Comb-based WDM transmission at 10 Tbit/s using a DC-driven quantum-dash mode-locked laser diode

Chip-scale frequency comb generators have the potential to become key building blocks of compact wavelength-division multiplexing (WDM) transceivers in future metropolitan or campus-area networks. Among the various comb generator concepts, quantum-dash (QD) mode-locked laser diodes (MLLD) stand out as a particularly promising option, combining small footprint with simple operation by a DC current and offering flat broadband comb spectra. However, the data transmission performance achieved with QD-MLLD was so far limited by strong phase noise of the individual comb tones, restricting experiments to rather simple modulation formats such as quadrature phase shift keying (QPSK) or requiring hard-ware-based compensation schemes. Here we demonstrate that these limitations can be over-come by digital symbol-wise phase tracking algorithms, avoiding any hardware-based phase-noise compensation. We demonstrate 16QAM dual-polarization WDM transmission on 38 channels at an aggregate net data rate of 10.68 Tbit/s over 75 km of standard single-mode fiber. To the best of our knowledge, this corresponds to the highest data rate achieved through a DC-driven chip-scale comb generator without any hardware-based phase-noise reduction schemes

WDM orthogonal subcarrier multiplexing

Electro-optical transceivers can be implemented employing all-analog signal processing in order to achieve low values of power consumption and latency. This paper shows that the spectral efficiency of such solutions can be increased by combining orthogonal multicarrier techniques and off-the-shelf microwave components. A real-time 108-Gbit/s experiment was performed emulating a wavelength division multiplexing (WDM) system composed of five optical channels. The optical carriers were provided by an externally injected gain switched optical frequency comb. Each optical channel transmitted a 21.6-Gbit/s orthogonal subcarrier multiplexing (SCM) signal that was modulated and demodulated in the electrical domain without the requirement for digital signal processing. The net data rate remained higher than 100 Gbit/s after taking into account forward error correction overheads. The use of orthogonally overlapping subchannels achieves an unprecedented spectral efficiency in all-analog real-time broadband WDM/SCM links

Key Signal Processing Technologies for High-speed Passive Optical Networks

With emerging technologies such as high-definition video, virtual reality, and cloud computing, bandwidth demand in the access networks is ever-increasing. Passive optical network (PON) has become a promising architecture thanks to its low cost and easy management. IEEE and ITU-T standard organizations have been standardizing the next-generation PON, targeting on increasing the single-channel capacity from 10 Gb/s to 25, 50, and 100 Gb/s as the solution to address the dramatic increase of bandwidth demand. However, since the access network is extremely cost-sensitive, many research problems imposed in the physical layer of PON need to be addressed in a cost-efficient way, which is the primary focus of this thesis. Utilizing the low-cost 10G optics to build up high-speed PON systems is a promising approach, where signal processing techniques are key of importance. Two categories of signal processing techniques have been extensively investigated, namely optical signal processing (OSP) and digital signal processing (DSP). Dispersion-supported equalization (DSE) as a novel OSP scheme is proposed to achieve bit-rate enhancement from 10 Gb/s to 25 Gb/s based on 10G class of optics. Thanks to the bandwidth improved by DSE, the non-return-zero on-off keying which is the simplest modulation format is able to be adopted in the PON system without complex modulation or DSP. Meanwhile, OSP is also proposed to work together with DSP enabling 50G PON while simplifying the DSP complexity. Using both DSE and simple feed-forward equalizer is able to support 50 Gb/s PAM-4 transmission with 10G optics. For C-band 50 Gb/s transmission, injection locking techniques as another OSP approach is proposed to compress the directly modulated laser chirp and increase system bandwidth in the optical domain where a doubled capacity from 25 Gb/s to 50 Gb/s over 20 km fiber can be built on top of 10G optics. For DSP, we investigated the advantages of neural network (NN) on the mitigation of the time-varying nonlinear semiconductor optical amplifier pattern effect. In order to reduce the expense caused by the high computation complexity of NN, a pre- equalizer is introduced at the central office that allows cost sharing for all connected access users. In order to push the PON system line rate to 100 Gb/s, a joint nonlinear Tomlinson- Harashima precoding-Volterra algorithm is proposed to compensate for both linear and nonlinear distortions where 100 Gb/s PAM-4 transmission over 20 km fiber with 15 GHz system bandwidth can be achieved

Power Control In Optical CDMA

Optical CDMA (OCDMA) is the multiplexing technique over the fiber optics medium to increase the number of users and this is a step towards all optical Passive Optical Networks (PON). Optical OFDM, WDM and Optical TDM have also been studied in this thesis which are also candidates to all optical passive optical networks. One of the main features of Optical CDMA over other multiplexing techniques is that it has smooth capacity. The capacity of OCDMA is constrained by the interference level. Hence, when some users are offline or requesting less data rates, then the capacity will be increased in the network. Same feature could be obtained in other multiplexing techniques, but they will need much more complicated online organizers. However, in OCDMA it is critical to adjust the transmission power to the right value; otherwise, near-far problem may greatly reduce the network capacity and performance. In this thesis Power control concepts are analyzed in optical CDMA star networks. It is applied so that the QoS of the network get enhanced and all users after the power control have their desired signal to interference (SIR) value. Moreover, larger number of users can be accommodated in the network. Centralized power control algorithm is considered for this thesis. In centralized algorithm noiseless case and noisy case have been studied. In this thesis several simulations have been performed which shows the QoS difference before and after power control. The simulation results are validated also by the theoretical computation.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

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

Broadband access networks using hybrid radio/fiber systems

Developing broadband access networks is one of the most urgent needs in the telecommunications world. The wireless systems provide an efficient solution to address the requirements for last mile connectivity of data, Internet and voice services Radio systems using millimetre-wave frequencies can supply home users with capacities in the order of 50-200 Mbit/s Such bit rates allow the transmission of broadband applications including digital TV, video-on-demand etc In order to provide the massive capacities that are required for the distribution of such broadband data between Central Station and Base Stations, optical fiber can be employed The enormous transmission bandwidth and low loss of the fiber ensure that high capacity microwave signals can be encoded on an optical carrier and successfully transmitted from a Central to Base Station. The goal of this project was to develop and test a radio over fiber communication system This involved investigating the generation of microwave optical signals for transmission in optical fiber, followed by an examination of the effect of fiber propagation on the microwave optical signals

Frequency comb generation by CW laser injection into a quantum-dot mode-locked laser

100 GHz) RF generation and telecommunication applications. (C) 2012 Optical Society of Americ

Coherent WDM transmission using quantum-dash mode-locked laser diodes as multi-wavelength source and local oscillator

Quantum-dash (QD) mode-locked laser diodes (MLLD) lend themselves as chip-scale frequency comb generators for highly scalable wavelength-division multiplexing (WDM) links in future data-center, campus-area, or metropolitan networks. Driven by a simple DC current, the devices generate flat broadband frequency combs, containing tens of equidistant optical tones with line spacings of tens of GHz. Here we show that QD-MLLDs can not only be used as multi-wavelength light sources at a WDM transmitter, but also as multi-wavelength local oscillators (LO) for parallel coherent reception. In our experiments, we demonstrate transmission of an aggregate data rate of 4.1 Tbit/s (23x45 GBd PDM-QPSK) over 75 km standard single-mode fiber (SSMF). To the best of our knowledge, this represents the first demonstration of a coherent WDM link that relies on QD-MLLD both at the transmitter and the receiver