Digital back-propagation for spectrally efficient WDM 112 Gbit/s PM m-ary QAM transmission

We report the performance of coherently-detected nine-channel WDM transmission over high dispersion fibers, using polarization multiplexed m-ary quadrature amplitude modulation (m = 4, 16, 64, 256) at 112 Gbit/s. Compensation of fiber nonlinearities via digital back-propagation enables up to 10 dB improvement in maximum transmittable power and similar to 8 dB Q(eff) improvement which translates to a nine-fold enhancement in transmission reach for PM-256QAM, where the largest improvements are associated with higher-order modulation formats. We further demonstrate that even under strong nonlinear distortion the transmission reach only reduces by a factor of similar to 2.5 for a 2 unit increase in capacity (log(2)m) when full band DBP is employed, in proportion to the required back-to-back OSNR.

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.

Digital signal processing based on inverse scattering transform

Through numerical modeling, we illustrate the possibility of a new approach to digital signal processing in coherent optical communications based on the application of the so-called inverse scattering transform. Considering without loss of generality a fiber link with normal dispersion and quadrature phase shift keying signal modulation, we demonstrate how an initial information pattern can be recovered (without direct backward propagation) through the calculation of nonlinear spectral data of the received optical signal. © 2013 Optical Society of America.

Impact of longitudinal power budget in coherent transmission systems employing digital back-propagation

We report the impact of longitudinal signal power profile on the transmission performance of coherently-detected 112 Gb/s m-ary polarization multiplexed quadrature amplitude modulation system after compensation of deterministic nonlinear fibre impairments. Performance improvements up to 0.6 dB (Q(eff)) are reported for a non-uniform transmission link power profile. Further investigation reveals that the evolution of the transmission performance with power profile management is fully consistent with the parametric amplification of the amplified spontaneous emission by the signal through four-wave mixing. In particular, for a non-dispersion managed system, a single-step increment of 4 dB in the amplifier gain, with respect to a uniform gain profile, at similar to 2/3(rd) of the total reach considerably improves the transmission performance for all the formats studied. In contrary a negative-step profile, emulating a failure (gain decrease or loss increase), significantly degrades the bit-error rate.

Polarization multiplexed 16QAM transmission employing modified digital back-propagation

We experimentally demonstrate performance enhancements enabled by weighted digital back propagation method for 28 Gbaud PM-16QAM transmission systems, over a 250 km ultra-large area fibre, using only one back-propagation step for the entire link, enabling up to 3 dB improvement in power tolerance with respect to linear compensation only. We observe that this is roughly the same improvement that can be obtained with the conventional, computationally heavy, non-weighted digital back propagation compensation with one step per span. As a further benchmark, we analyze performance improvement as a function of number of steps, and show that the performance improvement saturates at approximately 20 steps per span, at which a 5 dB improvement in power tolerance is obtained with respect to linear compensation only. Furthermore, we show that coarse-step self-phase modulation compensation is inefficient in wavelength division multiplexed transmission.

Grid and Simulation of Digital Communication Systems

The purpose of this paper is to turn researchers' attention to the use of grid computing for simulating digital communications and its large potential for decreasing significantly the duration of the experiments and for improving the statistical representativeness and reliability of the obtained results.

Advanced digital signal processing for coherent optical OFDM transmissions

Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM) has been actively considered as a potential candidate for long-haul transmission and 400 Gb/s to 1 Tb/s Ethernet transport because of its high spectral efficiency, efficient implementation, flexibility and robustness against linear impairments such as chromatic dispersion and polarization mode dispersion. However, due to the long symbol duration and narrow subcarrier spacing, CO-OFDM systems are sensitive to laser phase noise and fibre nonlinearity induced penalties. As a result, the development of CO-OFDM transmission technology crucially relies on efficient techniques to compensate for the laser phase noise and fibre nonlinearity impairments. In this thesis, high performance and low complexity digital signal processing techniques for laser phase noise and fibre nonlinearity compensation in CO-OFDM transmissions are demonstrated. For laser phase noise compensation, three novel techniques, namely quasipilot-aided, decision-directed-free blind and multiplier-free blind are introduced. For fibre nonlinear compensation, two novel techniques which are referred to as phase conjugated pilots and phase conjugated subcarrier coding, are proposed. All these abovementioned digital signal processing techniques offer high performances and flexibilities while requiring relatively low complexities in comparison with other existing phase noise and nonlinear compensation techniques. As a result of the developments of these digital signal processing techniques, CO-OFDM technology is expected to play a significant role in future ultra-high capacity optical network. In addition, this thesis also presents preliminary study on nonlinear Fourier transform based transmission schemes in which OFDM is a highly suitable modulation format. The obtained result paves the way towards a truly flexible nonlinear wave-division multiplexing system that allows the current nonlinear transmission limitations to be exceeded.

Transcriptome Analysis Reveals New Insights into the Modulation of Endometrial Stromal Cell Receptive Phenotype by Embryo-Derived Signals Interleukin-1 and Human Chorionic Gonadotropin: Possible Involvement in Early Embryo Implantation

The presence of the conceptus in uterine cavity necessitates an elaborate network of interactions between the implanting embryo and a receptive endometrial tissue. We believe that embryo-derived signals play an important role in the remodeling and the extension of endometrial receptivity period. Our previous studies provided original evidence that human Chorionic Gonadotropin (hCG) modulates and potentiates endometrial epithelial as well as stromal cell responsiveness to interleukin 1 (IL1), one of the earliest embryonic signals, which may represent a novel pathway by which the embryo favors its own implantation and growth within the maternal endometrial host. The present study was designed to gain a broader understanding of hCG impact on the modulation of endometrial cell receptivity, and in particular, cell responsiveness to IL1 and the acquisition of growth-promoting phenotype capable of receiving, sustaining, and promoting early and crucial steps of embryonic development. Our results showed significant changes in the expression of genes involved in cell proliferation, immune modulation, tissue remodeling, apoptotic and angiogenic processes. This points to a relevant impact of these embryonic signals on the receptivity of the maternal endometrium, its adaptation to the implanting embryo and the creation of an environment that is favorable for the implantation and the growth of this latter within a new and likely hostile host tissue. Interestingly our data further identified a complex interaction between IL1 and hCG, which, despite a synergistic action on several significant endometrial target genes, may encompass a tight control of endogenous IL1 and extends to other IL1 family members.

Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coding Using Polynomial Phase Modulation

Recently, polynomial phase modulation (PPM) was shown to be a power- and bandwidth-efficient modulation format. These two characteristics are in high demand nowadays specially in mobile applications, where devices with size, weight, and power (SWaP) constraints are common. In this paper, we propose implementing a full-diversity quasiorthogonal space-time block code (QOSTBC) using polynomial phase signals as modulation format. QOSTBCs along with PPM are used in order to improve the power efficiency of communication systems with four transmit antennas. We obtain the optimal PPM constellations that ensure full diversity and maximize the QOSTBC's minimum coding gain distance. Simulation results show that by using QOSTBCs along with a properly selected PPM constellation, full diversity in flat fading channels and thus low BER at high signal-to-noise ratios (SNR) can be ensured. More importantly, it is also shown that QOSTBCs using PPM achieve a better error performance than those using conventional modulation formats.

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.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

Neural Modulation of Leg Stiffness in Response to Neuromuscular Fatigue

The spring-mass model is able to accurately represent hopping spring-like behavior (leg and joint stiffness), and leg and joint stiffness changes can reveal overall motor control responses to neural and muscular contributors of neuromuscular fatigue. By understanding leg stiffness modulation, we can determine which variables the nervous system targets to maintain motor performance and stability. The purpose of this study was to determine how neuromuscular fatigue affects hopping behavior by examining leg and joint stiffness before and after a single-leg calf raise fatiguing protocol. Post-fatigue, leg stiffness decreased for the exercised leg, but not for the non-exercised leg. Ankle and knee joint stiffness did not significantly change for either leg. This indicates that leg stiffness decreases primarily from muscular fatigue, but was not explained by ankle and knee joint stiffness. The decrease in leg stiffness may be an attempt to soften landing impact, while at the same time maintaining performance.

Effects of Drive Speed Modulation on Dynamics of Slender Rotating Structures

Slender rotating structures are used in many mechanical systems. These structures can suffer from undesired vibrations that can affect the components and safety of a system. Furthermore, since some these structures can operate in a harsh environment, installation and operation of sensors that are needed for closed-loop and collocated control schemes may not be feasible. Hence, the need for an open-loop non-collocated scheme for control of the dynamics of these structures. In this work, the effects of drive speed modulation on the dynamics of slender rotating structures are studied. Slender rotating structures are a type of mechanical rotating structures, whose length to diameter ratio is large. For these structures, the torsion mode natural frequencies can be low. In particular, for isotropic structures, the first few torsion mode frequencies can be of the same order as the first few bending mode frequencies. These situations can be conducive for energy transfer amongst bending and torsion modes. Scenarios with torsional vibrations experienced by rotating structures with continuous rotor-stator contact occur in many rotating mechanical systems. Drill strings used in the oil and gas industry are an example of rotating structures whose torsional vibrations can be deleterious to the components of the drilling system. As a novel approach to mitigate undesired vibrations, the effects of adding a sinusoidal excitation to the rotation speed of a drill string are studied. A portion of the drill string located within a borewell is considered and this rotating structure has been modeled as an extended Jeffcott rotor and a sinusoidal excitation has been added to the drive speed of the rotor. After constructing a three-degree-of-freedom model to capture lateral and torsional motions, the equations of motions are reduced to a single differential equation governing torsional vibrations during continuous stator contact. An approximate solution has been obtained by making use of the Method of Direct Partition of Motions with the governing torsional equation of motion. The results showed that for a rotor undergoing forward or backward whirling, the addition of sinusoidal excitation to the drive speed can cause an increase in the equivalent torsional stiffness, smooth the discontinuous friction force at contact, and reduce the regions of negative slope in the friction coefficient variation with respect to speed. Experiments with a scaled drill string apparatus have also been conducted and the experimental results show good agreement with the numerical results obtained from the developed models. These findings suggest that the extended Jeffcott rotordynamics model can be useful for studies of rotor dynamics in situations with continuous rotor-stator contact. Furthermore, the results obtained suggest that the drive speed modulation scheme can have value for attenuating drill-string vibrations.

Down-regulation Of Slc8a1 As A Putative Apoptosis-evasion Mechanism By Modulation Of Calcium Levels In Penile Carcinoma.

The SLC8A1 gene, which encodes the Na(+)/Ca(2+) exchanger, plays a key role in calcium homeostasis. Our previous gene expression oligoarray data revealed SLC8A1 underexpression in penile carcinoma (PeCa). The aim of this study was to investigate whether the dysregulation of SLC8A1 expression is associated with apoptosis and cell proliferation in PeCa, via modulation of calcium concentration. The underlying mechanisms of SLC8A1 underexpression were also explored, focusing on copy number alteration and microRNA. Transcript levels of SLC8A1 gene and miR-223 were evaluated by quantitative PCR, comparing PeCa samples with normal glans tissues. SLC8A1 copy number was evaluated by microarray-based comparative genomic hybridization (array-CGH). Caspase-3 and Ki-67 immunostaining, as well as calcium distribution by Laser Ablation Imaging Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry [LA(i)-ICP-MS], were investigated in both normal and tumor samples. Confirming our previous data, SLC8A1 underexpression was detected in PeCa samples (P=0.001) and was not associated with gene copy number loss. In contrast, overexpression of miR-223 (P=0.002) was inversely correlated with SLC8A1 (P=0.015, r=-0.426), its putative repressor. In addition, SLC8A1 underexpression was associated with decreased calcium distribution, high Ki-67 and low caspase-3 immunoexpression in PeCa when compared with normal tissues. Down-regulation of the SLC8A1 gene, most likely mediated by its regulator miR-223, can lead to reduced calcium levels in PeCa and, consequently, to suppression of apoptosis and increased tumor cell proliferation. These data suggest that the miR-223-NCX1-calcium-signaling axis may represent a potential therapeutic approach in PeCa.