Microresonator solitons for massively parallel coherent optical communications

Optical solitons are waveforms that preserve their shape while propagating, relying on a balance of dispersion and nonlinearity. Soliton-based data transmission schemes were investigated in the 1980s, promising to overcome the limitations imposed by dispersion of optical fibers. These approaches, however, were eventually abandoned in favor of wavelength-division multiplexing (WDM) schemes that are easier to implement and offer improved scalability to higher data rates. Here, we show that solitons may experience a comeback in optical communications, this time not as a competitor, but as a key element of massively parallel WDM. Instead of encoding data on the soliton itself, we exploit continuously circulating dissipative Kerr solitons (DKS) in a microresonator. DKS are generated in an integrated silicon nitride microresonator by four-photon interactions mediated by Kerr nonlinearity, leading to low-noise, spectrally smooth and broadband optical frequency combs. In our experiments, we use two interleaved soliton Kerr combs to transmit a data stream of more than 50Tbit/s on a total of 179 individual optical carriers that span the entire telecommunication C and L bands. Equally important, we demonstrate coherent detection of a WDM data stream by using a pair of microresonator Kerr soliton combs - one as a multi-wavelength light source at the transmitter, and another one as a corresponding local oscillator (LO) at the receiver. This approach exploits the scalability advantages of microresonator soliton comb sources for massively parallel optical communications both at the transmitter and receiver side. Taken together, the results prove the significant potential of these sources to replace arrays of continuous-wave lasers in high-speed communications.Comment: 10 pages, 3 figure

Experimental Investigation Of Ultrawideband Wireless Systems: Waveform Generation, Propagation Estimation, And Dispersion Compensation

Ultrawideband (UWB) is an emerging technology for the future high-speed wireless communication systems. Although this technology offers several unique advantages like robustness to fading, large channel capacity and strong anti-jamming ability, there are a number of practical challenges which are topics of current research. One key challenge is the increased multipath dispersion which results because of the fine temporal resolution. The received response consists of different components, which have certain delays and attenuations due to the paths they took in their propagation from the transmitter to the receiver. Although such challenges have been investigated to some extent, they have not been fully explored in connection with sophisticated transmit beamforming techniques in realistic multipath environments. The work presented here spans three main aspects of UWB systems including waveform generation, propagation estimation, and dispersion compensation. We assess the accuracy of the measured impulse responses extracted from the spread spectrum channel sounding over a frequency band spanning 2-12 GHz. Based on the measured responses, different transmit beamforming techniques are investigated to achieve high-speed data transmission in rich multipath channels. We extend our work to multiple antenna systems and implement the first experimental test-bed to investigate practical challenges such as imperfect channel estimation or coherency between the multiple transmitters over the full UWB band. Finally, we introduce a new microwave photonic arbitrary waveform generation technique to demonstrate the first optical-wireless transmitter system for both characterizing channel dispersion and generating predistorted waveforms to achieve spatio-temporal focusing through the multipath channels

Método de estimación de las pérdidas de los conductores y del núcleo de componentes inductivos asimétricos mediante la técnica de análisis por método de elementos finitos en 3D

Tesis doctoral con la Mención de "Doctor Internacional"Dentro del campo de la ingeniería eléctrica, los convertidores electrónicos de potencia, que permiten generar una tensión y corriente de unas determinadas características a partir de una fuente de energía, juegan un papel crítico en las energías renovables, vehículos eléctricos o la ingeniería aeroespacial. Los componentes magnéticos constituyen uno de los elementos esenciales en los convertidores de potencia determinando el filtrado de corriente, la operación y la eficiencia del convertidor. Uno de los parámetros más críticos que influyen en la eficiencia de los convertidores son las pérdidas de los componentes magnéticos que dependen de determinados efectos electromagnéticos como el efecto pelicular, de proximidad, de entre-hierros y de borde. Estos efectos son aún más relevantes en rangos de alta frecuencia, a la que suelen operar habitualmente los convertidores electrónicos de potencia. La optimización del convertidor de potencia requiere un análisis detallado de los componentes magnéticos y de los efectos de frecuencia producidos en función de cada aplicación particular, y sus requisitos específicos, principalmente en los rangos de media y alta frecuencia. La trasmisión, almacenamiento y pérdidas de energía eléctrica y magnética son relevantes en este contexto y están determinadas por las ecuaciones de Maxwell, cuya resolución es compleja. Existen tres importantes enfoques para la resolución de estas ecuaciones: métodos analíticos, análisis utilizando herramienta de elementos finitos y por realización de ensayos. El primero de ellos consiste en la resolución analítica de las ecuaciones, con las necesarias simplificaciones, siendo la más habitual el asumir simetrías en las distribuciones de los campos magnéticos para poder resolver las ecuaciones de Maxwell en una o dos dimensiones. Como desventaja, dicha simplificación no permite determinar la distribución del campo magnético dentro de los conductores. El segundo enfoque utiliza un método de elementos finitos, resolviendo las ecuaciones de Maxwell en cada elemento finito, no siendo posible simular algunos componentes magnéticos complejos por precisar un tiempo de simulación sea muy elevado, haciendo que esta solución no resulte práctica para los ingenieros de desarrollo. El tercer enfoque, basado en la realización de ensayos de laboratorio, permite obtener los parámetros eléctrico de cualquier componente magnético. No obstante, el tiempo necesario es también alto y sólo es usado para los ajustes finales. La mayoría de los ingenieros electrónicos y científicos usan los análisis basados en elementos finitos de los componentes magnéticos realizando las posibles simplificaciones teniendo en cuenta la distribución de campo magnético y la simétrica del componente. Cuando el componente magnético no presenta ninguna simetría, deben utilizarse modelos 3D para la determinación de sus parámetros del circuito eléctrico equivalente y la optimización magnética del componente, así como un detallado estudio de los efectos pelicular y de proximidad, que son especialmente relevantes cuando el componente trabaja en alta frecuencia. En este trabajo, se proponer una metodología basada en elementos finitos en 3D con un bajo tiempo de simulación que permite obtener los parámetros que del modelo eléctrico equivalente para componentes magnéticos asimétricos a partir de la estimación de las pérdidas del bobinado y del núcleo.In electrical engineering, power converters, as devices that are able to transform a defined current and voltage from an energy source, have a critical role in different fields as renewable energy, electric vehicles or aerospace engineering. The magnetic components are relevant elements in power converters because determines the current filtering and conversion functions and converter efficiency and performance. One of the critical parameters that influence in the efficiency of converters are the losses in the magnetic components that depends on particular effects as they are the skin, proximity, airgap and edge effects. These effects are more relevant in the high frequency ranges where the power converters are usually operated. The optimization of the power converter requires of the detailed analysis of the magnetic component and the involved frequency effects according to the application when particular requirements are needed, mostly in the medium and high frequency. Transmission, storage and losses of magnetic and electric energy analysis is relevant in this context and are determined by the Maxwell´s equations whose resolution is a complex task. There are three main methods to solve this equation system: analytical method, finite element method analysis and experimental methodology. The first method consists on the analytical resolution of the equations with the necessary simplifications, being the most common approach the assumption of the magnetic field distribution in one or two dimensions to solve the equations system, however this simplification does not allow determining the magnetic field into the conductors. The second approach uses the Finite Element Method, solving the Maxwell equations in very finite element of the component, but is not possible to simulate some complex magnetic components because it requires a high computational time, being not useful for power electronics designers. The third method, based on experimental lab tests, allows to obtain the electrical parameters for any magnetic component. Nevertheless, the time cost is also huge and it is only used for adjustments in the final stage. Most of the power electronics designers and scientists use the analysis of the magnetic components based on Finite Element Method doing the available simplification taking into account the magnetic field distribution and the symmetry of the magnetic component. If the magnetic component has not any symmetric, a 3D model is necessary to determine the electromagnetic or thermal parameters for the electrical equivalent circuit and the magnetic component optimization, as well as a detailed study for skin effect and proximity effect, even more if the magnetic components work at high frequency. In this work, it is proposed a new method based in 3D Finite Element Analysis with a low computational time that allows obtaining the electrical equivalent model parameters for asymmetric magnetic components from the estimation of winding and core power losses

Real-Time Demonstration of Low-Complexity Time-Domain Chromatic Dispersion Equalization

We demonstrate real-time CD equalization (CDE) for coherent optical transmission systems using a low complexity time-domain (TD) multiplierless finite-impulse response (FIR)-based equalizer, based on a field-programmable gate array (FPGA) implementation. The real-time operation is performed for a single-channel 2.5 Gb/s QPSK optical signal with a performance penalty of only 0.15 dB with respect to the maximum performance. The hardware complexity is also evaluated in terms of occupation in a Virtex-6 FPGA-XC6VLX240T, revealing the high efficiency of the proposed CDE algorithm

Constellation Shaping for WDM systems using 256QAM/1024QAM with Probabilistic Optimization

In this paper, probabilistic shaping is numerically and experimentally investigated for increasing the transmission reach of wavelength division multiplexed (WDM) optical communication system employing quadrature amplitude modulation (QAM). An optimized probability mass function (PMF) of the QAM symbols is first found from a modified Blahut-Arimoto algorithm for the optical channel. A turbo coded bit interleaved coded modulation system is then applied, which relies on many-to-one labeling to achieve the desired PMF, thereby achieving shaping gain. Pilot symbols at rate at most 2% are used for synchronization and equalization, making it possible to receive input constellations as large as 1024QAM. The system is evaluated experimentally on a 10 GBaud, 5 channels WDM setup. The maximum system reach is increased w.r.t. standard 1024QAM by 20% at input data rate of 4.65 bits/symbol and up to 75% at 5.46 bits/symbol. It is shown that rate adaptation does not require changing of the modulation format. The performance of the proposed 1024QAM shaped system is validated on all 5 channels of the WDM signal for selected distances and rates. Finally, it was shown via EXIT charts and BER analysis that iterative demapping, while generally beneficial to the system, is not a requirement for achieving the shaping gain.Comment: 10 pages, 12 figures, Journal of Lightwave Technology, 201

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

Orthogonal Sampling based Broad-Band Signal Generation with Low-Bandwidth Electronics

High-bandwidth signals are needed in many applications like radar, sensing, measurement and communications. Especially in optical networks, the sampling rate and analog bandwidth of digital-to-analog converters (DACs) is a bottleneck for further increasing data rates. To circumvent the sampling rate and bandwidth problem of electronic DACs, we demonstrate the generation of wide-band signals with low-bandwidth electronics. This generation is based on orthogonal sampling with sinc-pulse sequences in N parallel branches. The method not only reduces the sampling rate and bandwidth, at the same time the effective number of bits (ENOB) is improved, dramatically reducing the requirements on the electronic signal processing. In proof of concept experiments the generation of analog signals, as well as Nyquist shaped and normal data will be shown. In simulations we investigate the performance of 60 GHz data generation by 20 and 12 GHz electronics. The method can easily be integrated together with already existing electronic DAC designs and would be of great interest for all high-bandwidth applications

Space-Division Multiplexing in Data Center Networks: On Multi-Core Fiber Solutions and Crosstalk-Suppressed Resource Allocation

The rapid growth of traffic inside data centers caused by the increasing adoption of cloud services necessitates a scalable and cost-efficient networking infrastructure. Space-division multiplexing (SDM) is considered as a promising solution to overcome the optical network capacity crunch and support cost-effective network capacity scaling. Multi-core fiber (MCF) is regarded as the most feasible and efficient way to realize SDM networks, and its deployment inside data centers seems very likely as the issue of inter-core crosstalk (XT) is not severe over short link spans (<1  km ) compared to that in long-haul transmission. However, XT can still have a considerable effect in MCF over short distances, which can limit the transmission reach and in turn the data center’s size. XT can be further reduced by bi-directional transmission of optical signals in adjacent MCF cores. This paper evaluates the benefits of MCF-based SDM solutions in terms of maximizing the capacity and spatial efficiency of data center networks. To this end, we present an analytical model for XT in bi-directional normal step-index and trench-assisted MCFs and propose corresponding XT-aware core prioritization schemes. We further develop XT-aware spectrum resource allocation strategies aimed at relieving the complexity of online XT computation. These strategies divide the available spectrum into disjoint bands and incrementally add them to the pool of accessible resources based on the network conditions. Several combinations of core mapping and spectrum resource allocation algorithms are investigated for eight types of homogeneous MCFs comprising 7–61 cores, three different multiplexing schemes, and three data center network topologies with two traffic scenarios. Extensive simulation results show that combining bi-directional transmission in dense core fibers with tailored resource allocation schemes significantly increases the network capacity. Moreover, a multiplexing scheme that combines SDM and WDM can achieve up to 33 times higher link spatial efficiency and up to 300 times greater capacity compared to a WDM solution

Chip-scale optical frequency comb sources for terabit communications

The number of devices connected to the internet and the required data transmission speeds are increasing exponentially. To keep up with this trend, data center interconnects should scale up to provide multi-Tbit/s connectivity. With typical distances from a few kilometers to 100 km, these links require the use of a high number of WDM channels. The associated transceivers should have low cost and footprint. The scalability of the number of channels, however, is still limited by the lack of adequate optical sources. In this book, we investigate novel chip-scale frequency comb generators as multi-wavelength light sources in WDM links. With a holistic model, we estimate the performance of comb-based WDM links, and we compare the transmission performance of different comb generator types, namely a quantum-dash mode-locked laser diode and a microresonator-based Kerr comb generator. We characterize their potential for massively-parallel WDM transmission with various transmission experiments. Combined with photonic integrated circuits, these comb sources offer a path towards highly scalable, compact, and energy-efficient Tbit/s transceivers