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

Low-Complexity Sub-band Digital Predistortion for Spurious Emission Suppression in Noncontiguous Spectrum Access

Noncontiguous transmission schemes combined with high power-efficiency requirements pose big challenges for radio transmitter and power amplifier (PA) design and implementation. Due to the nonlinear nature of the PA, severe unwanted emissions can occur, which can potentially interfere with neighboring channel signals or even desensitize the own receiver in frequency division duplexing (FDD) transceivers. In this article, to suppress such unwanted emissions, a low-complexity sub-band DPD solution, specifically tailored for spectrally noncontiguous transmission schemes in low-cost devices, is proposed. The proposed technique aims at mitigating only the selected spurious intermodulation distortion components at the PA output, hence allowing for substantially reduced processing complexity compared to classical linearization solutions. Furthermore, novel decorrelation based parameter learning solutions are also proposed and formulated, which offer reduced computing complexity in parameter estimation as well as the ability to track time-varying features adaptively. Comprehensive simulation and RF measurement results are provided, using a commercial LTE-Advanced mobile PA, to evaluate and validate the effectiveness of the proposed solution in real world scenarios. The obtained results demonstrate that highly efficient spurious component suppression can be obtained using the proposed solutions

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

Chip-scale optical frequency comb sources for terabit communications

To keep up with the ever-increasing data transmission speed needs, data center interconnects are scaling up to provide multi-Tbit/s connectivity. These links require a high number of WDM channels, while the associated transceivers should be compact and energy efficient. Scaling 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 for Tbit/s WDM links

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

Equalização digital para sistemas de transmissão ópticos coerentes

This thesis focus on the digital equalization of fiber impairments for coherent optical transmission systems. New efficient and low-complexity equalization and mitigation techniques that counteract fiber nonlinear impairments are proposed and the tradeoff between performance and complexity is numerically assessed and experimentally demonstrated in metro and long-haul 400G superchannels-based transmission systems. Digital backpropagation (DBP) based on low-complexity split-step Fourier method and Volterra series nonlinear equalizers are experimentally assessed in an uniform superchannel system. In contrast with standard DBP methods, these techniques prove to be able to be implemented with larger step-sizes, consequently requiring a reduced number of multiplications, and still achieve a significant reach extension over linear equalization techniques. Moreover, given its structure, the complexity of the proposed Volterra-based DBP approach can be easily adjusted by changing the nonlinear filter dimension according to the system requirements, thus providing a higher flexibility to the nonlinear equalization block. A frequency-hybrid superchannel envisioning near-future flexible networks is then proposed as a way to increase the system bit-rate granularity. The problematic of the power-ratio between superchannel carriers is addressed and optimized for linear and nonlinear operation regimes using three distinct FEC paradigms. Applying a single FEC to the entire superchannel has a simpler implementation and is found to be a more robust approach, tolerating larger uncertainties on the system parameters optimization. We also investigate the performance gain provided by the application of different DBP techniques in frequency-hybrid superchannel systems, and its implications on the optimum power-ratio. It is shown that the application of DBP can be restricted to the carrier transporting the higher cardinality QAM format, since the DBP benefit on the other carriers is negligible, which might bring a substantially complexity reduction of the DBP technique applied to the superchannel.A presente tese foca-se na equalização digital das distorções da fibra para sistemas óticos de transmissão coerente. São propostas novas técnicas eficientes e de baixa complexidade para a equalização e mitigação das distorções não lineares da fibra, e o compromisso entre desempenho e complexidade é testado numericamente e demonstrado experimental em sistemas de transmissão metro e longa distância baseados em supercanais 400G. A propagação digital inversa baseada no método de split-step Fourier e equalizadores não lineares de séries de Volterra de baixa complexidade são testadas experimentalmente num sistema baseado em supercanais uniformes. Ao contrário dos métodos convencionais utilizados, estas técnicas podem ser implementadas utilizando menos interações e ainda extender o alcance do sistema face às técnicas de equalização linear. Para além disso, a complexidade do método baseado em Volterra pode ser facilmente ajustada alterando a dimensão do filtro não linear de acordo com os requisitos do sistema, concedendo assim maior flexibilidade ao bloco de equalização não linear. Tendo em vista as futuras redes flexı́veis, um supercanal hı́brido na frequência é proposto de modo a aumentar a granularidade da taxa de transmissão do sistema. A problemática da relação de potência entre as portadoras do supercanal é abordada e optimizada em regimes de operação linear e não linear utilizando paradigmas diferentes de códigos correctores de erros. A aplicação de um único código corrector de erros à totalidade do supercanal mostra ser a abordagem mais robusta, tolerando maiores incertezas na optimização dos parâmetros do sistema. O ganho de desempenho dado pela aplicação de diferentes técnicas de propagação digital inversa em sistemas de supercanais hı́bridos na frequência é tamém analizado, assim como as suas implicações na relação óptima de potência. Mostra-se que esta pode ser restringida à portadora que transporta o formato de modulação de ordem mais elevada, uma vez que o benefı́cio trazido pelas restantes portadotas é negligenciável, permitindo reduzir significativamente a complexidade do algoritmo aplicado.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

Signal processing with optical delay line filters for high bit rate transmission systems

In den letzten Jahrzehnten ist das globale Kommunikationssystem in einem immer größerem Maße ein integraler Bestandteil des täglichen Lebens geworden. Optische Kommunikationssysteme sind die technologische Basis für diese Entwicklung. Nur Fasern können die riesige benötigte Bandbreite bereitstellen. Während für die ersten optischen Übertragungssysteme die Faser als "flacher" Kanal betrachtet werden konnte, machen Wellenlängenmultiplex und steigende Übertragungsraten die Einbeziehung von immer mehr physikalischen Effekten notwendig. Bei einer Erhöhung der Kanaldatenrate auf 40 Gbit/s und mehr ist die statische Kompensation von chromatischer Dispersion nicht mehr ausreichend. Die intrinsische Toleranz der Modulationsformate gegenüber Dispersion nimmt quadratisch mit der Symbolrate ab. Daher können beispielsweise durch Umwelteinflüsse hervorgerufene Dispersionsschwankungen die Dispersionstoleranz der Modulationsformate überschreiten. Dies macht eine adaptive Dispersionskompensation notwendig, was gleichzeitig auch Dispersionsmonitoring erfordert, um den adaptiven Kompensator steuern zu können. Vorhandene Links können mit Restdispersionskompensatoren ausgestattet werden, um sie für Hochgeschwindigkeitsübertragungen zu ertüchtigen. Optische Kompensationstechniken sind unabhängig von der Kanaldatenrate. Daher wird eine Erhöhung der Datenrate problemlos unterstützt. Optische Kompensatoren können WDM-fähig gebaut werden, um mehrere Kanäle auf einmal zu entzerren. Das Buch beschäftigt sich mit optischen Delay-Line-Filtern als eine Klasse von optischen Kompensatoren. Die Filtersynthese von solchen Delay-Line-Filtern wird behandelt. Der Zusammenhang zwischen optischen Filtern und digitalen FIR-Filtern mit komplexen Koeffizienten im Zusammenhang mit kohärenter Detektion wird aufgezeigt. Iterative und analytische Methoden, die die Koeffizienten für dispersions- und dispersions-slope-kompensierende Filter produzieren, werden untersucht. Genauso wichtig wie die Kompensation von Dispersion ist die Schätzung der Dispersion eines Signals. Mit Delay-Line-Filtern können die Restseitenbänder eines Signals genutzt werden, um die Dispersion zu messen. Alternativ kann nichtlineare Detektion angewandt werden, um die Pulsverbreiterung, die hauptsächlich von der Dispersion herrührt, zu schätzen. Mit gemeinsamer Dispersionskompensation und Dispersionsmonitoring können Dispersionskompensatoren auf die Signalverzerrungen eingestellt werden. Spezielle Eigenschaften der Filter zusammen mit der analytischen Beschreibung können genutzt werden, um schnelle und zuverlässige Steueralgorithmen zur Filtereinstellung bereitzustellen. Schließlich wurden Prototypen derartiger faseroptischen Kompensatoren von chromatischer Dispersion und Dispersions-Slope hergestellt und charakterisiert. Die Einheiten und ihr Systemverhalten wird gezeigt und diskutiert.Over the course of the past decades, the global communication system has become a central part of people's everyday lives. Optical communication systems are the technological basis for this development. Only fibers can provide the huge bandwidth that is required. Where the fiber could be regarded as a flat channel for the first optical transmission systems wavelength multiplexing and increasing line rates made it necessary to take more and more physical effects into account. When the line rates are increased to 40 Gbit/s and higher static chromatic dispersion compensation is not enough. The modulation format's intrinsic tolerance for dispersion decreases quadratically with the symbol rate. Thus, environmentally induced chromatic dispersion fluctuations may exceed the dispersion tolerance of the modulation formats. This makes an adaptive dispersion compensation necessary implying also the need for a monitoring scheme to steer the adaptive compensator. Legacy links that are CD-compensated by DCFs can be upgraded with residual dispersion compensators to make them ready for high speed transmission. Optical compensation is independent from the line rate. Hence, increasing the data rates is inherently supported. Optical compensators can be built WDM ready compensating multiple channels at once. The book deals with optical delay line filters as one class of optical compensators. The filter synthesis of such delay line filters is addressed. The connection between optical filters and digital FIR filters with complex coefficients that are used in conjunction with coherent detection could be shown. Iterative and analytical methods that produce the coefficients for dispersion (and also dispersion slope) compensating filters are researched. As important as the compensation of dispersion is the estimation of the dispersion of a signal. Using delay line filters, the vestigial sidebands of a signal can be used to measure the dispersion. Alternatively, nonlinear detection can be used to estimate the pulse broadening which is caused mainly by dispersion. With dispersion compensation and dispersion monitoring, dispersion compensators can be adapted to the signal's impairment. Special properties of the filter in conjunction with an analytical description can be used to provide a fast and reliable control algorithm for setting the filter to a given dispersion and centering it on a signal. Finally, prototypes of such fiber optic chromatic dispersion and dispersion slope compensation filters were manufactured and characterized. The device and system characterization of the prototypes is presented and discussed