Digital Linearization of High Capacity and Spectrally Efficient Direct Detection Optical Transceivers

Metropolitan area networks are experiencing unprecedented traffic growth. The provision of information and entertainment supported by cloud services, broadband video and mobile technologies such as long-term evolution (LTE) and 5G are creating a rapidly increasing demand for bandwidth. Although wavelength division multiplexing (WDM) architectures have been introduced into metro transport networks to provide significant savings over single-channel systems, to cope with the ever-increasing traffic growth, it is urgently required to deploy higher data rates (100 Gb/s and beyond) for each WDM channel. In comparison to dual-polarization digital coherent transceivers, single-polarization and single photodiode-based direct-detection (DD) transceivers may be favourable for metropolitan, inter-data centre and access applications due to their use of a simple and low-cost optical hardware structure. Single sideband (SSB) quadrature amplitude modulation (QAM) subcarrier modulation (SCM) is a promising signal format to achieve high information spectral density (ISD). However, due to the nonlinear effect termed signal-signal beat interference (SSBI) caused by the square-law detection, the performance of such SSB SCM DD systems is severely degraded. Therefore, it is essential to develop effective and low-complexity linearization techniques to eliminate the SSBI penalty and improve the performance of such transceivers. Extensive studies on SSB SCM DD transceivers employing a number of novel digital linearization techniques to support high capacity (≥ 100 Gb/s per channel) and spectrally-efficient (net ISD > 2 b/s/Hz) WDM transmission covering metropolitan reach scenarios (up to 240 km) are described in detail in this thesis. Digital modulation formats that can be used in DD links and the corresponding transceiver configurations are firstly reviewed, from which the SSB SCM signalling format is identified as the most promising format to achieve high data rates and ISDs. Following this, technical details of the digital linearization approaches (iterative SSBI cancellation, single-stage linearization filter and simplified non-iterative SSBI cancellation, two-stage linearization filter, Kramers-Kronig scheme) considered in the thesis are presented. Their compensation performance in a dispersion pre-compensated (Tx-EDC) 112 Gb/s per channel 35 GHz-spaced WDM SSB 16-QAM Nyquist-SCM DD system transmitting over up to 240 km standard single-mode fibre (SSMF) is assessed. Net ISDs of up to 3.18 b/s/Hz are achieved. Moreover, we also show that, with the use of effective digital linearization techniques, further simplification of the DD transceivers can be realized by moving electronic dispersion compensation from the transmitter to the receiver without sacrificing performance. The optical ISD limit of SSB SCM DD system finally explored through experiments with higher-order modulation formats combined with effective digital linearization techniques. 168 Gb/s per channel WDM 64-QAM signals were successfully transmitted over 80 km, achieving a record net optical ISD of 4.54 b/s/Hz. Finally, areas for further research are identified

Transmissores-recetores de baixa complexidade para redes óticas

Traditional coherent (COH) transceivers allow encoding of information in both quadratures and the two orthogonal polarizations of the electric field. Nevertheless, such transceivers used today are based on the intradyne scheme, which requires two 90o optical hybrids and four pairs of balanced photodetectors for dual-polarization transmission systems, making its overall cost unattractive for short-reach applications. Therefore, SSB methods with DD reception, commonly referred to as self-coherent (SCOH) transceivers, can be employed as a cost-effective alternative to the traditional COH transceivers. Nevertheless, the performance of SSB systems is severely degraded. This work provides a novel SCOH transceiver architecture with improved performance for short-reach applications. In particular, the development of phase reconstruction digital signal processing (DSP) techniques, the development of other DSP subsystems that relax the hardware requirement, and their performance optimization are the main highlights of this research. The fundamental principle of the proposed transceiver is based on the reception of the signal that satisfies the minimum phase condition upon DD. To reconstruct the missing phase information imposed by DD, a novel DCValue method exploring the SSB and the DC-Value properties of the minimum phase signal is developed in this Ph.D. study. The DC-Value method facilitates the phase reconstruction process at the Nyquist sampling rate and requires a low intensity pilot signal. Also, the experimental validation of the DC-Value method was successfully carried out for short-reach optical networks. Additionally, an extensive study was performed on the DC-Value method to optimize the system performance. In the optimization process, it was found that the estimation of the CCF is an important parameter to exploit all advantages of the DC-Value method. A novel CCF estimation technique was proposed. Further, the performance of the DC-Value method is optimized employing the rate-adaptive probabilistic constellation shaping.Os sistemas de transcetores coerentes tradicionais permitem a codificação de informação em ambas quadraturas e em duas polarizações ortogonais do campo elétrico. Contudo, estes transcetores utilizados atualmente são baseados num esquema intradino, que requer dois híbridos óticos de 90o e quatro pares de foto detetores para sistemas de transmissão com polarização dupla, fazendo com que o custo destes sistemas seja pouco atrativo para aplicações de curto alcance. Por isso, métodos de banda lateral única com deteção direta, também referidos como transcetores coerentes simplificados, podem ser implementados como uma alternativa de baixo custo aos sistemas coerentes tradicionais. Contudo, o desempenho de sistemas de banda lateral única tradicionais é gravemente degradado pelo batimento sinal-sinal. Nesta tese foi desenvolvida uma nova arquitetura de transcetor coerente simplificada com um melhor desempenho para aplicações de curto alcance. Em particular, o desenvolvimento de técnicas de processamento digital de sinal para a reconstrução de fase, bem como de outros subsistemas de processamento digital de sinal que minimizem os requerimentos de hardware e a sua otimização de desempenho são o foco principal desta tese. O princípio fundamental do transcetor proposto é baseado na receção de um sinal que satisfaz a condição mínima de fase na deteção direta. Para reconstruir a informação de fase em falta causada pela deteção direta, um novo método de valor DC que explora sinais de banda lateral única e as propriedades DC da condição de fase mínima é desenvolvido nesta tese. O método de valor DC facilita a reconstrução da fase à frequência de amostragem de Nyquist e requer um sinal piloto de baixa intensidade. Além disso, a validação experimental do método de valor DC foi executada com sucesso em ligações óticas de curto alcance. Adicionalmente, foi realizado um estudo intensivo do método de valor DC para otimizar o desempenho do sistema. Neste processo de otimização, verificou-se que o fator de contribuição da portadora é um parâmetro importante para explorar todas as vantagens do método de valor DC. Neste contexto, é proposto um novo método para a sua estimativa. Por último, o desempenho do método de valor DC é otimizado recorrendo a mapeamento probabilístico de constelação com taxa adaptativa.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Spectral Properties of Phase Noises and the Impact on the Performance of Optical Interconnects

The non-ending growth of data traffic resulting from the continuing emergence of Internet applications with high data-rate demands sets huge capacity requirements on optical interconnects and transport networks. This requires the adoption of optical communication technologies that can make the best possible use of the available bandwidths of electronic and electro-optic components to enable data transmission with high spectral efficiency (SE). Therefore, advanced modulation formats are required to be used in conjunction with energy-efficient and cost-effective transceiver schemes, especially for medium- and short-reach applications. Important challenges facing these goals are the stringent requirements on the characteristics of optical components comprising these systems, especially laser sources. Laser phase noise is one of the most important performance-limiting factors in systems with high spectral efficiency. In this research work, we study the effects of the spectral characteristics of laser phase noise on the characterization of lasers and their impact on the performance of digital coherent and self-coherent optical communication schemes. The results of this study show that the commonly-used metric to estimate the impact of laser phase noise on the performance, laser linewidth, is not reliable for all types of lasers. Instead, we propose a Lorentzian-equivalent linewidth as a general characterization parameter for laser phase noise to assess phase noise-related system performance. Practical aspects of determining the proposed parameter are also studied and its accuracy is validated by both numerical and experimental demonstrations. Furthermore, we study the phase noises in quantum-dot mode-locked lasers (QD-MLLs) and assess the feasibility of employing these devices in coherent applications at relatively low symbol rates with high SE. A novel multi-heterodyne scheme for characterizing the phase noise of laser frequency comb sources is also proposed and validated by experimental results with the QD-MLL. This proposed scheme is capable of measuring the differential phase noise between multiple spectral lines instantaneously by a single measurement. Moreover, we also propose an energy-efficient and cost-effective transmission scheme based on direct detection of field-modulated optical signals with advanced modulation formats, allowing for higher SE compared to the current pulse-amplitude modulation schemes. The proposed system combines the Kramers-Kronig self-coherent receiver technique, with the use of QD-MLLs, to transmit multi-channel optical signals using a single diode laser source without the use of the additional RF or optical components required by traditional techniques. Semi-numerical simulations based on experimentally captured waveforms from practical lasers show that the proposed system can be used even for metro scale applications. Finally, we study the properties of phase and intensity noise changes in unmodulated optical signals passing through saturated semiconductor optical amplifiers for intensity noise reduction. We report, for the first time, on the effect of phase noise enhancement that cannot be assessed or observed by traditional linewidth measurements. We demonstrate the impact of this phase noise enhancement on coherent transmission performance by both semi-numerical simulations and experimental validation

Towards Higher Speed Next Generation Passive Optical Networks

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

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

All-optical signal processing using semiconductor optical amplifiers for next generation optical networks

This thesis details an experimental and simulation investigation of some novel all-optical signal processing techniques for future optical communication networks. These all-optical techniques include modulation format conversion, phase discrimination and clock recovery. The methods detailed in this thesis use the nonlinearities associated with semiconductor optical amplifiers (SOA) to manipulate signals in the optical domain. Chapter 1 provides an introduction into the work detailed in this thesis, discusses the increased demand for capacity in today’s optical fibre networks and finally explains why all-optical signal processing may be of interest for future optical networks. Chapter 2 discusses the relevant background information required to fully understand the all-optical techniques demonstrated in this thesis. Chapter 3 details some pump-probe measurement techniques used to calculate the gain and phase recovery times of a long SOA. A remarkably fast gain recovery is observed and the wavelength dependent nature of this recovery is investigated. Chapter 4 discusses the experimental demonstration of an all-optical modulation conversion technique which can convert on-off- keyed data into either duobinary or alternative mark inversion. In Chapter 5 a novel phase sensitive frequency conversion scheme capable of extracting the two orthogonal components of a quadrature phase modulated signal into two separate frequencies is demonstrated. Chapter 6 investigates a novel all-optical clock recovery technique for phase modulated optical orthogonal frequency division multiplexing superchannels and finally Chapter 7 provides a brief conclusion

Advanced Signal Processing for Pulse-Amplitude Modulation Optical Transmission Systems

[ES] Los sistemas de transmisión óptica no-coherente se emplean actualmente en las redes ópticas de corto alcance (< 80 km), como son las redes de ámbito metropolitano. La implementación más común en el estado del arte se basa en sistemas que emplean multiplexación por división en longitud de onda (WDM, wavelength division multiplexing) de cuatro longitudes de onda (¿) proporcionando un régimen binario de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En los últimos años, los sistemas de transmisión ópticos no-coherentes están evolucionando desde 100 Gbps a 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Dado que este mercado comprende un gran número de sistemas, el coste es un parámetro importante que debe ser lo más bajo posible. El objetivo de esta tesis es investigar distintos aspectos del procesado de señal en general y, específicamente, investigar nuevas técnicas de procesado digital de señal (DSP, digital signal processing) que puedan ser utilizadas en sistemas de transmisión óptica no-coherentes empleando la modulación por amplitud de pulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Para que una técnica DSP sea interesante en el contexto de una red óptica WDM no-coherente, esta debe mitigar de manera efectiva al menos una de las tres limitaciones principales que afectan a estos sistemas: limitaciones de ancho de banda, limitaciones por dispersión cromática (CD), y el ruido. En esta tesis se proponen y examinan una serie de algoritmos cuyo su rendimiento es analizado mediante simulación y experimentalmente en laboratorio: - Feed-forward equalizer (FFE): este es el esquema de ecualización más común que se emplea principalmente en las transmisiones ópticas no-coherentes de alto régimen binario. Puede compensar grandes limitaciones en el ancho de banda. - Estimación de la secuencia de máxima verosimilitud (MLSE): el MLSE es un detector óptimo y, por lo tanto, proporciona las mejores prestaciones en detección cuando se abordan las limitaciones por CD y de ancho de banda. - Conformación geométrica de la constelación: en los esquemas de modulación de intensidad óptica multinivel, la distancia entre los niveles de amplitud puede ajustarse adecuadamente (de manera que no son equidistantes) a fin de aumentar la tolerancia de la señal frente al ruido. - Conformación probabilística: técnica diseñada específicamente para esquemas de modulación multinivel. Esta técnica ajusta la probabilidad de cada nivel de amplitud de modo que se incrementa la tolerancia al ruido óptico. - Señalización de respuesta parcial (PRS, partial signaling response): este es un enfoque basado en DSP donde una interferencia entre símbolos (ISI, inter-symbol interference) controlada es introducida intencionalmente de tal manera que la señal resultante requiere menos ancho de banda. La técnica PRS puede adaptarse para combatir también el efecto de CD. - Pre-énfasis digital (DPE, digital pre-emphasis): esta técnica consiste en aplicar el inverso de la función de transferencia del sistema a la señal en el transmisor, lo que reduce el impacto de las limitaciones de ancho de banda en el receptor. - Modulación con codificación Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulación que combina elementos de corrección de errores (FEC, forward error correction) con técnicas de partición en conjuntos y modulación multidimensional para generar una señal más resistente al ruido. - Modulación multidimensional por partición en conjuntos: muy similar a TCM, pero sin ningún elemento FEC. Tiene menos ganancias que TCM en términos de tolerancia al ruido, pero no es tan sensible al ISI. Utilizando estas técnicas, esta tesis demuestra que es posible lograr una transmisión óptica con régimen binario de 100 Gbps/¿ empleando componentes de bajo coste. En esta tesis también demuestra regímenes binarios de más de 200 Gbps, lo que indica que la transmisión óptica no-coherente con modulación PAM puede ser una solución viable y eficiente en coste[CA] Actualment, s'utilitzen sistemes òptics no coherents en xarxes òptiques de curt abast ( < 80 km), com són les xarxes d'àmbit metropolità. La implementació més comuna que podem trobar en l'estat de l'art es correspon amb sistemes emplenant multiplexació per divisió en longitud d'ona (WDM, wavelength division multiplexing) de quatre longituds d'ona (¿) proporcionant un règim binari de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En els últims anys, els sistemes de transmissió òptica no-coherents han evolucionat des de 100 Gbps cap a 400 Gbps (100 Gbps/¿). Atès que el mercat de sistemes de curt abast compren un gran volum de dispositius òptics instal·lats, el cost unitari és molt important i ha de ser el més baix possible. L'objectiu d'aquesta tesi és analitzar aspectes del processament de senyal en general i, específicament, investigar noves tècniques de processament digital de senyal (DSP, digital signal processing) que puguen ser utilitzades en sistemes de transmissió òptica no-coherent que utilitzen la modulació per amplitud d'impulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Per tal que una tècnica DSP es considere interessant per a una xarxa òptica WDM no-coherent, aquesta ha de mitigar efectivament almenys una de les tres principals limitacions que afecten aquests sistemes: limitacions d'ample de banda, limitacions per dispersió cromàtica (CD), i el soroll. En aquesta tesi s'examinen una sèrie d'algoritmes, el seu rendiment s'analitza per simulació i experimentalment en laboratori: - Feed-forward equalizer (FFE): aquest és l'esquema d'equalització més comú i s'utilitza bàsicament en les transmissions òptiques no coherents d'alt règim binari. Pot compensar grans quantitats de limitacions d'ample de banda. - Estimació de la seqüència de probabilitat màxima (MLSE): el MLSE és un detector òptim i, per tant, proporciona el millor rendiment quan es tracta de limitacions d'ample de banda i de CD. - Conformació geomètrica de la constel·lació: en esquemes de modulació òptica d'intensitat multinivell es pot ajustar la distància entre els nivells d'amplitud (de manera que ja no són equidistants) per augmentar la tolerància del senyal al soroll. - Conformació probabilística: una tècnica dissenyada específicament per als esquemes de modulació multinivell; ajusta la probabilitat de cada nivell d'amplitud de manera que augmenta la tolerància al soroll òptic. - Senyalització de resposta parcial (PRS, partial signaling response): és un enfocament basat en DSP on la interferència entre símbols (ISI, inter-symbol interference) controlada s'introdueix intencionalment de manera que el senyal resultant requereix menys ample de banda. La tècnica PRS es pot adaptar per combatre els efectes del CD. - Pre-èmfasi digital (DPE, digital pre-emphasis): aquesta tècnica consisteix a aplicar la inversió de la funció de transferència del sistema a la senyal en el transmissor de manera que es redueix l'impacte de les limitacions d'ample de banda en la senyal en el receptor. - Modulació amb codificació Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulació que combina els elements de correcció d'errors avançats (FEC, forward error correction) amb tècniques de partionament de conjunts i modulació multidimensional per generar un senyal més resistent al soroll. - Modulació multidimensional per partició en conjuntes: molt similar a TCM però sense elements FEC. Té guanys menors que TCM en termes de tolerància al soroll, però no és tan sensible a l'ISI. Mitjançant l'ús d'aquestes tècniques, aquesta tesi demostra que és possible aconseguir una transmissió òptica amb un règim binari de 100 Gbps/¿ utilitzant components de baix cost. Esta tesi també demostra règims binaris de més de 200 Gbps, el que indica que la tecnologia no-coherent amb modulació PAM és una solució viable i eficient en cost per a una nova generació de sistemes transceptors òptics WDM funcionant a 800 Gbps (4¿×200 G[EN] Non-coherent optical transmission systems are currently employed in short-reach optical networks (reach shorter than 80 km), like metro networks. The most common implementation in the state-of-the-art is the four wavelength (¿) 100 Gbps (4¿×25 Gbps) wavelength division multiplexing (WDM) transceiver. In recent years non-coherent optical transmissions are evolving from 100 Gbps to 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Since in the short-reach market the volume of optical devices being deployed is very large, the cost-per-unit of the devices is very important, and it should be as low as possible. The goal of this thesis is to investigate some general signal processing aspects and, specifically, digital signal processing (DSP) techniques required in non-coherent pulse-amplitude modulation (PAM) optical transmission, and also to investigate novel algorithms which could be applied to this application scenario. In order for a DSP technique to be considered an interesting solution for non-coherent WDM optical networks it has to effectively mitigate at least one of the three main impairments affecting such systems: bandwidth limitations, chromatic dispersion (CD) and noise (in optical or electrical domain). A series of algorithms are proposed and examined in this thesis, and their performance is analyzed by simulation and also experimentally in the laboratory: - Feed-forward equalization (FFE): this is the most common equalizer and it is basically employed in every high-speed non-coherent optical transmission. It can compensate high bandwidth limitations. - Maximum likelihood sequence estimation (MLSE): the MLSE is the optimum detector and thus provides the best performance when it comes to dealing with CD and bandwidth limitations. - Geometrical constellation shaping: in multilevel optical intensity modulation schemes the distance between amplitude levels can be adjusted (such that they are no longer equidistant) in order to increase the signal's tolerance to noise. - Probabilistic shaping: another technique designed specifically for multilevel modulation schemes; it adjusts the probability of each amplitude level such that the tolerance to optical noise is increased. - Partial response signaling (PRS): this is a DSP-based approach where a controlled inter-symbol interference (ISI) is intentionally introduced in such a way that the resulting signal requires less bandwidth. PRS can be customized to also mitigate CD impairment, effectively increasing transmission distances up to three times. - Digital pre-emphasis (DPE): this technique consists in applying the inverse of the transfer function of the system to the signal at the transmitter side which reduces the impact of bandwidth limitations on the signal at the receiver side. - Trellis-coded modulation (TCM): a modulation scheme that combines forward error correction (FEC) elements with set-partitioning techniques and multidimensional modulation to generate a signal that is more resistant to noise. - Multidimensional set-partitioned modulation: very similar with TCM but without any FEC elements. It has lower gains than TCM in terms of noise tolerance but is not so sensitive to ISI. By using the techniques enumerated above, this thesis demonstrates that is possible to achieve 100 Gbps/¿ optical transmission bitrate employing cost-effective components. Even more, bitrates higher than 200 Gbps are also demonstrated, indicating that non-coherent PAM is a viable cost-effective solution for next-generation 800 Gbps (4¿×200 Gbps) WDM transceivers.Prodaniuc, C. (2019). Advanced Signal Processing for Pulse-Amplitude Modulation Optical Transmission Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117315TESI