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

Convergence of millimeter-wave and photonic interconnect systems for very-high-throughput digital communication applications

In the past, radio-frequency signals were commonly used for low-speed wireless electronic systems, and optical signals were used for multi-gigabit wired communication systems. However, as the emergence of new millimeter-wave technology introduces multi-gigabit transmission over a wireless radio-frequency channel, the borderline between radio-frequency and optical systems becomes blurred. As a result, there come ample opportunities to design and develop next-generation broadband systems to combine the advantages of these two technologies to overcome inherent limitations of various broadband end-to-end interconnect systems in signal generation, recovery, synchronization, and so on. For the transmission distances of a few centimeters to thousands of kilometers, the convergence of radio-frequency electronics and optics to build radio-over-fiber systems ushers in a new era of research for the upcoming very-high-throughput broadband services. Radio-over-fiber systems are believed to be the most promising solution to the backhaul transmission of the millimeter-wave wireless access networks, especially for the license-free, very-high-throughput 60-GHz band. Adopting radio-over-fiber systems in access or in-building networks can greatly extend the 60-GHz signal reach by using ultra-low loss optical fibers. However, such high frequency is difficult to generate in a straightforward way. In this dissertation, the novel techniques of homodyne and heterodyne optical-carrier suppressions for radio-over-fiber systems are investigated and various system architectures are designed to overcome these limitations of 60-GHz wireless access networks, bringing the popularization of multi-gigabit wireless networks to become closer to the reality. In addition to the advantages for the access networks, extremely high spectral efficiency, which is the most important parameter for long-haul networks, can be achieved by radio-over-fiber signal generation. As a result, the transmission performance of spectrally efficient radio-over-fiber signaling, including orthogonal frequency division multiplexing and orthogonal wavelength division multiplexing, is broadly and deeply investigated. On the other hand, radio-over-fiber is also used for the frequency synchronization that can resolve the performance limitation of wireless interconnect systems. A novel wireless interconnects assisted by radio-over-fiber subsystems is proposed in this dissertation. In conclusion, multiple advantageous facets of radio-over-fiber systems can be found in various levels of end-to-end interconnect systems. The rapid development of radio-over-fiber systems will quickly change the conventional appearance of modern communications.PhDCommittee Chair: Gee-Kung Chang; Committee Member: Bernard Kippelen; Committee Member: Shyh-Chiang Shen; Committee Member: Thomas K. Gaylord; Committee Member: Umakishore Ramachandra

Chip-based Brillouin processing for carrier recovery in coherent optical communications

Modern fiber-optic coherent communications employ advanced spectrally-efficient modulation formats that require sophisticated narrow linewidth local oscillators (LOs) and complex digital signal processing (DSP). Here, we establish a novel approach to carrier recovery harnessing large-gain stimulated Brillouin scattering (SBS) on a photonic chip for up to 116.82 Gbit/sec self-coherent optical signals, eliminating the need for a separate LO. In contrast to SBS processing on-fiber, our solution provides phase and polarization stability while the narrow SBS linewidth allows for a record-breaking small guardband of ~265 MHz, resulting in higher spectral-efficiency than benchmark self-coherent schemes. This approach reveals comparable performance to state-of-the-art coherent optical receivers without requiring advanced DSP. Our demonstration develops a low-noise and frequency-preserving filter that synchronously regenerates a low-power narrowband optical tone that could relax the requirements on very-high-order modulation signaling and be useful in long-baseline interferometry for precision optical timing or reconstructing a reference tone for quantum-state measurements.Comment: Part of this work has been presented as a postdealine paper at CLEO Pacific-Rim'2017 and OSA Optic

Optics for AI and AI for Optics

Artificial intelligence is deeply involved in our daily lives via reinforcing the digital transformation of modern economies and infrastructure. It relies on powerful computing clusters, which face bottlenecks of power consumption for both data transmission and intensive computing. Meanwhile, optics (especially optical communications, which underpin today’s telecommunications) is penetrating short-reach connections down to the chip level, thus meeting with AI technology and creating numerous opportunities. This book is about the marriage of optics and AI and how each part can benefit from the other. Optics facilitates on-chip neural networks based on fast optical computing and energy-efficient interconnects and communications. On the other hand, AI enables efficient tools to address the challenges of today’s optical communication networks, which behave in an increasingly complex manner. The book collects contributions from pioneering researchers from both academy and industry to discuss the challenges and solutions in each of the respective fields