Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.Optical communication systems with advanced modulation formats are currently one of the major research focuses of the optical communication community. This research is driven by the ever-increasing demand for higher data transmission rates. In this thesis, we investigate efficient techniques for advanced modulation with coherent detection, and optical orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) and discrete multi-tone (DMT) for both direct detection and coherent detection to improve the performance of optical networks. In the first part, we investigate digital filter back-propagation (DFBP) as a simple semiconductor optical amplifier (SOA) nonlinearity mitigation technique in coherent detection systems. For the first time, we experimentally demonstrate effectiveness of DFBP in compensating for SOA-induced nonlinearities in a 16-ary quadrature amplitude modulation (16-QAM) singlecarrier coherent detection system. We compare performance of DFBP with Runge-Kutta fourth-order method. We examine sensitivity of DFBP performance to its parameters. Afterwards, we propose a novel parameter estimation method for DFBP. Finally, we demonstrate successful transmission of 22 Gbaud 16-QAM signals over 80 km fiber with the proposed parameter estimation technique for DFBP. In the second part, we concentrate on techniques to improve performance of optical OFDM systems, examining both coherent optical OFDM (CO-OFDM) and direct-detection optical OFDM (DDO-OFDM). First, we propose a combination of clipping and predistortion technique to compensate for CO-OFDM transmitter nonlinear distortions. We use piecewise linear interpolation (PLI) for characterizing the transmitter nonlinearity. At the transmitter, we use inverse of the PLI estimate to pre-compensate the nonlinearities induced at the COOFDM transmitter. Second, we design optimized non-square constellations for short-reach DDO-OFDM systems based on two channel noise models. We experimentally demonstrate 100 Gb/s+ OFDM/DMT with direct detection using the optimized QAM constellations. In the third part, we propose and experimentally demonstrate a passive optical network (PON) architecture with DDO-OFDM for the downlink and CO-OFDM for the uplink. We examine two scenarios for the occupied frequency and modulation format of the signals. We identify main limiting impairments of the bidirectional PON and provide solutions to minimize their effects

Discrete multi-tone transmission with optimized QAM constellations for Short-reach optical communications

We investigate performance of optimized M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM) constellations in short-reach single-polarization (SP) and dual-polarization (DP) discrete multitone (DMT) with direct detection. The constellations are obtained by using an iterative gradient-search algorithm. For the nonsquare constellations, we find bit-to-symbol mappings with a blind search method. Our experiments show that the data rate can be improved in both SP and DP DMT systems by using optimized constellations instead of square M-QAM. Net data transmission rates of 165 and 152 Gb/s are respectively achieved for back-to-back and 2.2 km in a direct-detection DP DMT system assuming forward error correction threshold of 3.8×10-3

Analytical study of optical SSB-DMT with IMDD

We theoretically study the performance of single sideband discrete multitone (SSB-DMT) in the C -band with intensity modulation and direct detection. Our analysis allows us to quantify the impact of different noise sources such as signal-to-signal beating interference, phase-to-amplitude noise, attenuation, and receiver sensitivity on SSB-DMT. Our analytical tools also allow us to optimize the signal-to-carrier power ratio to maximize SSB-DMT throughput. We provide equations to calculate bit error rate of bit allocated SSB-DMT. Finally, we examine various system parameters (laser linewidth, system bandwidth, and fiber length) to determine their impact on the performance of zero guard band SSB-DMT

Single-fiber lightwave centralized WDM-OFDMA- PON with colorless optical network units

We propose and experimentally demonstrate a carrier-reuse, single-feeder, wavelength-division-multiplexed, orthogonal-frequency-division-multiple-access passive optical network (WDM-OFDMA-PON) with colorless direct-detection optical network units and coherent detection optical line terminals. We examine two strategies by adjusting the frequency occupancy and the modulation format of the uplink (UL) and downlink (DL) signals. We investigate the impact of DL signal-to-carrier ratio on performance of both UL and DL via simulations and identify impairments limiting system performance. As a proof of concept, we demonstrate on a single wavelength channel, a realization of each of the two scenarios investigated using orthogonal-frequency-division-multiplexing (OFDM). A quadrature phase-shift keying approach with wide spectrum and narrow guard band achieves 21.6 Gb/s. A 32-ary quadrature amplitude modulation approach with narrow spectrum and wide guard band achieves 14.5 Gb/s and a span of over 80 km

Mode division multiplexing using orbital angular momentum modes over 1.4 km ring core fiber

Mode division multiplexing (MDM) systems using orbital angular momentum (OAM) modes can recover the data in D different modes without recourse to full (2D × 2D) multiple input multiple output (MIMO) processing. One of the biggest challenges in OAM-MDM systems is the mode instability following fiber propagation. Previously, MIMO-free OAM-MDM data transmission with two modes over 1.1 km of vortex fiber was demonstrated, where optical polarization demultiplexing was employed in the setup. We demonstrate MDM data transmission using two OAM modes over 1.4 km of a specially designed ring core fiber without using full MIMO processing or optical polarization demultiplexing. We demonstrate reception with electrical polarization demultiplexing, i.e., minimal 2 × 2 MIMO, showing the compatibility of OAM-MDM with current polarization demultiplexing receivers