Effect of second order signal-noise interactions in nonlinearity compensated optical transmission systems

In this Letter, we theoretically and numerically analyze the performance of coherent optical transmission systems that deploy inline or transceiver based nonlinearity compensation techniques. For systems where signal-signal nonlinear interactions are fully compensated, we find that beyond the performance peak the signal-to-noise ratio degradation has a slope of 3 dBSNR/dBPower suggesting a quartic rather than quadratic dependence on signal power. This is directly related to the fact that signals in a given span will interact not only with linear amplified spontaneous emission noise, but also with the nonlinear four-wave mixing products generated from signal-noise interaction in previous (hitherto) uncompensated spans. The performance of optical systems employing different nonlinearity compensation schemes were numerically simulated and compared against analytical predictions, showing a good agreement within a 0.4 dB margin of error.

Quality of transmission estimation in WDM and elastic optical networks accounting for space-spectrum dependencies

We develop a framework for estimating the quality of transmission (QoT) of a new lightpath before it is established, as well as for calculating the expected degradation it will cause to existing lightpaths. The framework correlates the QoT metrics of established lightpaths, which are readily available from coherent optical receivers that can be extended to serve as optical performance monitors. Past similar studies used only space (routing) information and thus neglected spectrum, while they focused on oldgeneration noncoherent networks. The proposed framework accounts for correlation in both the space and spectrum domains and can be applied to both fixed-grid wavelength division multiplexing (WDM) and elastic optical networks. It is based on a graph transformation that exposes and models the interference between spectrum-neighboring channels. Our results indicate that our QoT estimates are very close to the actual performance data, that is, to having perfect knowledge of the physical layer. The proposed estimation framework is shown to provide up to 4 × 10-2 lower pre-forward error correction bit error ratio (BER) compared to theworst-case interference scenario,which overestimates the BER. The higher accuracy can be harvested when lightpaths are provisioned with low margins; our results showed up to 47% reduction in required regenerators, a substantial savings in equipment cost.

Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

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.

Comparison of Computer-Based and Optical Face Recognition Paradigms

The main objectives of this thesis are to validate an improved principal components analysis (IPCA) algorithm on images; designing and simulating a digital model for image compression, face recognition and image detection by using a principal components analysis (PCA) algorithm and the IPCA algorithm; designing and simulating an optical model for face recognition and object detection by using the joint transform correlator (JTC); establishing detection and recognition thresholds for each model; comparing between the performance of the PCA algorithm and the performance of the IPCA algorithm in compression, recognition and, detection; and comparing between the performance of the digital model and the performance of the optical model in recognition and detection. The MATLAB © software was used for simulating the models. PCA is a technique used for identifying patterns in data and representing the data in order to highlight any similarities or differences. The identification of patterns in data of high dimensions (more than three dimensions) is too difficult because the graphical representation of data is impossible. Therefore, PCA is a powerful method for analyzing data. IPCA is another statistical tool for identifying patterns in data. It uses information theory for improving PCA. The joint transform correlator (JTC) is an optical correlator used for synthesizing a frequency plane filter for coherent optical systems. The IPCA algorithm, in general, behaves better than the PCA algorithm in the most of the applications. It is better than the PCA algorithm in image compression because it obtains higher compression, more accurate reconstruction, and faster processing speed with acceptable errors; in addition, it is better than the PCA algorithm in real-time image detection due to the fact that it achieves the smallest error rate as well as remarkable speed. On the other hand, the PCA algorithm performs better than the IPCA algorithm in face recognition because it offers an acceptable error rate, easy calculation, and a reasonable speed. Finally, in detection and recognition, the performance of the digital model is better than the performance of the optical model.

Krill: An exploration in underwater sensor networks

While sensor networks have now become very popular on land, the underwater environment still poses some difficult problems. Communication is one of the difficult challenges under water. There are two options: optical and acoustic. We have designed an optical communication board that allows the Fleck’s to communicate optically. We have tested the resulting underwater sensor nodes in two different applications.

Data collection, storage and retrieval with an underwater sensor network

In this paper we present a novel platform for underwater sensor networks to be used for long-term monitoring of coral reefs and �sheries. The sensor network consists of static and mobile underwater sensor nodes. The nodes communicate point-to-point using a novel high-speed optical communication system integrated into the TinyOS stack, and they broadcast using an acoustic protocol integrated in the TinyOS stack. The nodes have a variety of sensing capabilities, including cameras, water temperature, and pressure. The mobile nodes can locate and hover above the static nodes for data muling, and they can perform network maintenance functions such as deployment, relocation, and recovery. In this paper we describe the hardware and software architecture of this underwater sensor network. We then describe the optical and acoustic networking protocols and present experimental networking and data collected in a pool, in rivers, and in the ocean. Finally, we describe our experiments with mobility for data muling in this network.

Performance analysis of FSO links under strong atmospheric turbulence conditions using various modulation schemes

Strong atmospheric turbulence is a major hindrance in wireless optical communication systems. In this paper, the performance of a wireless optical communication system is analyzed using different modulation formats such as, binary phase shift keying-subcarrier intensity modulation (BPSK-SIM), differential phase shift keying (DPSK), differential phase shift keying-subcarrier intensity modulation (DPSK-SIM), Mary pulse position modulation (M-PPM) and polarization shift keying (PoISK). The atmospheric channel is modeled for strong atmospheric turbulences with combined effect of turbulence and pointing errors. Novel closed-form analytical expressions for average bit error rate (BER), channel capacity and outage probability for the various modulation techniques, viz. BPSK-SIM, DPSK, DPSK-SIM, PoISK and M-PPM are derived. The simulated results for BER, channel capacity and outage probability of various modulation techniques are plotted and analyzed. (C) 2014 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Efficient line launch for bandwidth improvement of 10 Gbit/s multimode fibre links using elliptical Gaussian beam

A novel elliptical Gaussian beam line launch is shown to allow improved system capacity for high speed multimode fibre links. This launch maintains higher bandwidth than dual launch even with misalignment of ±6 μm despite not requiring testing at installation. ©2010 IEEE.