Stacked Modulation Formats Enabling Highest-Sensitivity Optical Free-Space Communications

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit hochempfindlichen optischen Kommunikationssystemen, wie sie z.B. bei Intersatellitenlinks verwendet werden. Theoretische Überlegungen zur Steigerung der Empfängerempfindlichkeit werden mit Simulations- und Messergebnissen ergänzt und verifiziert. Auf Grund der steigenden Nachfrage nach optischen Links zwischen Satelliten stellt sich die Frage, was sind geeignete Eckparameter, um ein solches System zu beschreiben. Die gigantischen Datenmengen, die von diversen Messgeräten, wie z.B. hochauflösende Kameras auf einem Satelliten generiert werden, bringen die Kapazitäten klassischer HF-Datenlinks an ihre Grenzen. Hier können optische Kommunikationssysteme auf Grund ihrer hohen Trägerfrequenz im Infrarotbereich sehr hohe Datenraten im Terabit/s Bereich ermöglichen. Systeme mit Radiowellen im GHz Bereich als Trägerfrequenz sind hier deutlich limitierter. [7] Linkdistanz, verfügbare Leistung, Pointinggenauigkeit und verfügbare Antennengröße sind einige Parameter, die einen wichtigen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems haben. Je größer die Distanz und desto kleiner die verfügbare Antennengröße sowohl am Sender als auch am Empfänger sind, desto weniger Signalleistung wird den Detektor erreichen. Nimmt man dann noch ungenaues Pointing hinzu, d.h. Sender und Empfänger sind nicht exakt aufeinander ausgerichtet, treten zusätzliche Verluste auf. [7] Ziel dieser Arbeit ist es, ein vereinfachtes System zu implementieren und zu testen, das mit möglichst wenigen Photonen pro Bit bei einer gegebenen Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer möglichst hohen Datenrate arbeiten kann. Hierfür werden alle Freiheitsgrade einer optischen Welle zur Modulation verwendet, um mit sog. „Stapeln“ von Modulationsformaten eine Empfindlichkeitssteigerung zu erreichen. Die Amplitude des Signals wird durch Pulspositionsmodulation (PPM) moduliert, wobei das zeitlich variable Vorhandensein eines Pulses innerhalb des Symbols die Information enthält. Dieses Modulationsformat weist bis dato die höchste Empfindlichkeit in Literatur und Experimenten auf [4]. Je mehr Möglichkeiten es gibt, einen Puls in einem Symbol zu platzieren, desto höher ist die zu erwartende Empfindlichkeit des Systems. Mit anderen Worten: Steigert man die zeitliche Dauer eines PPM-Symbols, so wächst ebenfalls die Empfängerempfindlichkeit. Da bei diesem Ansatz die Datenrate sinkt, wird in dieser Arbeit eine andere Methode vorgestellt, die Empfindlichkeit eines Übertragungssystems zu steigern, ohne die Symbollänge unnötig in die Länge zu ziehen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Stapeln (sog. „Stacking“) von Modulationsformaten, in dem neben der Amplitudenmodulation weitere Freiheitsgrade, wie die Frequenz, Phase und Polarisation geschickt genutzt werden. Bei der Frequenzumtastung (FSK) wird die optische Frequenz je nach Symbol um ein gewisses Maß verschoben. Bei der polarisations-geschalteten Quadratur-Phasenumtastung (PS-QPSK) werden sowohl die Phase, als auch die Polarisation der optischen Welle moduliert [12]. Als Endergebnis erhält man PPM-FSK-PS-QPSK als Modulationsformat mit hoher Empfindlichkeit. Gegenüber dem reinen PPM wird eine theoretische Empfindlichkeitssteigerung von mehr als 1 dB erreicht. Sowohl Simulations- als auch Messergebnisse bestätigen den Empfindlichkeitsgewinn

Performance of the coherent optical binary polarization-shift-keying heterodyne system in free space optical communications using a lognormal atmospheric turbulence model MIC-CPE 2010

In this paper, simulation results for the bit error rate (BER) performance and fading penalty of a coherent optical binary polarization shift keying (2PolSK) heterodyne system adopted for free space optical (FSO) communication links with a log-normal atmospheric turbulence model is presented. The conditional and unconditional BER expressions are derived, demonstrating the comprehensive similarity between the 2PolSK and binary frequency shift keying (2FSK) schemes with regards to the system sensitivity. The study shows that 2PolSK offers improved performance compared to the binary amplitude shift keying (2ASK

Design of a wavelength control for coherent detection of high order modulation formats

An automatic frequency control design is proposed and demonstrated. It is based on a high-speed optical VCO. An overall design has been performed, based on simulation results. Also, loop delay and phase noise impacts have been evaluated. Frequency discriminator and VCO proposed have been experimentally characterized, showing an agreement with simulation results.Peer ReviewedPostprint (published version

Stacked modulation formats enabling highest-sensitivity optical free-space links

A new modulation scheme with a sensitivity of 2.3 photons per bit at a bit-error ratio (BER) of 10-3 is discussed theoretically and demonstrated experimentally. We achieve a limiting sensitivity of 2.3 photons per bit (3.7 dB photons per bit) by stacking the modulation formats 64PPM, 4FSK and polarization-switched (PS) QPSK. This modulation stack encodes 11 bit per symbol (PPM: 6 bit, FSK: 2 bit, PS-PQSK: 3 bit). We also replaced 4FSK by 2ODFM (2-channel multiplex) for comparison. With 64PPM-2OFDM-PS-QPSK a total of 12 bit are encoded (PPM: 6 bit, 2 OFDM channels with PS-QPSK: 2 x 3 bit). Both modulation stacks show a similar limiting sensitivity and are probably the highest sensitivities so far reported for a BER of 10-3, Our theoretical considerations are supported by simulations and experiments

Atmospheric compensation experiments on free-space optical coherent communication systems

In the last years free-space optical communications systems for wireless links have been proposed, studied, and implemented mainly due to the higher bandwidth that this technology is able to provide. Still, radio frequency (RF) systems have been maintained in practical wireless communications systems due to the improvement of the microwave sources and the development of high speed electronics. Nowadays the circumstances are changing as a consequence of the increasing data-rate needed in terrestrial and outer space communications. The shift from RF systems to optical communication systems in the free space applications provide a wide set of advantageous characteristics that are motivating the use of these optical technologies in detriment of the RF systems. One of the key reasons is the advantage of working with optical wavelengths in compare to the RF spectral band. As well as the already mentioned increase in the available bandwidth due to the fact that higher optical frequencies directly mean wider bandwidths, the use of optical frequencies lead to a better performance in terms of the received power: for equal antenna sizes the received signal goes inversely as the square of the wavelength. Of the most interest, recent coherent optical communication systems address modulation and detection techniques for high spectral efficiency and robustness against transmission impairments. Coherent detection is an advanced detection technique for achieving high spectral efficiency and maximizing power or signal-to-noise (SNR) efficiency, as symbol decisions are made using the in-phase and quadrature signals, allowing information to be encoded in all the available degrees of freedom. In this context, the effects of Earth's atmosphere must be taken into account. Turbulenceinduced wavefront distortions affect the transmitted beam responsible for deterioration of the link bit error rate (BER). The use of adaptive optics to mitigate turbulence-induced phase fluctuations in links employing coherent (synchronous) detection is poised to reduce performance penalties enabling a more capable next generation of free-space optical communications. In this work, we describe the implementation of a free space optical coherent communication system using QPSK modulation and heterodyne downconvertion that uses adaptive optics techniques and digital signal processing to mitigate turbulenceinduced phase fluctuations and channel impairments in coherent receivers. A new method for generating atmospheric turbulence based on binary computer generated holography (BCGH) using binary arrays is presented and its performance is evaluated. The feasibility of FSO coherent systems working with adaptive optics is demonstrated and the system performance in terms of the BER is experimentally evaluated under the influence of atmospheric turbulence. The resulting system performance is compared against the theoretical models. The viability of the approach to improve the system efficiency and sensitivity of coherent receivers is experimentally demonstrated.En los últimos años las comunicaciones ópticas en el espacio libre han sido propuestas, analizadas e implementadas debido, principalmente, al gran ancho de banda disponible mediante esta tecnología. Aún así, en la práctica, los sistemas de radiofrecuencia (RF) han sido mantenidos en las aplicaciones comerciales debido a la mejora de los dispositivos utilizados y al desarrollo de equipos electrónicos con gran velocidad de procesado. Hoy en día la situación está cambiando como consecuencia de un incremento en la tasa de transmisión requerida en sistemas de comunicaciones terrestres y en el espacio exterior. El cambio de sistemas de RF hacia sistemas ópticos en el espacio libre implica una serie de ventajas clave que motiva la transición hacia estas tecnologías. La primera y gran ventaja de trabajar con frecuencias pertenecientes al espectro óptico es el aumento del ancho de banda disponible, ya que trabajar a alta frecuencia implica directamente un incremento en el ancho de banda. Además, la eficiencia en términos de potencia es incrementada, ya que, para un tamaño de antena fijo, la potencia de señal recivida es proporcional al inverso de la longitud de onda al cuadrado. De especial interés es el desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticos que utilicen modulaciones complejas, lo que implica una mayor eficiencia espectral y una mayor robustez contra efectos perniciosos introducidos por el canal. La detección coherente es una avanzada técnica que permite un aumento en la eficiencia espectral y maximiza la eficiencia de la potencia recibida. Esto es debido a que los simbolos son demodulados utilizando las señales en fase y cuadratura, aumentando los grados de libertad del sistema. En este contexto, los efectos de la atmósfera sobre las comunicaciones ópticas coherentes deben ser analizadas en detalle. Las turbulencias atmosféricas distorsionan el frente de onda y son responsables del deterioro de la tasa de error en las comunicaciones ópticas en el espacio libre. El uso de óptica adaptativa para mitigar los efectos de turbulencia atmosphérica abre una ventana a la implementación de la próxima generación de sistemas de comunicaciones, basados en tecnologías coherentes. En este trabajo se describe la implementación de un sistema completo de comunicaciones ópticas coherentes utilizando una modulación coherente (QPSK) y detección heterodina. Un sistema de óptica adaptativa y algoritmos de procesado de señal son implementados con el objetivo de mitigar los diferentes efectos introducidos por el canal. Por otro lado, un nuevo método para generar frentes de onda distorsionados por el canal atmosférico es desarrollado y su eficiencia es analizada. Este método se basa en el uso de holografía binaria generada por computador (BCGH) junto con un dispositivo de modulación óptica binaria de bajo coste (DLP). El funcionamiento del sistema completo es verificado y su eficiencia, en términos de tasa de error, son analizados. La eficiencia obtenida experimentalmente es comparada contra los modelos teóricos propuestos en la literatura. La viabilidad del uso de óptica adaptativa para mitigar efectos en sistemas ópticos coherentes es experimentalmente demostrada

Efficiency of complex modulation methods in coherent free-space optical links

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Real-time digital signal processing for new wavelength-to-the-user optical access networks

Nowadays, optical access networks provide high capacity to end users with growing availability of multimedia contents that can be streamed to fixed or mobile devices. In this regard, one of the most flexible and low-cost approaches is Passive Optical Network (PON) that is used in Fiber-to-the-Home (FTTH). Due to the growing of the bandwidth demands, Wavelength Division Multiplexing (WDM), and later on ultra-dense WDM (udWDM) PON, with a narrow channel spacing, to increase the number of users through a single fiber, has been deployed. The udWDM-PON with coherent technology is an attractive solution for the next generation optical access networks with advanced digital signal processing (DSP). Thanks to the higher sensitivity and improved channel selectivity in coherent detection with efficient DSP, optical networks support larger number of users in longer distances. Since the cost is the main concern in the optical access networks, this thesis presents DSP architectures in coherent receiver (Rx), based on low-cost direct phase modulated commercial DFB lasers. The proposals are completely in agreement with consept of wavelength-to-the-user, where each client in optical network is dedicated to an individual wavelength. Next, in a 6.25 GHz spaced udWDM grid with the optimized DSP techniques and phase-shift-keying (PSK) modulation format, the high sensitivity is achieved in real-time field-programmable-gate-array (FPGA) implementations. Moreover, this thesis reduces hardware complexity of optical carrier recovery (CR) with two various strategies. First, based on differential mth-power frequency estimator (FE) by using look-up-tables (LUTs) and second, LUT-free CR architecture, with optimizing the power consumption and hardware resources, as well as improving the channel selectivity in terms of speed and robustness. Furthermore, by designing very simple but efficient clock recovery, a symbol-rate DSP architecture, which process data using only one sample per symbol (1-sps), for polarization diversity (POD) structure, becomes possible. It makes the DSP independent from state-of-polarization (SOP), even in the case of low-cost optical front-end and low-speed analog-to-digital converters (ADCs), keeps the performance high as well as sensitivity in real-time implementations on FPGA.Avui en dia, les xarxes d'accés òptic proporcionen una alta capacitat als usuaris finals amb una creixent disponibilitat de continguts multimèdia que es poden transmetre a dispositius fixos o mòbils. En aquest sentit, un dels enfocaments més flexibles i de baix cost és la Xarxa Òptica Passiva (PON) que s'utilitza a Fibra-fins-la-Llar (FTTH). A causa del creixent requeriment de l'ample de banda, s'ha desplegat la multiplexació de divisió d'ona (WDM) i, posteriorment, el PON amb WDM d'alta densitat (udWDM), amb un espaiat estret de canals, per augmentar el nombre d'usuaris a través d'una sola fibra. L'udWDM-PON amb tecnologia coherent és una solució atractiva per a les xarxes d'accés òptic d'última generació amb processament avançat de senyal digital (DSP). Gràcies a la major sensibilitat i a la selectivitat millorada del canal en la detecció coherent amb DSP eficient, les xarxes òptiques suporten un nombre més gran d'usuaris a distàncies més llargues. Atès que el cost és la principal preocupació en les xarxes d'accés òptic, aquesta tesi presenta arquitectures DSP en receptor coherent (Rx), basades en làsers DFB comercials modulats en fase directa de baix cost. Les propostes estan d'acord amb la asignació de la longitud d'ona a l'usuari, on a cada client de la xarxa òptica se li dedica a una longitud d'ona individual. A continuació, en una graella udWDM espaciada de 6,25 GHz amb les tècniques de DSP optimitzades i el format de modulació de fase (PSK), s'aconsegueix l'alta sensibilitat en implementacions field-programable-gate-array (FPGA) en temps real. A més, aquesta tesi redueix la complexitat del maquinari de recuperació òptica de portadors (CR) amb dues estratègies diverses. Primer, basat en un estimador de freqüència de potència diferencial (FE) mitjançant l'ús de taules de cerca (LUTs) i, en segon lloc, l'arquitectura CR sense LUT, amb l'optimització del consum d'energia i els recursos de maquinari, a més de millorar la selectivitat del canal en termes de velocitat i robustesa. A més, al dissenyar una recuperació de rellotge molt simple, però eficaç, es fa possible una arquitectura DSP a la velocitat dels símbols, que processa dades utilitzant només una mostra per símbol (1-sps) per a l'estructura de la diversitat de polarització òptica (POD). Fa que el DSP sigui independent de l'estat de polarització (SOP), fins i tot en el cas dels analog-to-digital converters (ADC) de front-end òptics de baix cost, i manté el rendiment alt i la sensibilitat en les implementacions en temps real de FPGA.Postprint (published version