Joint Estimation of Linear and Non-linear Signal-to-Noise Ratio based on Neural Networks

A novel technique estimating ASE and non-linear SNR is presented. Our method is evaluated by simulations obtaining a std error of 0.23 dB for both ASE and non-linear SNR

Multicarrier Modulation-Based Digital Radio-over-Fibre System Achieving Unequal Bit Protection with Over 10 dB SNR Gain

We propose a multicarrier modulation-based digital radio-over-fibre system achieving unequal bit protection by bit and power allocation for subcarriers. A theoretical SNR gain of 16.1 dB is obtained in the AWGN channel and the simulation results show a 13.5 dB gain in the bandwidth-limited case

Building a digital twin of EDFA: a grey-box modeling approach

To enable intelligent and self-driving optical networks, high-accuracy physical layer models are required. The dynamic wavelength-dependent gain effects of non-constant-pump erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) remain a crucial problem in terms of modeling, as it determines optical-to-signal noise ratio as well as the magnitude of fiber nonlinearities. Black-box data-driven models have been widely studied, but it requires a large size of data for training and suffers from poor generalizability. In this paper, we derive the gain spectra of EDFAs as a simple univariable linear function, and then based on it we propose a grey-box EDFA gain modeling scheme. Experimental results show that for both automatic gain control (AGC) and automatic power control (APC) EDFAs, our model built with 8 data samples can achieve better performance than the neural network (NN) based model built with 900 data samples, which means the required data size for modeling can be reduced by at least two orders of magnitude. Moreover, in the experiment the proposed model demonstrates superior generalizability to unseen scenarios since it is based on the underlying physics of EDFAs. The results indicate that building a customized digital twin of each EDFA in optical networks become feasible, which is essential especially for next generation multi-band network operations

Channel equalization and phase estimation for reduced-guard- interval CO-OFDM systems

Reduced-guard-interval (RGI) coherent optical (CO) orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) is a potential candidate for next generation 100G beyond optical transports, attributed to its advantages such as high spectral efficiency and high tolerance to optical channel impairments. First of all, we review the coherent optical systems with an emphasis on CO-OFDM systems as well as the optical channel impairments and the general digital signal processing techniques to combat them. This work focuses on the channel equalization and phase estimation of RGI CO-OFDM systems. We first propose a novel equalization scheme based on the equalization structure of RGI CO-OFDM to reduce the cyclic prefix overhead to zero. Then we show that intra-channel nonlinearities should be considered when designing the training symbols for channel estimation. Afterwards, we propose and analyze the phenomenon of dispersion-enhanced phase noise (DEPN) caused by the interaction between the laser phase noise and the chromatic dispersion in RGI CO-OFDM transmissions. DEPN induces a non-negligible performance degradation and limits the tolerant laser linewidth. However, it can be compensated by the grouped maximum-likelihood phase estimation proposed in this work.Le multiplexage à répartition en fréquence orthogonale (MRFO) optique à la détection cohérente avec intervalle à protection réduite (IPR) est un candidat potentiel pour la prochaine génération des systèmes de transport optique au-delà de 100G. Cette méthode démontre un rendement spectral élevé et une grande tolérance aux dégradations du canal optique. En premier lieu, nous présentons un bilan sur les systèmes optiques à la détection cohérente avec l'emphase sur MRFO, les dégradations du canal optique, et ainsi les techniques générales de traitement numérique du signal pour corriger ces dégradations. Ce travail se concentre sur l'égalisation du canal et l'estimation de phase des systèmes MRFO optique à la détection cohérente avec IPR. Nous commençons par proposer une nouvelle façon d'égalisation basée sur MRFO optique à la détection cohérente avec IPR pour réduire la marge de la préfixe cyclique à zéro. Ensuite, nous présentons que les non-linéarités intra-canal devrait être considérées pendant la conception des symboles de référence pour l'estimation du canal. Prochainement, nous proposons et analysons le phénomène du bruit de phase à la dispersion améliorée (BPDA) qui est causée par l'interaction entre le bruit de phase du laser and la dispersion chromatique dans les transmissions MRFO optique à la détection cohérente avec IPR. Le BPDA entraîne une dégradation de performance non-négligeable et limite la tolérances de la largeur spectrale du laser. Cependant, le BPDA peut être compensé par l'estimation de phase groupée à la vraisemblance maximum proposée dans ce travail

Advanced technologies for next generation coherent optical communications

Next generation coherent optical transports for core networks are anticipated to further approach the Shannon limit for a higher fiber capacity by delivering 400 Gb/s or 1 Tb/s data rates per channel, and providing flexibility and agility to maximize the network resource utilization. This thesis looks into novel system architectures and digital signal processing (DSP) algorithms to fulfill those design targets. The single carrier and orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) modulation schemes are both potential candidates for the underlying transceiver architecture. We provide the analysis and investigation of the optical channel impairments for both systems in the context of >100 Gb/s transmissions with higher symbol rates and higher order quadrature amplitude modulation (QAM). With an increased accumulated chromatic dispersion (CD) for a single channel, the impacts of laser phase noise and fiber nonlinearities manifest new characteristics which are not evident in current 100G systems. We propose novel and energy-efficient DSP algorithms and system designs to increase laser linewidth tolerance and reduce nonlinear noise. The performances of the proposed designs are experimentally evaluated using a leading-edge optical long-haul transmission testbed, which was custom built for this thesis. The single carrier and OFDM systems are separately explored and compared, and it is shown that OFDM has certain multi-carrier advantages when a large accumulated CD exists. This result implies that the OFDM scheme may be a better option for next generation transceivers than the currently employed 100G single carrier transceiver scheme. In the last part, we concentrate on the design of flexible optical transceivers for future software-defined optical networks. The following novel techniques are proposed to achieve a full flexibility without increasing the cost: format-transparent DSP platform, agile bandwidth allocation, and continuous modulation format.La prochaine génération de transport cohérent optique pour les réseaux centraux devrait approcher encore plus la limite de Shannon affichant une capacité encore plus grande en délivrant 400 Gb/s voir même 1 Tb/s par canaux, et fournir flexibilité et agilité pour maximiser l’utilisation des ressources du réseaux optique. Cette thèse aborde de nouvelles architectures de système et de nouveaux traitements de signaux numériques (TSN) dans le but de combler ces objectifs.Les formats de modulation à porteur unique et à multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (MROF) représentent deux candidats potentiels quant à l’architecture d’émetteur-récepteur sous-jacent à ces systèmes. Nous fournissons l’analyse et l’investigation de la détérioration du canal optique pour les deux systèmes dans le contexte de transmission supérieur à 100 Gb/s à haut taux de symbole et ordre de quadrature. Avec une augmentation de l’accumulation de la dispersion chromatique (DC) sur un canal unique, les impacts du bruit de phase des lasers et des nonlinéarités de la fibre présentent de nouvelles caractéristiques qui ne sont pas évidente dans les systèmes 100G actuels. Nous proposons de nouveaux algorithmes de TSN moins énergivore et des designs de systèmes permettant d’augmenter la tolérance à la largeur spectrale du laser et de réduire le bruit nonlinéaire. Les performances des designs proposés sont évaluées expérimentalement à l’aide d’un banc de test de transmission optique de longue portée à la fine pointe de la technologie, qui fût construit spécifiquement pour les expériences de cette thèse. Les systèmes à porteur unique et à MROF sont indépendamment investigués et leurs performances, comparées. Nous montrons que le MROF présente certain avantage race à ses multiples porteurs lors de grandes accumulations de DC. Ces résultats suggèrent que l’utilisation de MROF pourrait être une meilleure option pour les émetteur-récepteurs de prochaine génération que l’approche actuellement déployée à 100G utilisant une seule porteuse. En dernière partie, nous nous concentrons sur le design d’émetteur-récepteurs flexible pour les futurs réseaux optiques définis par logiciel. Les nouvelles techniques suivante sont proposées afin d’atteindre une flexibilité totale sans augmenter le coût : une plateforme de TSN transparent aux formats de modulation, une allocation agile de la bande passante, et un format de modulation continu