Advanced DSP Techniques for High-Capacity and Energy-Efficient Optical Fiber Communications

The rapid proliferation of the Internet has been driving communication networks closer and closer to their limits, while available bandwidth is disappearing due to an ever-increasing network load. Over the past decade, optical fiber communication technology has increased per fiber data rate from 10 Tb/s to exceeding 10 Pb/s. The major explosion came after the maturity of coherent detection and advanced digital signal processing (DSP). DSP has played a critical role in accommodating channel impairments mitigation, enabling advanced modulation formats for spectral efficiency transmission and realizing flexible bandwidth. This book aims to explore novel, advanced DSP techniques to enable multi-Tb/s/channel optical transmission to address pressing bandwidth and power-efficiency demands. It provides state-of-the-art advances and future perspectives of DSP as well

Characterization and design of coherent optical OFDM transmission systems based on Hartley Transform

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement.Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red.Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa

Advanced Technique and Future Perspective for Next Generation Optical Fiber Communications

Optical fiber communication industry has gained unprecedented opportunities and achieved rapid progress in recent years. However, with the increase of data transmission volume and the enhancement of transmission demand, the optical communication field still needs to be upgraded to better meet the challenges in the future development. Artificial intelligence technology in optical communication and optical network is still in its infancy, but the existing achievements show great application potential. In the future, with the further development of artificial intelligence technology, AI algorithms combining channel characteristics and physical properties will shine in optical communication. This reprint introduces some recent advances in optical fiber communication and optical network, and provides alternative directions for the development of the next generation optical fiber communication technology

Experimental investigation of adaptive flexible digital signal processing for hybrid modulation formats

In today’s world, the Internet has become an indispensable part of almost every aspect of life. In the private sector, more and more Internet-enabled mobile devices such as laptops, cell phones or tablets are being used. In the last few years, the daily way of life has changed. What a decade ago was still determined by analog television is today influenced by digital media. In addition to the requirements of mobile radio, the demands on the optical transmission systems behind it are growing in equal measure. Multi-stage modulation formats such as polarization multiplexing or quadrature amplitude modulation are already increasingly being used in optical transmissions. When considering ways to increase transmission rates, greater attention must be paid to linear and nonlinear interference as well as interference from imperfect components in optical systems. These limiting effects are given special attention in this thesis. The focus of this work is on the one hand on increasing the channel rate by modern digital signal processing and on the other hand on high-quality modulation formats in different optical transmission systems. In addition, this thesis discusses the possibility to design the data rate adaptively under given transmission conditions in dual polarization networks with wavelength division multiplexing. This is a prerequisite for supporting modern concepts determined by software. The goal of the research activity on which this work is based is to be able to design the data rate adaptively in coherent wavelength division multiplexing networks with a dense grid of less than 50 GHz. The main focus is on the investigation, optimization and experimental implementation of hybrid modulation and its digital signal processing in transmitter and receiver. Among other concepts, hybrid modulation offers a central abstraction possibility by allowing the individual data streams to be modulated independently of each other. Furthermore, this thesis shows that already common concepts of digital signal processing are applicable to hybrid modulation. The developed concept was realized by a WDM scenario with a channel spacing of 37.5 GHz and investigated in simulations and experiments. A numerical model for the investigation of glass fibers under birefringence was realized with the implementation and optimization of the solution to the Manakov-PMD equation by the split-step method. This work also performs important aspects of general digital signal processing.In der heutigen Zeit ist das Internet aus fast keinem Lebensbereich mehr wegzudenken. Im Privatbereich finden immer mehr internetfähige Mobilgeräte wie Laptops, Mobiltelefone oder Tablets ihren Einsatz. In den letzten Jahren hat sich die tägliche Lebensgestaltung verändert. Was vor einem Jahrzehnt noch durch analoges Fernsehen bestimmt wurde, wird heute durch digitale Medien beeinflusst. Neben den Anforderungen des Mobilfunks wachsen gleichermaßen die Anforderungen an die dahinterliegenden optischen Übertragungssysteme. In der optischen Nachrichtenübertragung kommen bereits verstärkt mehrstufige Modulationsformate wie dem Polarisationsmultiplexing oder der Quadraturamplitudenmodulation zum Einsatz. Bei den Überlegungen zur Erhöhung der Übertragungsraten muss sich verstärkt mit den linearen und nichtlinearen Störungen, sowie den Störungen imperfekter Bauteile in optischen Systemen beschäftigt werden. Diese limitierenden Effekte werden in dieser Arbeit mit besonderer Aufmerksamkeit betrachtet. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich zum einen auf die Erhöhung der Kanalrate durch moderne digitale Signalverarbeitung und zum anderen auf hochwertige Modulationsformate in unterschiedlichen optischen Übertragungssystemen. Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Möglichkeit intensiv diskutiert, bei gegebenen Übertragungsbedingungen in Dual- Polarisations-Netzen mit Wellenlängenmultiplex, die Datenrate adaptiv zu gestalten. Dies ist Voraussetzung, um moderne durch Software bestimmte Konzepte zu unterstützen. Das Ziel der für diese Ausarbeitung zugrundeliegenden Forschungstätigkeit ist es, in kohärenten WDM-Netzen mit dichtem Raster von weniger als 50 GHz, die Datenrate adaptiv gestalten zu können. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Untersuchung, Optimierung und experimentellen Umsetzung der hybriden Modulation und deren digitalen Signalverarbeitung im Sender wie Empfänger. Die hybride Modulation bietet neben anderen Konzepten eine zentrale Abstraktionsmöglichkeit, indem die einzelnen Datenströme unabhängig voneinander moduliert werden können. Außerdem zeigt diese Arbeit, dass bereits gängige Konzepte der digitalen Signalverarbeitung auf eine hybride Modulation anwendbar sind. Das erstellte Konzept wurde durch ein WDM-Szenario mit einem Kanalabstand von 37,5 GHz realisiert und in Simulationen sowie Experimenten untersucht. Realisiert wurde ein numerisches Modell zur Untersuchung von Glasfasern bei Doppelbrechung mit der Umsetzung und Optimierung der Lösung zur Manakov-PMD-Gleichung durch die Split-Step-Methode. Diese Arbeit führt desWeiteren wichtige Aspekte der generellen digitalen Signalverarbeitung aus