Digital Linearization of High Capacity and Spectrally Efficient Direct Detection Optical Transceivers

Metropolitan area networks are experiencing unprecedented traffic growth. The provision of information and entertainment supported by cloud services, broadband video and mobile technologies such as long-term evolution (LTE) and 5G are creating a rapidly increasing demand for bandwidth. Although wavelength division multiplexing (WDM) architectures have been introduced into metro transport networks to provide significant savings over single-channel systems, to cope with the ever-increasing traffic growth, it is urgently required to deploy higher data rates (100 Gb/s and beyond) for each WDM channel. In comparison to dual-polarization digital coherent transceivers, single-polarization and single photodiode-based direct-detection (DD) transceivers may be favourable for metropolitan, inter-data centre and access applications due to their use of a simple and low-cost optical hardware structure. Single sideband (SSB) quadrature amplitude modulation (QAM) subcarrier modulation (SCM) is a promising signal format to achieve high information spectral density (ISD). However, due to the nonlinear effect termed signal-signal beat interference (SSBI) caused by the square-law detection, the performance of such SSB SCM DD systems is severely degraded. Therefore, it is essential to develop effective and low-complexity linearization techniques to eliminate the SSBI penalty and improve the performance of such transceivers. Extensive studies on SSB SCM DD transceivers employing a number of novel digital linearization techniques to support high capacity (≥ 100 Gb/s per channel) and spectrally-efficient (net ISD > 2 b/s/Hz) WDM transmission covering metropolitan reach scenarios (up to 240 km) are described in detail in this thesis. Digital modulation formats that can be used in DD links and the corresponding transceiver configurations are firstly reviewed, from which the SSB SCM signalling format is identified as the most promising format to achieve high data rates and ISDs. Following this, technical details of the digital linearization approaches (iterative SSBI cancellation, single-stage linearization filter and simplified non-iterative SSBI cancellation, two-stage linearization filter, Kramers-Kronig scheme) considered in the thesis are presented. Their compensation performance in a dispersion pre-compensated (Tx-EDC) 112 Gb/s per channel 35 GHz-spaced WDM SSB 16-QAM Nyquist-SCM DD system transmitting over up to 240 km standard single-mode fibre (SSMF) is assessed. Net ISDs of up to 3.18 b/s/Hz are achieved. Moreover, we also show that, with the use of effective digital linearization techniques, further simplification of the DD transceivers can be realized by moving electronic dispersion compensation from the transmitter to the receiver without sacrificing performance. The optical ISD limit of SSB SCM DD system finally explored through experiments with higher-order modulation formats combined with effective digital linearization techniques. 168 Gb/s per channel WDM 64-QAM signals were successfully transmitted over 80 km, achieving a record net optical ISD of 4.54 b/s/Hz. Finally, areas for further research are identified

Enhanced PON Infrastructure Enabled by Silicon Photonics

Les systèmes de courte portée et de détection directe sont le dernier/premier kilomètre de la fourniture des services Internet d'aujourd'hui. Deux cas d'application sont abordés dans cette thèse, l'un concerne l'amélioration des performances des services Internet par la Fibre-To-TheHome ou les réseaux optiques passifs (PONs). L'autre est le radio access network (RAN) pour le fronthaul. Notre objectif pour RAN est de superposer les signaux 5G sur une infrastructure PON. Nous démontrons expérimentalement la génération d'un signal de répartition multiplexée de fréquences orthogonales (OFDM) à bande latérale unique en utilisant un modulateur IQ sur puce basé sur les photoniques au silicium à micro-anneau. Il s'agit d'une solution à coût bas permettant aux PONs d'augmenter les débits de données grâce à l'utilisation d'OFDM. Nous avons généré un signal OFDM à large bande avec un ratio de suppression de bande latérale de plus de 18 dB. Afin de confirmer la robustesse de la dispersion chromatique (CD), nous transmettons le signal généré OFDM SSB dans plus de 20 km de fibre de monomode standard. Aucun fading induit par la CD n'a été observé et le taux d'erreur sur les bits était bon. Nous proposons une solution de photoniques au silicium pour un réseau optique passif afin de mitiger l'interférence de battement signal-signal (SSBI) dans la transmission OFDM, et de récupérer une partie des porteuses de la liaison descendante pour une utilisation dans la liaison montante. Le sous-système recrée les interférences à une entrée du détecteur équilibré ; le signal de données corrompu par SSBI est à la deuxième entrée. L'annulation se produit via la soustraction dans la détection équilibrée. Comme notre solution de photoniques au silicium (SiP) ne peut pas filtrer les signaux idéalement, nous examinons un facteur d'échelle introduit dans la détection équilibrée qui peut balancer les effets de filtrage non idéaux. Nous montrons expérimentalement l'annulation de l'interférence donne de bonnes performances même avec une porteuse faible, soit pour un ratio porteuse/signal ultra bas de 0 dB. Bien que notre solution soit sensible aux effets de la température, notre démonstration expérimentale montre que le réglage de la fréquence résonante peut dériver jusqu'à 12 GHz de la valeur ciblée et présenter toujours de bonnes performances. Nous effectuons des simulations extensives du schéma d'annulation SSBI proposé, et suggérons une diverse conception polarisée pour le sous-système SiP. Nous examinons via la simulation la vulnérabilité à la variation de température et introduisons une nouvelle métrique de performance : Q-facteur minimum garanti. Nous nous servons de cette métrique pour évaluer la robustesse d'annulation SSBI contre la dérive de fréquence induite par les changements de température. Nous maximisons l'efficacité spectrale sous différentes conditions du système en balayant les paramètres de conception contrôlables. Finalement, les résultats de la simulation du système fournissent des indications sur la conception du résonateur micro-anneau, ainsi que sur le choix de la bande de garde et du format de modulation pour obtenir la plus grande efficacité spectrale. Finalement, nous nous concentrons sur la superposition des signaux 5G sur une infrastructure PON pour RAN. Nous expérimentalement validons un sous-système photonique au silicium conçu pour les réseaux optiques passifs avec réutilisation de porteuses et compatibilité radiosur-fibre (RoF) analogique 5G. Le sous-système permet la détection simultanée des signaux RoF et du signal PON transmis dans une seule tranche assignée de longueur d'onde. Tout en maintenant une qualité suffisante de détection des signaux RoF et PON, il n'y a que la puissance minimale de la porteuse qui est extraite pour chaque détection, ce qui conserve ainsi la puissance de la porteuse pour la modulation de liaison montante. Nous réalisons une suppression efficace du signal de liaison descendante en laissant une porteuse propre et forte pour la remodulation. Nous démontrons expérimentalement le signal RoF de liaison montante via un modulateur à micro-anneau. Nous avons détecté avec succès un signal à large bande de 8 GHz et cinq signaux RoF de 125 MHz simultanément. Et deux signaux RoF de 125 MHz sont remodulés sur la même porteuse. Le signal RoF de liaison montante généré est de 13 dB de plus que les signaux de liaison descendante, ce qui indique leur robustesse contre la diaphonie des signaux résiduels de la liaison descendante.Short reach, direct detection systems are the last/first mile of today's internet service provision. Two use cases are addressed in this thesis, one is for enhancing performance of Internet services on fiber-to-the-home or passive optical networks (PON). The other is radio access networks (RAN) for fronthaul. Our focus for RAN is to overlay 5G signals on a PON infrastructure. We experimentally demonstrate the generation of a single-sideband orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal using an on-chip silicon photonics microring-based IQ modulator. This is a low cost solution enabling PONs to increase data rates through the use of OFDM. We generated a wideband OFDM signal with over 18 dB sideband suppression ratio. To confirm chromatic dispersion (CD) robustness, we transmit the generated SSB OFDM signal over 20 km of standard single mode fiber. No CD-induced fading was observed and bit error rate was good. We propose a silicon photonics solution for a passive optical network to mitigate signal-signal beat interference (SSBI) in OFDM transmission, and to recuperate a part of the downlink carrier for use in the uplink. The subsystem recreates the interference at one balanced detector input; the data signal corrupted with SSBI is at the second input. Cancellation occurs via subtraction in the balanced detection. As our silicon photonics (SiP) solution cannot filter the signals ideally, we examine a scaling factor to be introduced to the balanced detection that can trade-off the non-ideal filtering effects. We show experimentally that the interference is cancelled, allowing good performance even with a weak carrier, that is, for ultra low carrier to signal ratio of 0 dB. Although our solution is sensitive to temperature effects, our experimental demonstration shows the tuning of the resonant frequency can drift by as much as 12 GHz from the targeted value and still provide good performance. We perform extensive simulations of the proposed SSBI cancellation scheme, and suggest a polarization diverse design for the SiP subsystem. We examine via simulation the vulnerability to temperature variation and introduce a new performance metric: minimum guaranteed Qfactor. We use this metric to evaluate the SSBI cancellation robustness against the frequency drift induced by temperature changes. We maximize the spectral efficiency under different system conditions by sweeping the controllable design parameters. Finally the system simulation results provide guidance on the microring resonator design, as well as choice of guard band and modulation format to achieve the highest spectral efficiency. Finally, we turn to focus on overlay 5G signals on a PON infrastructure for RAN. We experimentally validate a silicon photonic subsystem designed for passive optical networks with carrier reuse and 5G analog radio-over-fiber (RoF) compatibility. The subsystem enables the simultaneous detection of RoF signals and a PON signal transmitted in a single assigned wavelength slot. While maintaining sufficient quality of RoF and PON signal detection, only the minimum carrier power is leached off for each detection, thus conserving carrier power for uplink modulation. We realize effective downlink signal suppression to leave a clean and strong carrier for remodulation. We demonstrate experimentally the RoF uplink signal via a micro ring modulator. We successfully detected an 8 GHz broadband signal and five 125 MHz RoF signals simultaneously. And two 125 MHz radio over fiber signals are remodulated onto the same carrier. The generated uplink RoF signal is 13 dB over the downlink signals, indicating their robustness against the crosstalk from residual downlink signals

Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.Optical communication systems with advanced modulation formats are currently one of the major research focuses of the optical communication community. This research is driven by the ever-increasing demand for higher data transmission rates. In this thesis, we investigate efficient techniques for advanced modulation with coherent detection, and optical orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) and discrete multi-tone (DMT) for both direct detection and coherent detection to improve the performance of optical networks. In the first part, we investigate digital filter back-propagation (DFBP) as a simple semiconductor optical amplifier (SOA) nonlinearity mitigation technique in coherent detection systems. For the first time, we experimentally demonstrate effectiveness of DFBP in compensating for SOA-induced nonlinearities in a 16-ary quadrature amplitude modulation (16-QAM) singlecarrier coherent detection system. We compare performance of DFBP with Runge-Kutta fourth-order method. We examine sensitivity of DFBP performance to its parameters. Afterwards, we propose a novel parameter estimation method for DFBP. Finally, we demonstrate successful transmission of 22 Gbaud 16-QAM signals over 80 km fiber with the proposed parameter estimation technique for DFBP. In the second part, we concentrate on techniques to improve performance of optical OFDM systems, examining both coherent optical OFDM (CO-OFDM) and direct-detection optical OFDM (DDO-OFDM). First, we propose a combination of clipping and predistortion technique to compensate for CO-OFDM transmitter nonlinear distortions. We use piecewise linear interpolation (PLI) for characterizing the transmitter nonlinearity. At the transmitter, we use inverse of the PLI estimate to pre-compensate the nonlinearities induced at the COOFDM transmitter. Second, we design optimized non-square constellations for short-reach DDO-OFDM systems based on two channel noise models. We experimentally demonstrate 100 Gb/s+ OFDM/DMT with direct detection using the optimized QAM constellations. In the third part, we propose and experimentally demonstrate a passive optical network (PON) architecture with DDO-OFDM for the downlink and CO-OFDM for the uplink. We examine two scenarios for the occupied frequency and modulation format of the signals. We identify main limiting impairments of the bidirectional PON and provide solutions to minimize their effects

Advanced modulation for optical communication systems

La demande toujours croissante pour la capacité du réseau conduit au développement de systèmes de communication optique pour couvrir les normes Terabit Ethernet récemment proposées. Les applications de courte distance nécessitent une solution peu coûteuse et peu complexe avec détection directe. Cependant, le coût de la détection cohérente diminue chaque jour et en fait un bon candidat pour les applications à courte distance futures afin d'accroître l'efficacité spectrale et d'utiliser des formats de modulation avancés. Dans cette thèse, nous étudions des solutions pour les applications court-courrier actuelles et futures. Dans la première partie, nous nous concentrons sur des solutions pour les applications de courte distance. Le premier chapitre est la première démonstration de la transmission multi-tonalité discrète (DMT) à plus de 100 Gb/s en utilisant une photonique au silicium en bande O (SiP). Nous comparons expérimentalement le DMT avec la modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) sur la bande O. Notre expérience montre qu'en augmentant la longueur des fibres de plus de 10 km, la PAM surpasse le DMT. Pour la bande C, nous utilisons un multi-ton discret à bande latérale unique (SSB-DMT) pour éviter l'effet d'évanouissement de la puissance induit par la dispersion chromatique. Nous étudions l'effet du bruit de phase, de la dispersion chromatique et de la sensibilité du récepteur pour optimiser le signal du DMT et extraire des équations théoriques pour calculer le taux d'erreur binaire (BER) du SSB-DMT. Ensuite, nous comparons la PAM sur bande O avec le SSB-DMT sur bande C et quantifions l'impact des limitations imposées par le matériel sur les deux formats de modulation. Notre étude fournit un outil analytique pour les applications de courte distance afin de sélectionner le format et le matériel de modulation appropriés en fonction de la portée requise, du débit binaire, etc. Dans la deuxième partie, le ciblage des futurs systèmes de détection cohérents justifié l'utilisation d'un format de modulation complexe avec détection cohérente. Nous utilisons un format de modulation avancé dans lequel nous avons combiné la propagation de transformée de Fourier discrète avec le DMT pour augmenter l'efficacité spectrale. Le format de modulation hybride a un rapport de puissance crête à moyenne inférieur (vis-à-vis du DMT) et une efficacité spectrale plus élevée (vis-à-vis de la QAM _a porteuse unique). Dans la première étape, nous comparons expérimentalement les performances des modulations hybrides, DMT standard et monoporteuse en utilisant un modulateur SiP IQ. Ensuite, nous développons une stratégie de contrôle pour le format de modulation hybride en échangeant la non-linéarité de la fonction de transfert du modulateur et le rapport signal / bruit optique. Le format de modulation hybride est ensuite optimisé pour avoir un débit maximum. En utilisant une simulation de Monte Carlo, nous comparons le format de modulation hybride optimisé avec le DMT standard pour différents débits binaires. Enfin, nous avons une comparaison de complexité entre hybride et DMT pour différentes longueurs de fibre.Ever increasing demand for network capacity is driving the development of optical communication systems to cover recently proposed Terabit Ethernet standards. Short haul applications need low cost and low complexity solutions with direct detection, as the cost of coherent detection comes down, it will become a good candidate for future short-haul applications to increase spectral efficiency and exploit advanced modulation formats. In this thesis, we investigate solutions for both current and future short-haul systems. In the first part, we focus on solutions for short haul applications. The first chapter is the first time demonstration of more than 100 Gb/s discrete multi-tone (DMT) transmission using an O-band silicon photonics (SiP). We experimentally compare DMT with pulse amplitude modulation (PAM) on O-band. Our experiment shows that by increasing fiber length more than 10 km, PAM outperforms DMT. For C-band, we use single sideband discrete multi-tone (SSB-DMT) to avoid chromatic dispersion-induced power fading e_ect. We study the effect of phase noise, chromatic dispersion, and receiver sensitivity to optimize DMT signal and extract theoretical equations to calculate bit error rate (BER) of SSB-DMT. Next, we analytically compare PAM on O-band with SSB-DMT on C-band and quantify the impact of hardware-imposed limitations on both modulation formats. Our study provides an analytical tool for short haul applications to select appropriate modulation format and hardware based on required reach, bit rate, etc. In the second part we examine complex modulation formats that will be enabled in the future by low cost, integrated components for coherent detection.. We use an advanced modulation format in which we combined discrete Fourier transform spread with DMT to increase spectral efficiency. Hybrid modulation format has a lower peak to average power ratio (vis-a-vis DMT) and higher spectral efficiency (vis-a-vis single carrier QAM). In the first step, we experimentally compare the performance of the hybrid, standard DMT, and single carrier modulations using a SiP IQ modulator. Next, we develop a driving strategy for hybrid modulation format by trading off the modulator transfer function non-linearity and optical signal to noise ratio. Then hybrid modulation format is optimized to have maximum throughput. Using Monte Carlo simulation we compare optimized hybrid modulation format with standard DMT for different bit rates. Finally, we have a complexity comparison between hybrid and DMT for different fiber lengths to motivate same investigation for long-haul applications where, we should consider fiber non-linearity, attenuation, a polarization multiplexing