Adaptive probabilistic shaped modulation for high-capacity free-space optical links

Infrared free-space optics (FSO) provide an attractive solution for ultra-high-capacity wireless communications. However, the full potential of FSO is still being hindered by the apparent random fluctuations on the received optical power, which can be triggered by external factors such as atmospheric turbulence, weather instability, and pointing errors. Through the analysis of long-term experimental measurements, we identify the existence of significant time-domain memory in outdoor FSO links, which is found to be particularly strong under rainy weather conditions. Following this observation, we demonstrate that these memory effects can be effectively utilized to design accurate FSO channel estimation algorithms. Taking advantage of the arbitrary bit-rate granularity provided by probabilistic constellation shaping (PCS), and resorting to a simple moving average channel estimator, we demonstrate 400G+ transmission over a seamless fiber-FSO 55-m link with enhanced resilience towards adverse weather conditions. Comparing with unsupervised fixed modulation, we demonstrate a significant increase in average bit-rate (>35 Gbps) after continuous measurement over 3 hours, including raining periods

Next-generation High-Capacity Communications with High Flexibility, Efficiency, and Reliability

The objective of this dissertation is to address the flexibility, efficiency and reliability in high-capacity heterogeneous communication systems. We will experimentally investigate the shaping techniques, and further extend them to more diverse and complicated scenarios, which result in more flexible systems. The scenarios include 1) entropy allocation scheme under uneven frequency response for multi-carrier system, 2) fiber-free space optics link using unipolar pairwise distribution, and 3) flexible rate passive optical network with a wide range of received optical powers. Next, we perform efficiency analysis in inter-data center and long-haul communications. We will characterize the impact of the laser linewidth, jitter tones, and the flicker noise on coherent systems with different baud rates and fiber lengths through theoretical analysis, simulation, and experimental validation. The trade-off analysis indicates the importance of setting up frequency noise power spectral density masks to qualify the transceiver laser design. Besides efficiency analysis, we will also work on efficient system architecture and algorithm design. We investigate the combined impact of various hardware impairments using proposed simplified DSP schemes in beyond 800G self-homodyne coherent system. The proposed scheme is very promising for next-generation intra-data center applications. On the other hand, to improve the data efficiency of the nonlinearity correction algorithm in broadband communication systems, we leverage the semi-supervised method and Lasso. Experimental results validate that Lasso can reduce the required pilot symbol number by exploiting the sparsity of the tap coefficients. Semi-supervised method can further enhance the system performance without introducing additional overhead. Last but not least, regarding reliability, we propose and experimentally demonstrate an ultra-reliable integrated millimeter wave and free space optics analog radio over fiber system with algorithm design. The multiple-spectra operation shows superior performance in reliability and sensitivity compared to the conventional systems, even in extreme weather conditions and strong burst interference.Ph.D

On symbol error performance of probabilistic shaping in noise-limited and fading channels

In this work, we present symbol error performance analysis of probabilistic shaping (PS) for wireless communications in noise-limited and fading channels. Two fading models considered are the Rayleigh and log-normal fading channels. The results are corroborated with simulation and compared with the conventional uniformly distributed input symbols. In all channel conditions, PS results in significant reductions in the SNR required to achieve a specific error probability compared to the conventional uniformly shaped symbols. For example, in a noise-limited channel, PS based quadrature amplitude modulation (QAM) signal results in SNR gains of 1.16 dB, 1.41 dB, and 1.52 dB compared to the uniformly distributed QAM symbols at equal entropy rates of 4, 6, and 8 bit/symbol and a symbol error ratio (SER) of 1×10-3

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

Characterisation of optimum devices and parameters for enhanced optical frequency comb generation

The Internet has become an irreplaceable aspect of our daily life. It is used every day by billions of people around the world for various functions such as business, study, and entertainment. Hence, an unabated rise in the demand for higher and faster data traffic has been experienced through the last few decades. This demand for bandwidth is further fuelled by the introduction of bandwidth intensive applications such as ultra-high-definition video streaming, real time online gaming and cloud services making the realization of higher capacity and performance optical networks a necessity. Today’s telecommunication systems are static, with pre-provisioned links requiring an expensive and time-consuming reconfiguration process. The state-of-the-art approach (wavelength division multiplexing - WDM), entailing multiple lasers emitting differing wavelengths (each modulated) multiplexed together (on a 50 GHz grid), cannot meet the growing demands. Hence, future networks need to be flexible and programmable, allowing for resources to be directed, where the demand exists, thus improving network efficiency. A cost-effective solution is to utilise the legacy fibre infrastructure more efficiently by reducing the size of the guard bands and allowing closer optical carrier spacing, thereby increasing the overall spectral efficiency. However, such a scheme imposes a stringent transmitter requirement in terms of wavelength stability, noise properties and cost-efficiency, which would not be met with the incumbent laser-array based transmitters. An attractive alternative would be to employ an optical frequency comb (OFC), which generates multiple phase-correlated optical carriers with a precise frequency separation. The reconfigurability of such a multi-carrier transmitter would enable tuning of channel spacing, number of carriers and emission wavelengths, according to the dynamic network demands. This thesis focusses on the externally injected gain-switched laser-based OFC (GSL-OFC) technique. Advances to the state of the art are achieved via a detailed static and dynamic characterisation of lasers, which is then used for enhancing the comb generation process. Specifically, initial efforts are devoted to the use of different laser structures for OFC generation. This aspect is then furthered by incorporating the concept of photonic integration to reduce the cost, power consumption and footprint of the multi-carrier transmitter. Self and externally seeded photonic integrated circuits are used to generate combs that are then fully characterized to verify their employability in optical networks