Cost-Effective Spectrally-Efficient Optical Transceiver Architectures for Metropolitan and Regional Links

The work presented herein explores cost-effective optical transceiver architectures for access, metropolitan and regional links. The primary requirement in such links is cost-effectiveness and secondly, spectral efficiency. The bandwidth/data demand is driven by data-intensive Internet applications, such as cloud-based services and video-on-demand, and is rapidly increasing in access and metro links. Therefore, cost-effective optical transceiver architectures offering high information spectral densities (ISDs > 1(b/s)/Hz) need to be implemented over metropolitan distances. Then, a key question for each link length and application is whether coherent- or direct (non-coherent) detection technology offers the best cost and performance trade-off. The performance and complexity limits of both technologies have been studied. Single polarization direct detection transceivers have been reviewed, focusing on their achievable ISDs and reach. It is concluded that subcarrier modulation (SCM) technique combined with single sideband (SSB) and high-order quadrature amplitude modulation (QAM) signaling, enabled by digital signal processing (DSP) based optical transceivers, must be implemented in order to exceed an ISD of 1 (b/s)/Hz in direct-detection links. The complexity can be shifted from the optical to the electrical domain using such transceivers, and hence, the cost can be minimized. In this regard, a detailed performance comparison of two spectrally-efficient direct detection SCM techniques, namely Nyquist-SCM and OFDM, is presented by means of simulations. It is found out that Nyquist-SCM format offers the transmission distances more than double that of OFDM due to its higher resilience to signal-signal beating interference. Following this, dispersion-precompensated SSB 4- and 16-QAM Nyquist-SCM signal formats were experimentally demonstrated using in-phase and quadrature (IQ)-modulators at net optical ISDs of 1.2 and 2 (b/s)/Hz over 800 km and 323 km of standard single-mode fibre (SSMF), respectively. These demonstrations represent record net optical ISDs over such distances among the reported single polarization wavelength division multiplexed (WDM) systems. Furthermore, since the cost-effectiveness is crucial, the optical complexity of Nyquist-SCM transmitters can be significantly reduced by using low-cost modulators and high-linewidth lasers. A comprehensive theoretical study on SSB signal generation using IQ- and dual-drive Mach-Zehnder modulators (DD-MZMs) was carried out to assess their performance for WDM direct detection links. This was followed by an experimental demonstration of WDM transmission over 242 km of SSMF with a net optical ISD of 1.5 (b/s)/Hz, the highest achieved ISD using a DD-MZM-based transmitter. Following the assessment of direct detection technology using various transmitter designs, cost-effective simplified coherent receiver architectures for access and metro networks have been investigated. The optical complexity of the conventional (polarization- and phase-diverse) coherent receiver is significantly simplified, i.e., consisting of a single 3 dB coupler and balanced photodetector, utilizing heterodyne reception and Alamouti polarization-time block coding. Although the achievable net optical ISD is halved compared to a conventional coherent receiver due to Alamouti coding, its receiver sensitivity provides significant gain over a direct detection receiver at M-ary QAM formats where M ≥16

Optical multicarrier sources for spectrally efficient optical networks

During the last 30 years the capacity of commercial optical systems exceeded the network traffic requirements, mainly due to the extraordinary scalability of wavelength division multiplexing technology that has been successfully used to expand capacity in optical systems and meet increasing bandwidth requirements since the early 1990’s. Nevertheless, the rapid growth of network traffic inverted this situation and current trends show faster growing network traffic than system capacity. To enable further and faster growth of optical communication network capacity, several breakthroughs occurred during the last decade. First, optical coherent communications, which were the subject of intensive research in the 1980’s, were revived. This triggered the employment of advanced modulation formats. Afterwards, with the introduction of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and Nyquist WDM modulation techniques in optical communication systems, very efficient utilisation of the available spectral bandwidth was enabled. In such systems the spectral guard bands between neighbouring channels are minimised, at the expense of stricter requirements on the performance of optical sources, especially the frequency (or wavelength) stability. Attractive solutions to address the frequency stability issues are optical multicarrier sources which simultaneously generate multiple phase correlated optical carriers that ensure that the frequency difference between the carriers is fixed. In this thesis, a number of optical multicarrier sources are presented and analysed, with special focus being on semiconductor mode-locked lasers and gain-switched comb sources. High capacity and spectrally efficient optical systems for short and medium reach applications (from 3 km up to 300 km), based on optical frequency combs as optical sources, advanced modulation formats (m-QAM) and modulation techniques (OFDM and Nyquist WDM) have been proposed and presented. Also, certain optoelectronic devices (i.e. semiconductor optical amplifier) and techniques (feed-forward heterodyne linewidth reduction scheme) have been utilised to enable the desired system performance

Advanced DSP Techniques for High-Capacity and Energy-Efficient Optical Fiber Communications

The rapid proliferation of the Internet has been driving communication networks closer and closer to their limits, while available bandwidth is disappearing due to an ever-increasing network load. Over the past decade, optical fiber communication technology has increased per fiber data rate from 10 Tb/s to exceeding 10 Pb/s. The major explosion came after the maturity of coherent detection and advanced digital signal processing (DSP). DSP has played a critical role in accommodating channel impairments mitigation, enabling advanced modulation formats for spectral efficiency transmission and realizing flexible bandwidth. This book aims to explore novel, advanced DSP techniques to enable multi-Tb/s/channel optical transmission to address pressing bandwidth and power-efficiency demands. It provides state-of-the-art advances and future perspectives of DSP as well

デジタルコヒーレント光伝送における超多値信号の高精度歪み補償に関する研究

Tohoku University中沢正隆課

Enabling Technology in Optical Fiber Communications: From Device, System to Networking

This book explores the enabling technology in optical fiber communications. It focuses on the state-of-the-art advances from fundamental theories, devices, and subsystems to networking applications as well as future perspectives of optical fiber communications. The topics cover include integrated photonics, fiber optics, fiber and free-space optical communications, and optical networking

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

Coherent Phase-Modulated Optical Fiber Communications with Linear and Nonlinear Phase Noise

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH