Verbesserung der Übertragungseigenschaften sehr schneller, optischer Kommunikationssysteme für die Kurzstrecke unter Nutzung von Bandbreitenerweiterung und fortgeschrittener digitaler Signalverarbeitung

High-speed short-range optical links are a key technology for data center applications. Today, they enable the transmission of huge amounts of information in a cost and energy efficient way and are typically based on simple optics and on-off keying modulation. In order to meet the world-wide increasing demand on transmission capacity for these optical links, new approaches are required to improve the currently achievable capacity. In this thesis two strategies are discussed. The first one utilizes a bandwidth extension concept based on analog mixing to increase the signal bandwidth beyond the limits of today’s signal generators. The second one investigates the application of linear and nonlinear pre-equalization for vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) based links. The bandwidth extension concept is experimentally investigated for a high-speed optical link based on intensity modulation (IM) and direct detection (DD). The achieved transmission rates are well beyond 100 Gb/s showing the feasibility of such an approach. The thesis further includes a detailed investigation of the relevant components, the suitability of different modulation formats and the use of digital signal processing (DSP) to compensate for the system impairments such as inter-symbol interference and in-phase and quadrature (I/Q) imbalance. Furthermore, the demonstration of a wideband digital-analog converter based on this concept is shown. DSP will be one major aspect for future high-speed short-range optical links, enabled by the ever decreasing cost of application-specific integrated circuits (ASIC). Optical links using VCSELs, with their typically non-ideal characteristics, benefit especially from enhanced equalization schemes, which enable an error free transmission at higher symbol rates and the use of higher order modulation formats. Linear and nonlinear pre-equalization are two options to achieve this goal. In this work an optimized linear pre-equalization approach is utilized to demonstrate record high transmission rates for a VCSEL-based IM/DD link. Furthermore, the influence of using a nonlinear pre-equalizer on the system performance is investigated and compared to pure linear pre-equalization.Schnelle optische Übertragungssysteme für die Kurzstrecke sind eine Schlüsseltechnologie für Anwendungen im Data-Center. Heutzutage ermöglichen solche Systeme den kostengünstigen und energieeffizienten Transport großer Datenmengen unter Nutzung einfache optischer Komponenten und On-Off Modulation. Durch den weltweit weiterwachsenden Bedarf an Übertragungskapazität für diese Systeme, sind aber neue Ansätze zu Erhöhung der Kapazität gefordert. Zwei unterschiedliche Lösungswegen werden in dieser Arbeit diskutiert. Der erste Ansatz ist ein Konzept zur Bandbreitenerweiterung, basierend auf analoger Mischung, um Signalbandbreiten jenseits der Möglichkeiten heutiger Signalgeneratoren zu erzeugen. Der zweite Ansatz untersucht die Verwendung von linearer und nichtlinearer Vorverzerrung für optische Systeme mit vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL). Das Konzept zur Bandbreitenerweiterung wird experimentell an einem optischen Hochgeschwindigkeits-Übertragungssystem, basierend auf Intensitätsmodulation und direkter Detektion, untersucht. Die erreichbaren Übertragungsraten liegen dabei deutlich über 100 Gb/s und verifizieren so das Konzept. Weiterhin sind die relevanten Komponenten, unterschiedliche Modulationsformate und die Verwendung digitaler Signalverarbeitung (DSP) Teil der Untersuchung. Bei der DSP stehen die Kompensation von Inter-Symbol-Interferenz (ISI) und in-phase/quadrature Ungleichgewicht im Fokus. Die Realisierung eines digital-analog Wandlers basierend auf dem Konzept der Bandbreitenerweiterung ist zudem Teil der Arbeit und wird im Detail diskutiert. Die intensive Verwendung von DSP ist eines der wichtigsten Merkmale zukünftiger optischer Kurzstreckensystem für Datenrate jenseits 100 Gb/s. Dies wird unter anderem durch den Einsatz kostengünstiger application-specific integrated circuits (ASIC) ermöglicht. Optische Übertragungssysteme mit VCSELn profitieren besonders von fortgeschrittener DSP, um das nicht-ideale Verhalten der Laser zu kompensieren. Diese DSP ermöglicht eine fehlerfreie Übertragung selbst bei der Verwendung höherer Modulationsformate und sehr schnelle Symbolraten. Die lineare und die nichtlineare Vorverzerrung sind dabei zwei Realisierungsmöglichkeiten der DSP In dieser Arbeit wird eine optimierte lineare Vorverzerrung für einen für einen VCSEL basiertes System vorgestellt und Datenraten jenseits des State-of-the-Art demonstriert. Weiterhin wird der Einfluss nichtlinearer Vorverzerrung auf das Übertragungsverhalten näher untersucht und mit der reinen linearen Vorverzerrung verglichen