Optical Phase Locking techniques: an overview and a novel method based on Single Side Sub-Carrier modulation

A short overview on Optical Phase locking techniques and a detailed description of the Phase Locking technique based on Sub-Carriers modulation is presented. Furthermore, a novel Single Side Sub-Carrierbased Optical Phase Locked Loop (SS-SC-OPLL), with off the shelf optical components, is also presented and experimentally demonstrated. Our new method, based on continuous wave semiconductor lasers and optical single side sub-carrier modulation using QPSK LiNbO3 modulator, allows a practical implementation with better performance with respect to the previously proposed OPLL circuits, and permits an easy use in real time WDM signal coherent demodulation

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

Optical Delay Interferometers and their Application for Self-coherent Detection

Self-coherent receivers are promising candidates for reception of 100 Gbit/s data rates in optical networks. Self-coherent receivers consist of multiple optical delay interferometers (DI) with high-speed photodiodes attached to the outputs. By DSP of the photo currents it becomes possible to receive coherently modulated optical signals. Especially promising for 100 Gbit/s networks is the PolMUX DQPSK format, the self-coherent reception of which is described in detail

Massive MIMO without CSI: When Non-Coherent Communication Meets Many Antennas

Under high-mobility scenarios, the traditional coherent demodulation schemes (CDS) have limited performance, because reference signals cannot effectively track the channel variations with an affordable overhead. As an alternative solution, non-coherent demodulation schemes (NCDS) based on differential modulation have been proposed. Even in the absence of reference signals, they are capable of outperforming the CDS with a reduced complexity. The literature on NCDS laid the theoretical foundations for simplified channel and signal models, often single-carrier and spatially uncorrelated flat-fading channels. This chapter explains the most recent results assuming orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signaling and realistic channel models

Channel estimation, data detection and carrier frequency offset estimation in OFDM systems

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) plays an important role in the implementation of high data rate communication. In this thesis, the problems of data detection and channel and carrier frequency offset estimation in OFDM systems are studied. Multi-symbol non-coherent data detection is studied which performs data detection by processing multiple symbols without the knowledge of the channel impulse response (CIR). For coherent data detection, the CIR needs to be estimated. Our objective in this thesis is to work on blind channel estimators which can extract the CIR using just one block of received OFDM data. A blind channel estimator for (Single Input Multi Output) SIMO OFDM systems is derived. The conditions under which the estimator is identifiable is studied and solutions to resolve the phase ambiguity of the proposed estimator are given.A channel estimator for superimposed OFDM systems is proposed and its CRB is derived. The idea of simultaneous transmission of pilot and data symbols on each subcarrier, the so called superimposed technique, introduces the efficient use of bandwidth in OFDM context. Pilot symbols can be added to data symbols to enable CIR estimation without sacrificing the data rate. Despite the many advantages of OFDM, it suffers from sensitivity to carrier frequency offset (CFO). CFO destroys the orthogonality between the subcarriers. Thus, it is necessary for the receiver to estimate and compensate for the frequency offset. Several high accuracy estimators are derived. These include CFO estimators, as well as a joint iterative channel/CFO estimator/data detector for superimposed OFDM. The objective is to achieve CFO estimation with using just one OFDM block of received data and without the knowledge of CIR

Sampling digital coherent receiver for demultiplexing and processing of OTDM signals employing high-order modulation

In this thesis, we present a study of optical communication systems that make use of multilevel modulations and exploits coherent detection with digital signal processing (DSP) and optical time division multiplexing (OTDM). The Matlab modeling of an optical communication system if shown and the different elements of a DSP unit are analyzed. In particular we studied the Chromatic Dispersion (CD) compensation with Time Domain Equalizer (TDE), the Polarization Mode Dispersion (PMD) and polarization rotation compensation with adaptive equalizer, the digital phase estimation with Feed Forward (FF) algorithms and the frequency offset compensation. Next, we present the OTD demultiplexing for optical systems that utilize coherent receivers. A set of numerical simulation has been done for the study of the performance of the model implemented. At last we show the results obtained during a laboratory experiment. A back-to-back transmission of a 4-Channels OTDM QPSK system at 160 Gb/s with coherent detection and digital signal processing has been successfully performed and the results are presented and commente

Stacked Modulation Formats Enabling Highest-Sensitivity Optical Free-Space Communications

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit hochempfindlichen optischen Kommunikationssystemen, wie sie z.B. bei Intersatellitenlinks verwendet werden. Theoretische Überlegungen zur Steigerung der Empfängerempfindlichkeit werden mit Simulations- und Messergebnissen ergänzt und verifiziert. Auf Grund der steigenden Nachfrage nach optischen Links zwischen Satelliten stellt sich die Frage, was sind geeignete Eckparameter, um ein solches System zu beschreiben. Die gigantischen Datenmengen, die von diversen Messgeräten, wie z.B. hochauflösende Kameras auf einem Satelliten generiert werden, bringen die Kapazitäten klassischer HF-Datenlinks an ihre Grenzen. Hier können optische Kommunikationssysteme auf Grund ihrer hohen Trägerfrequenz im Infrarotbereich sehr hohe Datenraten im Terabit/s Bereich ermöglichen. Systeme mit Radiowellen im GHz Bereich als Trägerfrequenz sind hier deutlich limitierter. [7] Linkdistanz, verfügbare Leistung, Pointinggenauigkeit und verfügbare Antennengröße sind einige Parameter, die einen wichtigen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems haben. Je größer die Distanz und desto kleiner die verfügbare Antennengröße sowohl am Sender als auch am Empfänger sind, desto weniger Signalleistung wird den Detektor erreichen. Nimmt man dann noch ungenaues Pointing hinzu, d.h. Sender und Empfänger sind nicht exakt aufeinander ausgerichtet, treten zusätzliche Verluste auf. [7] Ziel dieser Arbeit ist es, ein vereinfachtes System zu implementieren und zu testen, das mit möglichst wenigen Photonen pro Bit bei einer gegebenen Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer möglichst hohen Datenrate arbeiten kann. Hierfür werden alle Freiheitsgrade einer optischen Welle zur Modulation verwendet, um mit sog. „Stapeln“ von Modulationsformaten eine Empfindlichkeitssteigerung zu erreichen. Die Amplitude des Signals wird durch Pulspositionsmodulation (PPM) moduliert, wobei das zeitlich variable Vorhandensein eines Pulses innerhalb des Symbols die Information enthält. Dieses Modulationsformat weist bis dato die höchste Empfindlichkeit in Literatur und Experimenten auf [4]. Je mehr Möglichkeiten es gibt, einen Puls in einem Symbol zu platzieren, desto höher ist die zu erwartende Empfindlichkeit des Systems. Mit anderen Worten: Steigert man die zeitliche Dauer eines PPM-Symbols, so wächst ebenfalls die Empfängerempfindlichkeit. Da bei diesem Ansatz die Datenrate sinkt, wird in dieser Arbeit eine andere Methode vorgestellt, die Empfindlichkeit eines Übertragungssystems zu steigern, ohne die Symbollänge unnötig in die Länge zu ziehen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Stapeln (sog. „Stacking“) von Modulationsformaten, in dem neben der Amplitudenmodulation weitere Freiheitsgrade, wie die Frequenz, Phase und Polarisation geschickt genutzt werden. Bei der Frequenzumtastung (FSK) wird die optische Frequenz je nach Symbol um ein gewisses Maß verschoben. Bei der polarisations-geschalteten Quadratur-Phasenumtastung (PS-QPSK) werden sowohl die Phase, als auch die Polarisation der optischen Welle moduliert [12]. Als Endergebnis erhält man PPM-FSK-PS-QPSK als Modulationsformat mit hoher Empfindlichkeit. Gegenüber dem reinen PPM wird eine theoretische Empfindlichkeitssteigerung von mehr als 1 dB erreicht. Sowohl Simulations- als auch Messergebnisse bestätigen den Empfindlichkeitsgewinn