A Cost-Benefit Analysis on Modulation Formats for 40-Gb/s Optical Communication Systems

This article discusses possible approaches for optical network capacity upgrade by considering the use of different modulation formats at 40 Gb/s. First, a performance evaluation is carried out regarding tolerance to three impairments: spectral narrowing due to filter cascading, chromatic dispersion, and self-phase modulation. Next, a cost-benefit analysis is conducted, considering the specific optoelectronic components required for the optical transmitter/receiver configuration of each format.

Digital Coherent Receivers and Advanced Optical Modulation Formats in 100 and 200 Gb/s DWDM Systems

Recent advances in coherent optical receivers is reviewed. Digital-Signal-Processing (DSP) based phase and polarization management techniques make coherent detection robust and feasible. With coherent detection, the complex field of the received optical signal is fully recovered, allowing compensation of linear and nonlinear optical impairments including chromatic dispersion (CD) and polarization-mode dispersion (PMD) using digital filters. Coherent detection and advanced optical modulation formats have become a key ingredient to the design of modern dense wavelength-division multiplexed (DWDM) optical broadband networks. In this paper, firstly we present the different subsystems of a digital coherent optical receiver, and secondly, we will compare the performance of some multi-level and multi-dimensional modulation formats in some physical impairments and in high spectral-efficiency (SE) and high-capacity DWDM transmissions, simulating the DSP with Matlab and the optical network performance with OptiSystem software.

Pulse-Shape Analysis of PDM-QPSK Modulation Formats for 100 and 200 Gb/s DWDM transmissions

Advanced optical modulation format polarization-division multiplexed quadrature phase shift keying (PDM-QPSK) has become a key ingredient in the design of 100 and 200-Gb/s dense wavelength-division multiplexed (DWDM) networks. The performance of this format varies according to the shape of the pulses employed by the optical carrier: non-return to zero (NRZ), return to zero (RZ) or carrier-suppressed return to zero (CSRZ). In this paper we analyze the tolerance of PDM-QPSK to linear and nonlinear optical impairments: amplified spontaneous emission (ASE) noise, crosstalk, distortion by optical filtering, chromatic dispersion (CD), polarization mode dispersion (PMD) and fiber Kerr nonlinearities. RZ formats with a low duty cycle value reduce pulse-to-pulse interaction obtaining a higher tolerance to CD, PMD and intrachannel nonlinearities.

Numerical modelling of advanced modulation formats and WDM transmission

This thesis presents a theoretical investigation of the application of advanced modelling formats in high-speed fibre lightwave systems. The first part of this work focuses on numerical optimisation of dense wavelength division multiplexing (DWDM) system design. We employ advanced spectral domain filtering techniques and carrier pulse reshaping. We then apply these optimisation methods to investigate spectral and temporal domain characteristics of advanced modulation formats in fibre optic telecommunication systems. Next we investigate numerical methods used in detecting and measuring the system performance of advanced modulation formats. We then numerically study the combination of return-to-zero differential phase-shift keying (RZ-DPSK) with advanced photonic devices. Finally we analyse the dispersion management of Nx40 Gbit/s RZ-DPSK transmission applied to a commercial terrestrial lightwave system.

Compensation of nonlinear fibre impairments in coherent systems employing spectrally efficient modulation formats

We investigate electronic mitigation of linear and non-linear fibre impairments and compare various digital signal processing techniques, including electronic dispersion compensation (EDC), single-channel back-propagation (SC-BP) and back-propagation with multiple channel processing (MC-BP) in a nine-channel 112 Gb/s PM-mQAM (m=4,16) WDM system, for reaches up to 6,320 km. We show that, for a sufficiently high local dispersion, SC-BP is sufficient to provide a significant performance enhancement when compared to EDC, and is adequate to achieve BER below FEC threshold. For these conditions we report that a sampling rate of two samples per symbol is sufficient for practical SC-BP, without significant penalties.

Robustness of 40 Gb/s ASK modulation formats in the practical system infrastructure

In this work, we analyzed by means of numerical and laboratory experiments the resilience of 40 Gb/s amplitude shift keying modulation formats to transmission impairments in standard single-mode fiber lines as well as to optical filtering introduced by the optical add/drop multiplexer cascade. Our study is a pre-requisite to assess the implementation of cost-effective 40 Gb/s modulation technology in next generation high bit-rate robust optical transport networks.

Performance comparison of 40 Gb/s ULH transmissions using CSRZ-ASK or CSRZ-DPSK modulation formats on UltraWave (TM) fiber

In this work we present extensive comparisons between numerical modelling and experimental measurements of the transmission performance of either CSRZ-ASK or CSRZ-DPSK modulation formats for 40-Gb/s WDM ULH systems on UltraWave (TM) fiber spans with all-Raman amplification. We numerically optimised the amplification and the signal format parameters for both CSRZ-DPSK and CSRZ-ASK formats. Numerical and experimental results show that, in a properly optimized transmission link, the DPSK format permits to double the transmission distance ( for a given BER level) with respect to the ASK format, while keeping a substantial OSNR margin ( on ASK modulation) after the propagation in the fiber line. Our comparison between numerical and experimental results permits to identify what is the most suitable BER estimator in assessing the transmission performance when using the DPSK format. (c) 2007 Optical Society of America.

Experimental characterisation of the impact of neighbouring modulation-formats on 43Gb/s P-DPSK over SSMF and LEAF

We report an experimental characterisation examining the impact of differing 50GHz neighbouring modulation formats and bit rates on the performance of 43Gb/s P-DPSK over 1300km of SSMF and LEAF types. Performance is shown to be robust for hybrid P-DPSK and OOK systems. © VDE VERLAG GMBH.

Performance comparison of duobinary modulation formats for 40 Gb/s long-haul WDM transmissions

With their compact spectrum and high tolerance to residual chromatic dispersion, duobinary formats are attractive for the deployment of 40 Gb/s technology on 10 Gb/s WDM Long-Haul transmission infrastructures. Here, we compare the robustness of various duobinary formats when facing 40 Gb/s transmission impairments.

Robustness of the OOK modulation formats at 40 Gbit/s in the practical system infrastructure

We experimentally investigate the robustness of OOK modulation formats at 40 Gbit/s versus transmission impairments and optical filtering. This study is a pre-requisite for the implementation of robust transparent networks.

High spectral efficiency transmission emulation for non-linear transmission performance estimation for high order modulation formats

We demonstrate a simple method to experimentally evaluate nonlinear transmission performance of high order modulation formats using a low number of channels and channel-like ASE. We verify it's behaviour is consistent with the AWGN model of transmission.

Robustness of 40 Gb/s ASK modulation formats in the practical system infrastructure

In this work, we analyzed by means of numerical and laboratory experiments the resilience of 40 Gb/s amplitude shift keying modulation formats to transmission impairments in standard single-mode fiber lines as well as to optical filtering introduced by the optical add/drop multiplexer cascade. Our study is a pre-requisite to assess the implementation of cost-effective 40 Gb/s modulation technology in next generation high bit-rate robust optical transport networks. © 2006 Optical Society of America.

Performance comparison of 40 Gb/s ULH transmissions using CSRZ-ASK or CSRZ-DPSK modulation formats on Ultra Wave™ fiber

In this work we present extensive comparisons between numerical modelling and experimental measurements of the transmission performance of either CSRZ-ASK or CSRZ-DPSK modulation formats for 40-Gb/s WDM ULH systems on UltraWave™ fiber spans with all-Raman amplification. We numerically optimised the amplification and the signal format parameters for both CSRZ-DPSK and CSRZ-ASK formats. Numerical and experimental results show that, in a properly optimized transmission link, the DPSK format permits to double the transmission distance (for a given BER level) with respect to the ASK format, while keeping a substantial OSNR margin (on ASK modulation) after the propagation in the fiber line. Our comparison between numerical and experimental results permits to identify what is the most suitable BER estimator in assessing the transmission performance when using the DPSK format. © 2007 Optical Society of America.

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.

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.