Modelling the dynamic behaviour of broadband LEDs for optical communication / Modellierung des dynamischen Verhaltens breitbandiger LEDs für den Einsatz als Sender in der optischen Datenübertragung

Light-emitting diodes (LEDs) are an attractive alternative to lasers for the use as transmitters in optical short-range communications. They are cost-effective and robust against environmental conditions such as varying ambient temperatures. However, in order to be able to maximize the data rate of an LED-based transmission system, detailed knowledge about the signal distortions caused by the electro-optical (E/O) conversion of the LED is required. When spectrally efficient modulation formats, such as multilevel pulse amplitude modulation (M -PAM), are used, nonlinear signal distortions have a particular importance. With the knowledge about these signal distortions, modulation formats or signal equalizers could be optimized for the LED-based communication channel. In this thesis, a system-theoretic description of the LED is derived, which is based on a well accepted physical device model and which is capable of predicting linear and nonlinear signal distortions occuring in the E/O conversion of the LED. The verification is done using lab measurements of real LEDs. It is shown that second-order nonlinearities are dominant and that these nonlinearities are strongly dependent on the modulation frequency. As an exemplary application, it is shown that based on the derived mathematical description of the LED, a system inverse may be derived which may be used for signal equalization and is capable of equalizing linear signal distortions as well as frequency dependent second-order nonlinear signal distortions caused by the LED. Accordingly, it is shown that the performance of an LED-based communication system may be significantly improved with such an equalizer, compared to equalization of linear signal distortions only. / Leuchtdioden (LEDs) sind als Sender in der optischen Kurzstreckenkommunikation eine attraktive Alternative zu Lasern. Sie sind preisgünstig und robust gegenüber äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Änderungen der Umgebungstemperatur. Um die Datenrate einer LED-basierten Übertragungsstrecke maximieren zu können, ist jedoch ein genaues Verständnis der durch die elektro-optische (E/O) Wandlung der LED hervorgerufenen Signalverzerrungen vonnöten. Bei der Nutzung von spektral effizienten Modulationsverfahren, wie beispielsweise mehrstufiger Puls-Amplituden-Modulation (M -PAM), kommt hierbei den nichtlinearen Signalverzerrungen eine besondere Bedeutung zu. Mithilfe der Kenntnis dieser Signalverzerrungen können beispielsweise Modulationsverfahren oder Signalentzerrer für die LED-basierte Übertragungsstrecke optimiert werden. In dieser Arbeit wird basierend auf einem anerkannten physikalischen Modell eine systemtheoretische Beschreibung der LED hergeleitet, welche die Vorhersage von linearen und nichtlinearen Signalverzerrungen der E/O-Wandlung der LED erlaubt. Die Verifikation erfolgt mit Hilfe von Messungen an realen LEDs. Es wird dabei gezeigt, dass Nichtlinearitäten zweiter Ordnung dominieren und dass diese wiederum stark abhängig sind von der Modulationsfrequenz. Als exemplarische Anwendung dieser LED-Beschreibung wird abschließend gezeigt, dass mithilfe einer darauf basierenden Systeminversen ein an die LED-Übertragung angepasster Signalentzerrer definiert werden kann, welcher imstande ist, lineare Signalverzerrungen und frequenzabhängige nichtlineare Signalverzerrungen zweiter Ordnung zu kompensieren. Entsprechend wird gezeigt, dass damit die Performance der LED-basierten Datenübertragung gegenüber einer alleinigen Kompensation von linearen Signalverzerrungen signifikant verbessert werden kann.