The present thesis focuses on the development of optical and digital signal processing techniques for coherent optical transmission systems with spacedivision multiplexing (SDM). According to the levels of spatial crosstalk, these systems can be grouped in the ones with and the ones without spatial selectivity; drastically changing its operation principle. In systems with spatial selectivity, the mode coupling is negligible and therefore, an arbitrary spacial channel can be independently routed through the optical network and post-processed at the optical coherent receiver. In systems without spatial selectivity, mode coupling plays a key role in a way that spatial channels are jointly transmitted and post-processed at the optical coherent receiver.
With this in mind, optical switching techniques for SDM transmission systems with spatial selectivity are developed, whereas digital techniques for space-demultiplexing are developed for SDM systems without spatial selectivity. With the purpose of developing switching techniques, the acoustic-optic effect is analyzed in few-mode fibers (FMF)s and in multicore fibers (MCF)s. In FMF, the signal switching between two arbitrary modes using flexural or longitudinal acoustic waves is numerically and experimentally demonstrated.
While, in MCF, it is shown that a double resonant coupling, induced by flexural acoustic waves, allows for the signal switching between two arbitrary cores. Still in the context of signal switching, the signal propagation in the multimodal nonlinear regime is analyzed. The nonlinear Schrödinger equation is deduced in the presence of mode coupling, allowing the meticulous
analysis of the multimodal process of four-wave mixing. Under the right conditions, it is shown that such process allows for the signal switching between distinguishable optical modes.
The signal representation in higher-order Poincaré spheres is introduced and analyzed in order to develop digital signal processing techniques. In this representation, an arbitrary pair of tributary signals is represented in a Poincaré sphere, where the samples appear symmetrically distributed around a symmetry plane. Based on this property, spatial-demultiplexing and mode
dependent loss compensation techniques are developed, which are independent of the modulation format, are free of training sequences and tend to be robust to frequency offsets and phase fluctuations. The aforementioned techniques are numerically validated, and its performance is assessed through the calculation of the remaining penalty in the signal-to-noise ratio of the post-processed signal. Finally, the complexity of such techniques is analytically described in terms of real multiplications per sample.A presente tese tem por objectivo o desenvolvimento de técnicas de processamento ótico e digital de sinal para sistemas coerentes de transmissão ótica com multiplexagem por diversidade espacial. De acordo com a magnitude de diafonia espacial, estes sistemas podem ser agrupados em sistemas com e sem seletividade espacial, alterando drasticamente o seu princípio de funcionamento. Em sistemas com seletividade espacial, o acoplamento modal é negligenciável e, portanto, um canal espacial arbitrário pode ser encaminhado de forma independente através da rede ótica e pós-processado no recetor ótico coerente. Em sistemas sem seletividade espacial, o acoplamento modal tem um papel fulcral pelo que os canais espaciais são transmitidos e pós-processados conjuntamente. Perante este cenário, foram desenvolvidas técnicas de comutação entre canais espaciais para sistemas com seletividade espacial, ao passo que para sistemas sem seletividade espacial, foram desenvolvidas técnicas digitais de desmultiplexagem espacial. O efeito acústico-ótico foi analisado em fibras com alguns modos (FMF) e em fibras com múltiplos núcleos (MCF) com o intuito de desenvolver técnicas de comutação de sinal no domínio ótico. Em FMF, demonstrou-se numérica e experimentalmente a comutação do sinal entre dois modos de propagação arbitrários através de ondas acústicas transversais ou longitudinais, enquanto, em MCF, a comutação entre dois núcleos arbitrários é mediada por um processo de acoplamento duplamente ressonante induzido por ondas acústicas transversais. Ainda neste contexto, analisou-se a propagação do sinal no regime multimodal não linear. Foi deduzida a equação não linear de Schrödinger na presença de acoplamento modal, posteriormente usada na análise do processo multimodal de mistura de quatro ondas. Nas condições adequadas, é demonstrado que este processo permite a comutação ótica de sinal entre dois modos de propagação distintos. A representação de sinal em esferas de Poincaré de ordem superior é introduzida e analisada com o objetivo de desenvolver técnicas de processamento digital de sinal. Nesta representação, um par arbitrário de sinais tributários é representado numa esfera de Poincaré onde as amostras surgem simetricamente distribuídas em torno de um plano de simetria. Com base nesta propriedade, foram desenvolvidas técnicas de desmultiplexagem espacial e de compensação das perdas dependentes do modo de propagação, as quais são independentes do formato de modulação, não necessitam de sequências de treino e tendem a ser robustas aos desvios de frequência e às flutuações de
fase. As técnicas referidas foram validadas numericamente, e o seu desempenho é avaliado mediante a penalidade remanescente na relação sinal-ruído do sinal pós-processado. Por fim, a complexidade destas é analiticamente descrita em termos de multiplicações reais por amostra.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic
