Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde.

Wavelength converters are essential building blocks of future all-optical wavelength-routed optical networks. Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers have been proposed since they possess many of the features required for the implementation of such networks. In the literature, they have been extensively studied in the context of direct detection optical communication systems. With the recent emergence of commercial coherent systems together with the advances in digital signal processing, there is an imperative need to study the performance of wavelength converters for advanced modulation formats. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats and subsequently propose a digital signal processing technique that aims to improve their performance. An experimental investigation of m-ary quadrature amplitude modulation (QAM) wavelength conversion is first performed. In particular, wideband wavelength conversion of 10 Gbaud 16-QAM and, for the first time, 5 Gbaud 64-QAM signals is successfully achieved over the whole C-band using a commercial semiconductor optical amplifier. The results show that the induced nonlinear distortions on the wavelength converted signal lead to a different optimal wavelength converter operating condition compared to wavelength conversion of intensity modulation formats. For wavelength conversion of advanced modulation formats, the tradeoff between the wavelength converted signal power and the nonlinearities dictates the optimal wavelength converters operating condition. The digital signal processing capabilities of coherent receivers renders possible the compensation of the signal impairments in the digital domain after detection. Making use of this, a digital post-compensation technique based on a small-signal analysis of the equations governing the gain dynamics of semiconductor optical amplifiers is developed in order to mitigate the nonlinear distortions imposed on the wavelength converted signal. The proof of concept is realized both via numerical simulations and experimental measurements of 10 Gbaud 16-QAM and 5 Gbaud 64-QAM: the post-compensation technique significantly improve the wavelength converter especially in the case of high-order advanced modulation formats such as 64-QAM. Finally, a thorough experimental investigation of the post-compensation technique performance for 5 Gbaud 64-QAM wavelength conversion is done. The results indicate that the signal quality is still improved even in the presence of a noisy signal at the wavelength converter input. Furthermore, it is shown that the optimal wavelength converter operating condition varies upon the amount of optical loss that follows. In a wavelength-routed optical network, the signal will likely pass through multiple wavelength conversion stages. The experimental investigation is extended to cascaded wavelength conversion stages and, for the first time, dual stage wavelength conversion of 5 Gbaud 64-QAM signal is performed. In this context, the proposed post-compensation technique still successfully improves the wavelength converter performance. The results of this thesis strongly suggest that wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers, together with the use of digital signal processing techniques, is a promising candidate for advanced modulation formats wavelength conversion in future wavelength routed optical networks.