Transmissores-recetores de baixa complexidade para redes óticas

Traditional coherent (COH) transceivers allow encoding of information in both quadratures and the two orthogonal polarizations of the electric field. Nevertheless, such transceivers used today are based on the intradyne scheme, which requires two 90o optical hybrids and four pairs of balanced photodetectors for dual-polarization transmission systems, making its overall cost unattractive for short-reach applications. Therefore, SSB methods with DD reception, commonly referred to as self-coherent (SCOH) transceivers, can be employed as a cost-effective alternative to the traditional COH transceivers. Nevertheless, the performance of SSB systems is severely degraded. This work provides a novel SCOH transceiver architecture with improved performance for short-reach applications. In particular, the development of phase reconstruction digital signal processing (DSP) techniques, the development of other DSP subsystems that relax the hardware requirement, and their performance optimization are the main highlights of this research. The fundamental principle of the proposed transceiver is based on the reception of the signal that satisfies the minimum phase condition upon DD. To reconstruct the missing phase information imposed by DD, a novel DCValue method exploring the SSB and the DC-Value properties of the minimum phase signal is developed in this Ph.D. study. The DC-Value method facilitates the phase reconstruction process at the Nyquist sampling rate and requires a low intensity pilot signal. Also, the experimental validation of the DC-Value method was successfully carried out for short-reach optical networks. Additionally, an extensive study was performed on the DC-Value method to optimize the system performance. In the optimization process, it was found that the estimation of the CCF is an important parameter to exploit all advantages of the DC-Value method. A novel CCF estimation technique was proposed. Further, the performance of the DC-Value method is optimized employing the rate-adaptive probabilistic constellation shaping.Os sistemas de transcetores coerentes tradicionais permitem a codificação de informação em ambas quadraturas e em duas polarizações ortogonais do campo elétrico. Contudo, estes transcetores utilizados atualmente são baseados num esquema intradino, que requer dois híbridos óticos de 90o e quatro pares de foto detetores para sistemas de transmissão com polarização dupla, fazendo com que o custo destes sistemas seja pouco atrativo para aplicações de curto alcance. Por isso, métodos de banda lateral única com deteção direta, também referidos como transcetores coerentes simplificados, podem ser implementados como uma alternativa de baixo custo aos sistemas coerentes tradicionais. Contudo, o desempenho de sistemas de banda lateral única tradicionais é gravemente degradado pelo batimento sinal-sinal. Nesta tese foi desenvolvida uma nova arquitetura de transcetor coerente simplificada com um melhor desempenho para aplicações de curto alcance. Em particular, o desenvolvimento de técnicas de processamento digital de sinal para a reconstrução de fase, bem como de outros subsistemas de processamento digital de sinal que minimizem os requerimentos de hardware e a sua otimização de desempenho são o foco principal desta tese. O princípio fundamental do transcetor proposto é baseado na receção de um sinal que satisfaz a condição mínima de fase na deteção direta. Para reconstruir a informação de fase em falta causada pela deteção direta, um novo método de valor DC que explora sinais de banda lateral única e as propriedades DC da condição de fase mínima é desenvolvido nesta tese. O método de valor DC facilita a reconstrução da fase à frequência de amostragem de Nyquist e requer um sinal piloto de baixa intensidade. Além disso, a validação experimental do método de valor DC foi executada com sucesso em ligações óticas de curto alcance. Adicionalmente, foi realizado um estudo intensivo do método de valor DC para otimizar o desempenho do sistema. Neste processo de otimização, verificou-se que o fator de contribuição da portadora é um parâmetro importante para explorar todas as vantagens do método de valor DC. Neste contexto, é proposto um novo método para a sua estimativa. Por último, o desempenho do método de valor DC é otimizado recorrendo a mapeamento probabilístico de constelação com taxa adaptativa.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Spectral Properties of Phase Noises and the Impact on the Performance of Optical Interconnects

The non-ending growth of data traffic resulting from the continuing emergence of Internet applications with high data-rate demands sets huge capacity requirements on optical interconnects and transport networks. This requires the adoption of optical communication technologies that can make the best possible use of the available bandwidths of electronic and electro-optic components to enable data transmission with high spectral efficiency (SE). Therefore, advanced modulation formats are required to be used in conjunction with energy-efficient and cost-effective transceiver schemes, especially for medium- and short-reach applications. Important challenges facing these goals are the stringent requirements on the characteristics of optical components comprising these systems, especially laser sources. Laser phase noise is one of the most important performance-limiting factors in systems with high spectral efficiency. In this research work, we study the effects of the spectral characteristics of laser phase noise on the characterization of lasers and their impact on the performance of digital coherent and self-coherent optical communication schemes. The results of this study show that the commonly-used metric to estimate the impact of laser phase noise on the performance, laser linewidth, is not reliable for all types of lasers. Instead, we propose a Lorentzian-equivalent linewidth as a general characterization parameter for laser phase noise to assess phase noise-related system performance. Practical aspects of determining the proposed parameter are also studied and its accuracy is validated by both numerical and experimental demonstrations. Furthermore, we study the phase noises in quantum-dot mode-locked lasers (QD-MLLs) and assess the feasibility of employing these devices in coherent applications at relatively low symbol rates with high SE. A novel multi-heterodyne scheme for characterizing the phase noise of laser frequency comb sources is also proposed and validated by experimental results with the QD-MLL. This proposed scheme is capable of measuring the differential phase noise between multiple spectral lines instantaneously by a single measurement. Moreover, we also propose an energy-efficient and cost-effective transmission scheme based on direct detection of field-modulated optical signals with advanced modulation formats, allowing for higher SE compared to the current pulse-amplitude modulation schemes. The proposed system combines the Kramers-Kronig self-coherent receiver technique, with the use of QD-MLLs, to transmit multi-channel optical signals using a single diode laser source without the use of the additional RF or optical components required by traditional techniques. Semi-numerical simulations based on experimentally captured waveforms from practical lasers show that the proposed system can be used even for metro scale applications. Finally, we study the properties of phase and intensity noise changes in unmodulated optical signals passing through saturated semiconductor optical amplifiers for intensity noise reduction. We report, for the first time, on the effect of phase noise enhancement that cannot be assessed or observed by traditional linewidth measurements. We demonstrate the impact of this phase noise enhancement on coherent transmission performance by both semi-numerical simulations and experimental validation

Next-generation High-Capacity Communications with High Flexibility, Efficiency, and Reliability

The objective of this dissertation is to address the flexibility, efficiency and reliability in high-capacity heterogeneous communication systems. We will experimentally investigate the shaping techniques, and further extend them to more diverse and complicated scenarios, which result in more flexible systems. The scenarios include 1) entropy allocation scheme under uneven frequency response for multi-carrier system, 2) fiber-free space optics link using unipolar pairwise distribution, and 3) flexible rate passive optical network with a wide range of received optical powers. Next, we perform efficiency analysis in inter-data center and long-haul communications. We will characterize the impact of the laser linewidth, jitter tones, and the flicker noise on coherent systems with different baud rates and fiber lengths through theoretical analysis, simulation, and experimental validation. The trade-off analysis indicates the importance of setting up frequency noise power spectral density masks to qualify the transceiver laser design. Besides efficiency analysis, we will also work on efficient system architecture and algorithm design. We investigate the combined impact of various hardware impairments using proposed simplified DSP schemes in beyond 800G self-homodyne coherent system. The proposed scheme is very promising for next-generation intra-data center applications. On the other hand, to improve the data efficiency of the nonlinearity correction algorithm in broadband communication systems, we leverage the semi-supervised method and Lasso. Experimental results validate that Lasso can reduce the required pilot symbol number by exploiting the sparsity of the tap coefficients. Semi-supervised method can further enhance the system performance without introducing additional overhead. Last but not least, regarding reliability, we propose and experimentally demonstrate an ultra-reliable integrated millimeter wave and free space optics analog radio over fiber system with algorithm design. The multiple-spectra operation shows superior performance in reliability and sensitivity compared to the conventional systems, even in extreme weather conditions and strong burst interference.Ph.D

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

Optical Switching for Scalable Data Centre Networks

This thesis explores the use of wavelength tuneable transmitters and control systems within the context of scalable, optically switched data centre networks. Modern data centres require innovative networking solutions to meet their growing power, bandwidth, and scalability requirements. Wavelength routed optical burst switching (WROBS) can meet these demands by applying agile wavelength tuneable transmitters at the edge of a passive network fabric. Through experimental investigation of an example WROBS network, the transmitter is shown to determine system performance, and must support ultra-fast switching as well as power efficient transmission. This thesis describes an intelligent optical transmitter capable of wideband sub-nanosecond wavelength switching and low-loss modulation. A regression optimiser is introduced that applies frequency-domain feedback to automatically enable fast tuneable laser reconfiguration. Through simulation and experiment, the optimised laser is shown to support 122×50 GHz channels, switching in less than 10 ns. The laser is deployed as a component within a new wavelength tuneable source (WTS) composed of two time-interleaved tuneable lasers and two semiconductor optical amplifiers. Switching over 6.05 THz is demonstrated, with stable switch times of 547 ps, a record result. The WTS scales well in terms of chip-space and bandwidth, constituting the first demonstration of scalable, sub-nanosecond optical switching. The power efficiency of the intelligent optical transmitter is further improved by introduction of a novel low-loss split-carrier modulator. The design is evaluated using 112 Gb/s/λ intensity modulated, direct-detection signals and a single-ended photodiode receiver. The split-carrier transmitter is shown to achieve hard decision forward error correction ready performance after 2 km of transmission using a laser output power of just 0 dBm; a 5.2 dB improvement over the conventional transmitter. The results achieved in the course of this research allow for ultra-fast, wideband, intelligent optical transmitters that can be applied in the design of all-optical data centres for power efficient, scalable networking

Digital Compensation of Transmission Impairments in Multi-Subcarrier Fiber Optic Transmission Systems

Time and again, fiber optic medium has proved to be the best means for transporting global data traffic which is following an exponential growth trajectory. Rapid development of high bandwidth applications since the past decade based on cloud, virtual reality, 5G and big data to name a few have resulted in a sudden surge of research activities across the globe to maximize effective utilization of available fiber bandwidth which until then was supporting low speed (< 10Gbps) services. To this end, higher order modulation formats together with multicarrier super channel based fiber optic transmission systems have proved to enhance spectral efficiency and achieve multi tera-bit per second bit rates. However, spectrally efficient systems are extremely sensitive to transmission impairments stemming from both optical devices and fiber itself. Therefore, such systems mandate the use of robust digital signal processing (DSP) to compensate and/or mitigate the undesired artifacts. The central theme of this research is to propose and validate few efficient DSP techniques to compensate specific impairments as delineated in the next three paragraphs. For short reach data center and passive optical network related applications which adopt direct detection, a single optical amplifier is generally used to meet the power budget requirements in order to achieve the desired receiver sensitivity or bit error ratio (BER). Semiconductor Optical Amplifier (SOA) with its small form factor is a low-cost power booster that can be designed to operate in any desired wavelength and more importantly can be integrated with other electro-optic components. However, saturated SOAs exhibit nonlinear amplification that introduce distortions on the amplified signal. Alongside SOA, the photodiode also introduces nonlinear mixing among the signal subcarriers in the form of Signal-Signal Beat Interference (SSBI). In this research, we study the impact of SOA nonlinearity on the effectiveness of SSBI compensation in a direct detection OFDM based transmission system. We experimentally demonstrate a digital compensation technique to undo the SOA nonlinearity effect by digitally backpropagating the received signal through a virtual SOA with inverse gain characteristics, thereby effectively eliminating the SSBI. With respect to transmission sources, laser technology has made some significant strides especially in the domain of multiwavelength sources such as quantum dot passive mode-locked laser (QD-PMLL) based optical frequency combs. In the present research work, we characterize the phase dynamics of comb lines from a QD-PMLL based on a novel multiheterodyne coherent detection technique. The inherently broad linewidth of comb lines which is on the order of tens of MHz make it difficult for conventional digital phase noise compensation algorithms to track the large phase noise especially for low baud rate subcarriers using higher cardinality modulation formats. In the context of multi-subcarrier, Nyquist pulse shaped, superchannel transmission system with coherent detection, we demonstrate through measurements and numerical simulations an efficient phase noise compensation technique called “Digital Mixing” that operates using a shared pilot tone exploiting mutual phase coherence among the comb lines. For QPSK and 16 QAM modulation formats, digital mixing provided significant improvement in BER performance in comparison to conventional phase tracking algorithms. Coherent solutions for regional and long haul systems make use of in-line optical amplifiers to compensate fiber loss. Ideally, distributed amplification based on stimulated Raman effect offers enhanced optical signal to noise ratios (OSNR) compared to lumped amplification using erbium doped fiber amplifiers and semiconductor optical amplifiers. However, this benefit of enhanced OSNRs in distributed Raman amplification is offset by the transfer of intensity noise of pump laser on to both signal’s phase and intensity, resulting in performance degradation. In this work, we propose and experimentally validate a practical pilot aided relative phase noise compensation technique for forward pumped distributed Raman amplified, digital subcarrier multiplexed coherent transmission systems