large plate-like structures, such as commercial aircraft skins, ship hulls, storage tanks, and civil structures. However, current limits in imaging quality, environmental sensitivities, and implementation costs, among other things, are preventing widespread commercial adoption. The research presented here significantly advances state of the art guided wave imaging techniques using inexpensive, spatially distributed arrays of piezoelectric transducers. Novel adaptive imaging techniques are combined with in situ estimation and compensation of propagation parameters; e.g., dispersion curves and transducer transfer functions, to reduce sensitivity to unavoidable measurement inaccuracies and significantly improve resolution and reduce artifacts in guided wave images. The techniques can be used not only to detect and locate defects or damage, but also to characterize the type of damage. The improved ability to detect, locate, and now characterize defects or damage using a sparse array of ultrasonic transducers is intended to assist in the establishment of in situ guided wave imaging as a technically and economically viable tool for long-term monitoring of plate-like engineering structures.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Igor da Silva Ramos.pdf: 1622777 bytes, checksum: 186a77eaabf846baf8466f41da580a23 (MD5) Previous issue date: 2009-02-03 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / This work studies, through systemic modeling a microstructured optical fiber used in a module for dispersion compensation and Raman amplification for optical communication systems. The use of this device compensates the dispersion in a range of frequencies not covered by conventional dispersion compensating fibers and, simultaneously, amplifies the signal in order to reach longer transmission distances. In particular, dispersion compensation and amplification is demonstrated in the O Band (1260 nm up to 1360 nm) for systems operating at 10 and 40 Gbps. For this purpose, the parameters of a real microstructured optical fiber model are used in the VPI TransmissionMaker numerical simulation software through which is possible to evaluate the performance of the device. The performance evaluation is carried out through Bit Error Rate (BER) as a function of link distance and transmission channel wavelength. / Este trabalho estuda através de modelamento sistêmico, uma fibra óptica microestruturada utilizada em um módulo de compensação de dispersão e amplificação Raman de sistemas ópticos. O uso deste dispositivo compensa a dispersão em faixas de freqüência não cobertas por fibras de compensação de dispersão convencionais e simultaneamente amplifica o sinal a fim de permitir maiores distâncias de transmissão. Em particular, compensação de dispersão e amplificação são demonstradas na banda O (1260 nm a 1360 nm) para sistemas operando a taxas de 10 e 40 Gbps. Para isso, são utilizadas as características de um modelo de fibra microestruturada real no software de simulação numérica VPI TransmissionMaker por meio do qual é possível avaliar o desempenho deste dispositivo. A avaliação de desempenho é feita através de curvas de taxa de erro de bits (BER, do inglês Bit Error Rate) em função do comprimento do enlace e comprimento de onda do canal de transmissão.

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.

Broadband spectral content is required to support ultrashort pulses. However this broadband content is subject to dispersion and hence the pulse duration of corresponding ultrashort pulses may be stretched accordingly. I used a commercially-available adaptive ultrashort pulse shaper featuring multiphoton intrapulse interference phase scan technology to characterise and compensate for the dispersion of the optical system in situ and conducted experimental and theoretical studies in various inter-linked topics relating to the light-matter interaction. Firstly, I examined the role of broadband ultrashort pulses in novel light-matter interacting systems involving optically co-trapped particle systems in which inter-particle light scattering occurs between optically-bound particles. Secondly, I delivered dispersion-compensated broadband ultrashort pulses in a dispersive microscope system to investigate the role of pulse duration in a biological light-matter interaction involving laser-induced cell membrane permeabilisation through linear and nonlinear optical absorption. Finally, I examined some of the propagation characteristics of broadband ultrashort pulse propagation using a computer-controlled spatial light modulator. The propagation characteristics of ultrashort pulses is of paramount importance for defining the light-matter interaction in systems. The ability to control ultrashort pulse propagation by using adaptive dispersion compensation enables chirp-free ultrashort pulses to be used in experiments requiring the shortest possible pulses for a specified spectral bandwidth. Ultrashort pulsed beams may be configured to provide high peak intensities over long propagation lengths, for example, using novel beam shapes such as Bessel-type beams, which has applications in biological light-matter interactions including phototransfection based on laser-induced cell membrane permeabilisation. The need for precise positioning of the beam focus on the cell membrane becomes less strenuous by virtue of the spatial properties of the Bessel beam. Dispersion compensation can be used to control the temporal properties of ultrashort pulses thus permitting, for example, a high peak intensity to be maintained along the length of a Bessel beam, thereby reducing the pulse energy required to permeabilise the cell membrane and potentially reduce damage therein.