An alternative approach to free space optical communication link

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Electronics and Communication Engineering, Izmir, 2004Includes bibliographical references (leaves: 77)Text in English; Abstract: Turkish and Englishx, 78 leavesIn recent years commercial and military interest in free-space optical (FSO) communication has been growing due to advantages of high bandwidths, portability and high security. Despite of the numerous advantages, atmospheric events such as attenuation and scintillation severely affects the link quality. Novel methods of mitigating atmospheric events have been applied. Usage of large aperture lenses and high transmitted power decreases the degradation effects, but increases the overall system cost. Fresnel lenses, as an alternative to the classical optic system for mitigating scintillation effects would be a low-cost solution. As a result of the technological improvements on output power and divergence angles of VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) high-speed cost effective FSO communication system design became possible. In this thesis commercially available FSO systems are reviewed and an alternative low-cost system relying on Fresnel lens optical unit is theoretically and experimentally investigated. The system has been tested and compared for two-day periods with various configurations under atmospheric effects. The results indicated that the Fresnel lenses perform comparably well in contrast to bulk optic lenses. Thus, the large aperture Fresnel optic unit can be deployed for better performance at the scintillation dominating situation without a penalty at the cost

A Multi-Gigabit/sec Integrated Multiple Input Multiple Output VLC Demonstrator

In this paper, we report the performance of an imaging multiple input multiple output (MIMO) visible light communication (VLC) system. The VLC transmitter consists of a two-dimensional, individually addressable Gallium Nitride micro light emitting diode (µLED) array. The receiver uses a two-dimensional avalanche photodiode (APD) array fabricated using complementary metal oxide semiconductor (CMOS). Using integrated CMOS-based LED drivers, a data rate greater than 1 Gbps was obtained at a link distance of 1 m with the system field of view (FOV) of 3.45 degree using four channels. At a reduced link distance of 0.5 m, a data rate of 7.48 Gbps was obtained using a nine channel MIMO system. This demonstrates the feasibility of compact MIMO systems which offer substantial data rates

Application of new electro-optic technology to Space Station Freedom data management system

A low risk design methodology to permit the local bus structures to support increased data carrying capacities and to speed messages and data flow between nodes or stations on the Space Station Freedom Data Management System in anticipation of growing requirements was evaluated and recommended. The recommended design employs a collateral fiber optic technique that follows a NATO avionic standard that is developed, tested, and available. Application of this process will permit a potential 25 fold increase in data transfer performance on the local wire bus network with a fiber optic network, maintaining the functionality of the low-speed bus and supporting all of the redundant transmission and fault detection capabilities designed into the existing system. The application of wavelength division multiplexing (WDM) technology to both the local data bus and global data bus segments of the Data Management System to support anticipated additional highspeed data transmission requirements was also examined. Techniques were examined to provide a dual wavelength implementation of the fiber optic collateral networks. This dual wavelength implementation would permit each local bus to support two simultaneous high-speed transfers on the same fiber optic bus structure and operate within the limits of the existing protocol standard. A second WDM study examined the use of spectral sliced technology to provide a fourfold increase in the Fiber Distributed Data Interface (FDDI) global bus networks without requiring modifications to the existing installed cable plant. Computer simulations presented indicated that this data rate improvement can be achieved with commercially available optical components

High-speed optical data transmission for detector instrumentation in particle physics

This work discusses the advantage of optical transmission utilizing wavelength-division multiplexing for the read-out of experimental data in detector instrumentation in high-energy physics, astroparticle physics or photon science. A multi-channel optical transmitter is developed as the core component on a silicon-on-insulator platform. It implements Mach-Zehnder modulators with a depletion-type pn-phase shifter in each arm, while the (de )multiplexers rely on planar concave gratings. The modulator design is expected to support a symbol rate in the range 40 GBd even with a phase shifter length of 3 mm. The development of an efficient simulation method is presented, which allows for the reliable prediction of the steady-state modulator characteristics. Furthermore, this work addresses the packaging technology for grating-coupled silicon photonic components. In particular, a fabrication and assembly process for a planar fiber-to-chip coupling using angle-polished single-mode fibers is developed. A long-term-stable coupling with a small footprint is achieved, of which the coupling efficiency is only weakly dependent on ambient conditions

A review of gallium nitride LEDs for multi-gigabit-per-second visible light data communications

The field of visible light communications (VLC) has gained significant interest over the last decade, in both fibre and free-space embodiments. In fibre systems, the availability of low cost plastic optical fibre (POF) that is compatible with visible data communications has been a key enabler. In free-space applications, the availability of hundreds of THz of the unregulated spectrum makes VLC attractive for wireless communications. This paper provides an overview of the recent developments in VLC systems based on gallium nitride (GaN) light-emitting diodes (LEDs), covering aspects from sources to systems. The state-of-the-art technology enabling bandwidth of GaN LEDs in the range of >400 MHz is explored. Furthermore, advances in key technologies, including advanced modulation, equalisation, and multiplexing that have enabled free-space VLC data rates beyond 10 Gb/s are also outlined

Coherent terabit/s communications using chip-scale optical frequency comb sources

Der Visual Networking Index (VNI) der Firma Cisco weist für den weltweiten Internetverkehr eine durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26% aus und prognostiziert 2022 einen jährliche Datenverkehr von 4,8 Zettabyte [1]. Um diesem Anstieg des Netzwerkverkehrs zu begegnen, ist die kohärente Datenübertragung in Kombination mit sogenanntem Wellenlängenmultiplex (engl. wavelength-division multiplexing, WDM) in Langstrecken-Glasfasernetzwerken zum Standard geworden. Mit der verstärkten Nutzung von Cloud-basierten Diensten, dem wachsenden Trend, Inhalte in die Nähe der Endbenutzer zu bringen, und der steigenden Anzahl angeschlossener Geräte in sog. Internet-of-Things-(IoT-)Szenarien, wird der Datenverkehr auf allen Netzebenen voraussichtlich weiter drastisch ansteigen. Daher wird erwartet, dass die WDM-Übertragung mittelfristig auch kürzere Verbindungen verwendet werden wird, die in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden als Langstreckenverbindungen und bei denen die Größe und die Kosten der Transceiver-Baugruppen daher wesentlich wichtiger sind. In diesem Zusammenhang werden optische Frequenzkammgeneratoren als kompakte und robuste Mehrwellenlängen-Lichtquellen eine wichtige Rolle spielen. Sie können sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite einer kohärenten WDM-Verbindung eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger oder Lokaloszillator-Signale liefern. Ein besonders wichtiger Vorteil der Frequenzkämme ist die Tatsache, dass die Spektrallinien von Natur aus äquidistant sind und durch nur zwei Parameter − die Mittenfrequenz und den freien Spektralbereich − definiert werden. Dadurch kann eine auf eine individuelle Frequenzüberwachung der einzelnen Träger verzichtet werden, und etwaige spektrale Schutzbänder zwischen benachbarten Kanälen können stark reduziert werden oder komplett wegfallen. Darüber hinaus erleichtert die inhärente Phasenbeziehung zwischen den Trägern eines Frequenzkamms die gemeinsame digitale Signalverarbeitung der WDM-Kanäle, was die Empfängerkomplexität reduzieren und darüber hinaus auch die Kompensation nichtlinearer Kanalstörungen ermöglichen kann. Unter den verschiedenen Kammgeneratoren sind Bauteile im Chip-Format der Schlüssel für künftige WDM-Transceiver, die eine kompakte Bauform aufweisen und sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen lassen sollen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von neuartigen Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format im Hinblick auf deren Eignung für die massiv parallele WDM-Übertragung. Diese Bauteile lassen sich nicht nur als Mehrwellenlängen-Lichtquellen auf der Senderseite einsetzen, sondern bieten sich auch als Mehrwellenlängen-Lokaloszillatoren (LO) für den parallelen kohärenten Empfang mehrerer WDM-Kanäle an. Bei den untersuchten Bauteilen handelt es sich um gütegeschaltete Laserdioden (engl. Gain-Switched Laser Diodes), modengekoppelte Laserdioden auf Basis von Quantenstrich-Strukturen (Quantum-Dash Mode-Locked Laser Diodes, QD-MLLD) und sog. Kerr-Kamm-Generatoren, die optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung in Ringresonatoren hoher Güte ausnutzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Datenübertragungsexperimenten, die die Eignung der verschiedenen Kammquellen untersuchen und die in den internationalen Fachzeitschriften Nature und Optics Express veröffentlicht wurden [J1]-[J4]. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in das Thema der optischen Datenübertragung und der zugehörigen WDM-Verfahren. In diesem Zusammenhang werden die Vorteile optischer Frequenzkämme als Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung und den WDM-Empfang erläutert. Die einige Inhalte dieses Kapitels sind dem Buchkapitel [B1] entnommen, wobei Änderungen zur Anpassung an die Struktur und Notation der vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden. In Kapitel 2 wird eine grundlegende Einführung in optische Kommunikations-systeme mit Schwerpunkt auf Hochleistungsverbindungen gegeben, die auf WDM und kohärenten Übertragungsverfahren beruhen. Außerdem wird die integrierte Optik als wichtiges technologisches Element zum Bau kostengünstiger und kompakter WDM-Transceiver vorgestellt. Das Kapitel gibt ferner einen Überblick über verschiedene optische Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format, die sich als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für solche Transceiver anbieten, und es werden grundlegende Anforderungen an optische Frequenzkammgeneratoren formuliert, die für WDM-Anwendungen relevant sind. Das Kapitel endet mit einer vergleichenden Diskussion der verschiedenen Kammgeneratoren sowie einer Zusammenfassung ausgewählter WDM-Datenübertragungsexperimente, die mit diesen Kammgeneratoren demonstriert wurden. In Kapitel 3 wird die kohärente WDM-Sendetechnik und der kohärente WDM-Empfang mit einer gütegeschalteten Laserdiode (GSLD) diskutiert. Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Versuchsaufbau, in dem der empfängerseitige Kammgenerator aktiv mit dem senderseitigen Generator synchronisiert wurde. Das Experiment stellt die weltweit erste Demonstration einer kohärenten WDM-Übertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s dar, bei dem synchronisierte Frequenzkämme als Mehrwellenlängen-Lichtquelle am Sender und als Mehrwellenlängen-LO am Empfänger verwendet werden. Kapitel 4 untersucht das Potenzial von QD-MLLD als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung. Diese Kammgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Größe und des einfachen Betriebs besonders attraktiv. Die erzeugten Kammlinien weisen jedoch ein hohes Phasenrauschen auf, das die Modulationsformate in früheren Übertragungsexperimenten auf 16QAM begrenzte. In diesem Kapitel wird gezeigt, dass QD-MLLD die WDM-Übertragung mit Modulationsformaten jenseits von 16QAM unterstützen kann, wenn eine optische Rückkopplung durch einen externen Resonator zur Reduzierung des Phasenrauschens der Kammlinien verwendet wird. In den Experimenten wird eine Reduzierung der intrinsischen Linienbreite um etwa zwei Größenordnungen demonstriert, was eine 32QAM-WDM-Übertragung ermöglicht. Die Demonstration der Datenübertragung mit einer Rate von 12 Tbit/s über eine 75 km lange Faser mit einer spektralen Netto-Effizienz von 7,5 Bit/s/Hz stellt dabei die höchste für diese Bauteile gezeigte spektrale Effizienz dar. Gegenstand von Kapitel 5 ist die WDM-Übertragung und der kohärente Empfang mit QD-MLLD vor. Die Vorteile der Skalierbarkeit von QD-MLLD für massiv parallele WDM-Verbindungen werden also nicht nur am Sender, wie in Kapitel 4 beschrieben, sondern auch am Empfänger ausgenutzt. So konnte ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 4,1 Tbit/s über eine Distanz von 75 km übertragen werden, indem ein Paar von QD-MLLD mit ähnlichen freien Spektralbereichen verwendet wurde – ein Bauteil zur Erzeugung der optischen Träger am WDM-Sender und ein weiteres Bauteil zur Bereitstellung der erforderlichen LO-Töne für den kohärenten WDM-Empfang. Kapitel 6 beschreibt WDM-Datenübertragungsexperimente mit Hilfe von Kerr-Kamm-Generatoren. Dazu werden sog. dissipative Kerr-Solitonen (engl. dissipative Kerr solitons, DKS) in integriert-optischen Mikroresonatoren genutzt, die wegen zur Erzeugung einer streng periodischen Folge ultra-kurzer optischer Impulsen im Zeitbereich und damit zu einem breitbandigen, für WDM-Systeme sehr gut geeigneten Frequenzkamm führen. Mit diesen DKS-Kämmen wird ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 55,0 Tbit/s über eine 75 km lange Faser übertragen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies die höchste Datenrate, welche mit einer chip-basierten Frequenzkammquelle erreicht wurde. Das Ergebnis zeigt das Potenzial der Kammquellen für WDM-Übertragung. Darüber hinaus wird der kohärente Empfang von 93 WDM-Kanälen mit einer Datenrate von 37,2 Tbit/s unter Verwendung eines DKS-Kamms als Multiwellenlängen-LO demonstriert; die Übertragung erfolgt über eine 75 km lange Faser. Diese Arbeiten wurde in der international renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature publiziert. Kapitel 7 fasst die Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Anwendung der diskutierten Kammgeneratoren in zukünftigen WDM-Systemen

Améliorations des transmissions VLC (Visible Light Communication) sous contrainte d'éclairage : études théoriques et expérimentations

Abstract : Indoor visible light communication (VLC) networks based on light-emitting diodes (LEDs) currently enjoy growing interest thanks in part to their robustness against interference, wide license-free available bandwidth, low cost, good energy efficiency and compatibility with existing lighting infrastructure. In this thesis, we investigate spectral-efficient modulation techniques for the physical layer of VLC to increase throughput while considering the quality of illumination as well as implementation costs. Numerical and experimental studies are performed employing pulse amplitude modulation (PAM) and carrierless amplitude and phase (CAP) modulation under illumination constraints and for high modulation orders. Furthermore, the impact of LED nonlinearity is investigated and a postdistortion technique is evaluated to compensate these nonlinear effects. Within this framework, transmission rates in the order of a few hundred Mb/s are achieved using a test bench made of low-cost components. In addition, an imaging multiple input multiple-output (MIMO) system is developed and the impact on performance of imaging lens misalignment is theoretically and numerically assessed. Finally, a polynomial matrix decomposition technique based on the classical LU factorization method is studied and applied for the first time to MIMO VLC systems in large space indoor environments.Les réseaux de communication en lumière visible (VLC) s’appuyant sur l’utilisation de diodes électroluminescentes (LED) bénéficient actuellement d’un intérêt grandissant, en partie grâce à leur robustesse face aux interférences électromagnétiques, leur large bande disponible non-régulée, leur faible coût, leur bonne efficacité énergétique, ainsi que leur compatibilité avec les infrastructures d’éclairage déjà existantes. Dans cette thèse, nous étudions des techniques de modulation à haute efficacité spectrale pour la couche physique des VLC pour augmenter les débits tout en considérant la qualité de l’éclairage ainsi que les coûts d’implémentation. Des études numériques et expérimentales sont réalisées sur la modulation d’impulsion d’amplitude (PAM) et sur la modulation d’amplitude et de phase sans porteuse (CAP) sous des contraintes d’éclairage et pour des grands ordres de modulation. De plus, l’impact des non-linéarités de la LED est étudié et une technique de post-distorsion est évaluée pour corriger ces effets non-linéaires. Dans ce cadre, des débits de plusieurs centaines de Mb/s sont atteints en utilisant un banc de test réalisé à partir de composants à bas coûts. Par ailleurs, un système multi-entrées multi-sorties (MIMO) imageant est également développé et l’impact du désaxage de l’imageur sur les performances est étudié. Finalement, une technique de décomposition polynomiale basée sur la méthode de factorisation classique LU est étudiée et appliquée aux systèmes MIMO VLC dans des grands espaces intérieurs

Directional Link Management using In-Band Full-Duplex Free Space Optical Transceivers for Aerial Nodes

Free-space optical (FSO) communication has become very popular for wireless applications to complement and, in some cases, replace legacy radio-frequency for advantages like unlicensed band, spatial reuse, and enhanced security. Even though FSO can achieve very high bit-rate (tens of Gbps), range limitation due to high attenuation and weather dependency has always restricted its practical implementation to indoor application like data centers and outdoor application like Project Loon. Building-to-building communication, smart cars, and airborne drones are potential futuristic wireless communication sectors for mobile ad-hoc FSO networking. Increasing social media usage demands high-speed mobile connectivity for applications like video call and live video stream on the go. For these scenarios, implementation of in-band full-duplex FSO (IBFD-FSO) transceivers will potentially double the network capacity to improve performance and reliability of the communication link. In this work, we focus on implementing prototypes of FSO transceivers on mobile platform using both off-the-shelf and customized components. Current goal is to implement a prototype of IBFD-FSO transceiver using VCSEL as transmitter and PIN photodiode as receiver at 900 nm wavelength. We are considering atmospheric attenuation, FSO beam propagation model, geometry, and tiling of the components to optimize the link performance while keeping the package low-cost and mobile, ensuring connectivity to mass population. Eventually, our goal is to have communication between multiple airborne drones through IBFD-FSO transceivers by discovering each other and maintaining established link. Applications of this research is not only limited to the conceived idea of smart cities, but it can also have real impact on disaster management in times of wildfire or hurricane

Visible Light Communication (VLC)

Visible light communication (VLC) using light-emitting diodes (LEDs) or laser diodes (LDs) has been envisioned as one of the key enabling technologies for 6G and Internet of Things (IoT) systems, owing to its appealing advantages, including abundant and unregulated spectrum resources, no electromagnetic interference (EMI) radiation and high security. However, despite its many advantages, VLC faces several technical challenges, such as the limited bandwidth and severe nonlinearity of opto-electronic devices, link blockage and user mobility. Therefore, significant efforts are needed from the global VLC community to develop VLC technology further. This Special Issue, “Visible Light Communication (VLC)”, provides an opportunity for global researchers to share their new ideas and cutting-edge techniques to address the above-mentioned challenges. The 16 papers published in this Special Issue represent the fascinating progress of VLC in various contexts, including general indoor and underwater scenarios, and the emerging application of machine learning/artificial intelligence (ML/AI) techniques in VLC