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

Roadmap on all-optical processing

The ability to process optical signals without passing into the electrical domain has always attracted the attention of the research community. Processing photons by photons unfolds new scenarios, in principle allowing for unseen signal processing and computing capabilities. Optical computation can be seen as a large scientific field in which researchers operate, trying to find solutions to their specific needs by different approaches; although the challenges can be substantially different, they are typically addressed using knowledge and technological platforms that are shared across the whole field. This significant know-how can also benefit other scientific communities, providing lateral solutions to their problems, as well as leading to novel applications. The aim of this Roadmap is to provide a broad view of the state-of-the-art in this lively scientific research field and to discuss the advances required to tackle emerging challenges, thanks to contributions authored by experts affiliated to both academic institutions and high-tech industries. The Roadmap is organized so as to put side by side contributions on different aspects of optical processing, aiming to enhance the cross-contamination of ideas between scientists working in three different fields of photonics: optical gates and logical units, high bit-rate signal processing and optical quantum computing. The ultimate intent of this paper is to provide guidance for young scientists as well as providing research-funding institutions and stake holders with a comprehensive overview of perspectives and opportunities offered by this research field

Quantum Dash Multi-Wavelength Lasers for Next Generation High Capacity Multi-Gb/s Millimeter-Wave Radio-over-Fiber Wireless Communication Networks

The ever-increasing proliferation of mobile users and new technologies with different applications and features, and the demand for reliable high-speed high capacity, pervasive connectivity and low latency have initiated a roadmap for the next generation wireless networks, fifth generation (5G), which is set to revolutionize the existing wireless communications. 5G will use heterogeneous higher carrier frequencies from the plentifully available spectra in the higher microwave and millimeter-wave (MMW) bands, including licensed and unlicensed spectra, for achieving multi-Gb/s wireless connectivity and overcoming the existing wireless spectrum crunch in the sub-6 GHz bands, resulting from the tremendous growth of data-intensive technologies and applications. The use of MMW when complemented by multiple-input-multiple-output (MIMO) technology can significantly increase data capacity through spatial multiplexing, and improve coverage and system reliability through spatial diversity. However, high-frequency MMW signals are prone to extreme propagation path loss and are challenging to generate and process with conventional bandwidth-limiting electronics. In addition, the existing digitized fronthaul for centralized radio access network (C-RAN) architecture is considered inefficient for 5G and beyond. Thus, to fully exploit the promising MMW 5G new radio (NR) resource and to alleviate the electronics and fronthaul bottleneck, microwave photonics with analog radio-over-fiber (A-RoF) technology becomes instrumental for optically synthesizing and processing broadband RF MMW wireless signals over optical links. The generation and distribution of high-frequency MMW signals in the optical domain over A-RoF links facilitate the seamless integration of high-capacity, reliable and transparent optical networks with flexible, mobile and pervasive wireless networks, extending the reach and coverage of high-speed broadband MMW wireless communications. Consequently, this fiber-wireless integration not only overcomes the problem of high bandwidth requirements, transmission capacity and span limitation but also significantly reduces system complexity considering the deployment of ultra-dense small cells with large numbers of 5G remote radio units (RRUs) having massive MIMO antennas with beamforming capabilities connected to the baseband units (BBU) in a C-RAN environment through an optical fiber-based fronthaul network. Nevertheless, photonic generation of spectrally pure RF MMW signals either involves complex circuitry or suffers from frequency fluctuation and phase noise due to uncorrelated optical sources, which can degrade system performance. Thus simple highly integrated and cost-efficient low-noise optical sources are required for next-generation MMW RoF wireless transmission systems. More recently, well-designed quantum confined nanostructures such as semiconductor quantum dash/dot multi-wavelength lasers (QD-MWLs) have attracted more interest in the photonic generation of RF MMW signals due to their simple compact and integrated design with highly coherent and correlated optical signals having a very low phase and intensity noise attributed to the inherent properties of QD materials. The main theme of this thesis revolves around the experimental investigation of such nanostructures on the device and system level for applications in high-speed high-capacity broadband MMW RoF-based fronthaul and wireless access networks. Several photonic-aided high-capacity long-reach MMW RoF wireless transmission systems are proposed and experimentally demonstrated based on QD-MWLs with the remote distribution and photonic generation of broadband multi-Gb/s MMW wireless signals at 5G NR (FR2) in the K-band, Ka-band and V-band in simplex, full-duplex and MIMO configurations over 10 to 50 km optical fiber and subsequent wireless transmission and detection. The QD-MWLs-based photonic MMW RoF wireless transmission systems’ designs and experimental demonstrations could usher in a new era of ultra-high-speed broadband multi-Gb/s wireless communications at the MMW frequency bands for next-generation wireless networks. The QD-MWLs investigated in this thesis include a simple monolithically integrated and highly coherent low-noise single-section semiconductor InAs/InP QD buried heterostructure passively mode-locked (PML) laser-based optical coherent frequency comb (CFC) and a novel monolithic highly correlated low-noise semiconductor InAs/InP buried heterostructure common-cavity QD dual-wavelength distributed feedback laser (QD-DW-DFBL). The performance of each device is thoroughly characterized experimentally in terms of optical phase noise, relative intensity noise (RIN), timing jitter and RF phase noise exhibiting promising results. Based on these devices, different long-reach photonic MMW RoF wireless transmission systems, including simplex single-input-single-output (SISO) and multiple-input-multiple-output (MIMO) and bidirectional configurations, are proposed and experimentally demonstrated with real-time remote electrical RF synthesizer-free all-optical frequency up-conversion, wireless transmission and successful reception of wide-bandwidth multi-level quadrature amplitude modulated (M-QAM) RF MMW wireless signals having bit rates ranging from 4 Gb/s to 36 Gb/s over different hybrid fiber-wireless links comprising of standard single mode fiber (SSMF) and indoor wireless channel. The end-to-end links are thoroughly investigated in terms of error-vector-magnitude (EVM), bit-error-rat (BER), constellations and eye diagrams, realizing successful error-free transmission. Finally, novel high-capacity spectrally efficient MIMO and optical beamforming enabled photonic MMW RoF wireless transceivers design and methods based on QD-MWLs with wavelength division multiplexing (WDM) and space division multiplexing (SDM) are proposed and discussed. A proof-of-concept implementation of the proposed photonic MMW RoF wireless transmission system is also simulated in a simple WDM-based configuration with bidirectional 4×4 MIMO MMW carrier streams

Directly Phase Modulated Transmitters and Coherent Recivers for Future Passive Optical Networks (PON)

En los últimos años, el tráfico de dato transmitido en las redes ópticas de acceso ha crecido exponencialmente debido a nuevos servicios como pueden ser la computación en la nube, el video online, la realidad virtual y aumentada, el internet de las cosas (IoT) y la convergencia entre las redes ópticas y redes inalámbricas en el paradigma del 5G. Estos nuevos servicios endurecen los requerimientos de las redes ópticas de acceso, como pueden ser unas tasas de datos más altas, un mayor alcance y un mayor número de usuarios. Para abordar estos requerimientos, esta tesis ha investigado, desarrollado y analizado nuevas tecnologías para transmisores y receptores orientadas a los dos tipos de redes ópticas de acceso que la comunidad científica ha identificado como posibles candidatas. Estos dos tipos de redes ópticas son las redes uDWDM y las redes TWDM como las redes NG-PON2 y sus evoluciones.Las redes uDWDM están basadas en la transmisión de tasas de datos relativamente bajas, por debajo de 2.5 Gbps, que son dedicadas en su totalidad a los usuarios finales. Estas tasas de datos relativamente bajas son multiplexadas en longitud de onda usando intervalos frecuenciales estrechos, del orden de 12.5 GHz o 6.25 GHz. En esta tesis, los transmisores modulados directamente en fase se han propuesto como posibles candidatos para estas redes uDWDM. En concreto, se han propuesto un DFB modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; un RSOA bombeado por un VCSEL y modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; y un VCSEL modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1.25 Gbps y 2.5 Gbps. Estas señales moduladas directamente en fase son recibidas con un receptor heterodino con un único fotodiodo (PD) para mantener el coste tan bajo como sea posible. La combinación de estos transmisores modulados directamente en fase con el receptor heterodino con un único PD ha sido probada como unos candidatos muy prometedores para las redes ópticas de acceso basadas en redes uDWDM. Estas combinaciones proveen sensibilidades que varían entre -39.5 dBm y -52 dBm, que se traducen en balances de potencia que van desde 38.5 dB a 51 dB y por lo tanto en ratios de división o número de usuarios de entre 128 y 1024 después de una transmisión de 50 km a través de fibra monomodo estándar (SSMF).Además, los links de 1 Gbps formados por la modulación directa de DFBs o de RSOAs bombeados por VCSELs y el receptor heterodino con un único PD son usados como enlace de subida en canales bidireccionales. Estos enlaces de subida son combinados con enlaces de bajada basados en Nyquist-DPSK generada con un MZM y recibidos con un receptor heterodino de un único PD. Como parte de análisis de los canales bidireccionales, se ha analizado el estudio de la viabilidad del uso de LOs de bajo coste, como DFBs o VCSELs, en los receptores heterodinos con un único PD. Estos canales bidireccionales son también unos candidatos prometedores para las futuras redes uDWDM, ya que en esta tesis se ha probado que pueden proveer enlaces full-duplex de 1 Gbps usando intervalos frecuenciales tan pequeños como 6.25 GHz o 5 GHz. Estos canales bidireccionales tienen balances de potencia que van desde 37 dB a 42 dB y tienen posibles ratios de división de 128 o 256 después de una transmisión de 50 km a través de SSMF.Esta tesis también ha investigado y desarrollado receptores quasicoherentes para redes NG-PON2 y sus evoluciones. Este tipo de redes están basadas en altas tasas de datos, como 10 Gbps para redes NG-PON2 y 25 Gbps para las futuras evoluciones de NG-PON2, en entornos multi longitud de onda donde los usuarios son multiplexados en tiempo y longitud de onda (TWDM). El receptor quasicoherente usa la amplificación coherente gracias a la recepción heterodina y por tanto la sensibilidad del receptor es mejorada en comparación con los esquemas de detección directa. El receptor quasicoherente es independiente a la polarización, lo cual es una característica importante para los receptores coherentes. Además, el receptor quasicoherente permite seleccionar el canal de trabajo sin la necesidad de filtros ópticos y es un receptor independiente de la longitud de onda debido a que el canal de trabajo se puede elegir ajustando la longitud de onda del LO. El receptor quasicoherente de 10 Gbps muestra una sensibilidad -35.2 dBm y por tanto permite un balance de potencias de 35.64 dB y un ratio de división de 128 después de una transmisión de 40 km a través de SSMF.La combinación del receptor quasicoherente con un ecualizador FFE/DFE permite combatir la dispersión cromática de la banda C y conseguir un link de 25 Gbps con un alcance de 20 km a través de SSMF. El receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE muestra una mejor sensibilidad de -30.5 dBm con el llamado ecualizador de altas prestaciones, lo que lleva a un balance de potencias de25 dB. Si se utilizada el llamado ecualizador de baja complejidad, la sensibilidad cae a -27 dBm y el balance de potencias cae a 23 dBm. En ambos casos, el receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE permite un ratio de división de 32 después de una transmisión de 20 km a través de SSMF.En conclusión, esta tesis ha presentado transmisores (DFB, RSOA y VCSEL) modulados directamente en fase combinados con un receptor heterodino con un único PD como potenciales candidatos para las redes uDWDM. Esta tesis también ha presentados los receptores quasicoherentes como unos candidatos muy prometedores para las redes NG-PON2 y sus futuras evoluciones.<br /

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

Research and Technology, 1998

This report selectively summarizes the NASA Lewis Research Center's research and technology accomplishments for the fiscal year 1998. It comprises 134 short articles submitted by the staff scientists and engineers. The report is organized into five major sections: Aeronautics, Research and Technology, Space, Engineering and Technical Services, and Commercial Technology. A table of contents and an author index have been developed to assist readers in finding articles of special interest. This report is not intended to he a comprehensive summary of all the research and technology work done over the past fiscal year. Most of the work is reported in Lewis-published technical reports, journal articles, and presentations prepared by Lewis staff and contractors. In addition, university grants have enabled faculty members and graduate students to engage in sponsored research that is reported at technical meetings or in journal articles. For each article in this report, a Lewis contact person has been identified, and where possible, reference documents are listed so that additional information can be easily obtained. The diversity of topics attests to the breadth of research and technology being pursued and to the skill mix of the staff that makes it possible. At the time of publication, NASA Lewis was undergoing a name change to the NASA John H. Glenn Research Center at Lewis Field

Aerial Vehicles

This book contains 35 chapters written by experts in developing techniques for making aerial vehicles more intelligent, more reliable, more flexible in use, and safer in operation.It will also serve as an inspiration for further improvement of the design and application of aeral vehicles. The advanced techniques and research described here may also be applicable to other high-tech areas such as robotics, avionics, vetronics, and space

Abstracts on Radio Direction Finding (1899 - 1995)

The files on this record represent the various databases that originally composed the CD-ROM issue of "Abstracts on Radio Direction Finding" database, which is now part of the Dudley Knox Library's Abstracts and Selected Full Text Documents on Radio Direction Finding (1899 - 1995) Collection. (See Calhoun record https://calhoun.nps.edu/handle/10945/57364 for further information on this collection and the bibliography). Due to issues of technological obsolescence preventing current and future audiences from accessing the bibliography, DKL exported and converted into the three files on this record the various databases contained in the CD-ROM. The contents of these files are: 1) RDFA_CompleteBibliography_xls.zip [RDFA_CompleteBibliography.xls: Metadata for the complete bibliography, in Excel 97-2003 Workbook format; RDFA_Glossary.xls: Glossary of terms, in Excel 97-2003 Workbookformat; RDFA_Biographies.xls: Biographies of leading figures, in Excel 97-2003 Workbook format]; 2) RDFA_CompleteBibliography_csv.zip [RDFA_CompleteBibliography.TXT: Metadata for the complete bibliography, in CSV format; RDFA_Glossary.TXT: Glossary of terms, in CSV format; RDFA_Biographies.TXT: Biographies of leading figures, in CSV format]; 3) RDFA_CompleteBibliography.pdf: A human readable display of the bibliographic data, as a means of double-checking any possible deviations due to conversion