Nonlinear pulse shaping in fibres for pulse generation and optical processing

The development of new all-optical technologies for data processing and signal manipulation is a field of growing importance with a strong potential for numerous applications in diverse areas of modern science. Nonlinear phenomena occurring in optical fibres have many attractive features and great, but not yet fully explored, potential in signal processing. Here, we review recent progress on the use of fibre nonlinearities for the generation and shaping of optical pulses and on the applications of advanced pulse shapes in all-optical signal processing. Amongst other topics, we will discuss ultrahigh repetition rate pulse sources, the generation of parabolic shaped pulses in active and passive fibres, the generation of pulses with triangular temporal profiles, and coherent supercontinuum sources. The signal processing applications will span optical regeneration, linear distortion compensation, optical decision at the receiver in optical communication systems, spectral and temporal signal doubling, and frequency conversion. © Copyright 2012 Sonia Boscolo and Christophe Finot.

Scaling the Advantages of Intra-channel Nonlinearity Compensation in Future Flexible Optical Networks

We report that, contrary to common perception, intra-channel nonlinearity compensation offers significant improvements of up to 4dB, in nonlinear tolerance (Q-factor), in a flexible traffic scenario, and further improvements with increasing local link dispersion, for an optical transport network employing flexible 28Gbaud PM-mQAM transponders.

Optical fibre limits:an approach using ASE channel estimation

In this talk we investigate the usage of spectrally shaped amplified spontaneous emission (ASE) in order to emulate highly dispersed wavelength division multiplexed (WDM) signals in an optical transmission system. Such a technique offers various simplifications to large scale WDM experiments. Not only does it offer a reduction in transmitter complexity, removing the need for multiple source lasers, it potentially reduces the test and measurement complexity by requiring only the centre channel of a WDM system to be measured in order to estimate WDM worst case performance. The use of ASE as a test and measurement tool is well established in optical communication systems and several measurement techniques will be discussed [1, 2]. One of the most prevalent uses of ASE is in the measurement of receiver sensitivity where ASE is introduced in order to degrade the optical signal to noise ratio (OSNR) and measure the resulting bit error rate (BER) at the receiver. From an analytical point of view noise has been used to emulate system performance, the Gaussian Noise model is used as an estimate of highly dispersed signals and has had consider- able interest [3]. The work to be presented here extends the use of ASE by using it as a metric to emulate highly dispersed WDM signals and in the process reduce WDM transmitter complexity and receiver measurement time in a lab environment. Results thus far have indicated [2] that such a transmitter configuration is consistent with an AWGN model for transmission, with modulation format complexity and nonlinearities playing a key role in estimating the performance of systems utilising the ASE channel emulation technique. We conclude this work by investigating techniques capable of characterising the nonlinear and damage limits of optical fibres and the resultant information capacity limits. REFERENCES McCarthy, M. E., N. Mac Suibhne, S. T. Le, P. Harper, and A. D. Ellis, “High spectral efficiency transmission emulation for non-linear transmission performance estimation for high order modulation formats," 2014 European Conference on IEEE Optical Communication (ECOC), 2014. 2. Ellis, A., N. Mac Suibhne, F. Gunning, and S. Sygletos, “Expressions for the nonlinear trans- mission performance of multi-mode optical fiber," Opt. Express, Vol. 21, 22834{22846, 2013. Vacondio, F., O. Rival, C. Simonneau, E. Grellier, A. Bononi, L. Lorcy, J. Antona, and S. Bigo, “On nonlinear distortions of highly dispersive optical coherent systems," Opt. Express, Vol. 20, 1022-1032, 2012.

100 Gbit/s real-time all-analogue filter bank OFDM based on a gain-switched optical comb

A real-time 5×21.6 Gbit/s WDM electro-optical transceiver is presented. Optical carriers were spaced by 20 GHz and each one transmitted four orthogonally overlapping broadband subcarriers. Only analogue electronics were employed, achieving an unprecedented spectral efficiency in DSP-less SCM links.

Modified nonlinear inverse synthesis for optical links with distributed Raman amplification

We propose a modification of the nonlinear digital signal processing technique based on the nonlinear inverse synthesis for the systems with distributed Raman amplification. The proposed path-average approach offers 3 dB performance gain, regardless of the signal power profile.

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.

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.

Orthogonal chirp division multiplexing for coherent optical fiber communications

In this paper, we propose an orthogonal chirp division multiplexing (OCDM) technique for coherent optical communication. OCDM is the principle of orthogonally multiplexing a group of linear chirped waveforms for high-speed data communication, achieving the maximum spectral efficiency (SE) for chirp spread spectrum, in a similar way as the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) does for frequency division multiplexing. In the coherent optical (CO)-OCDM, Fresnel transform formulates the synthesis of the orthogonal chirps; discrete Fresnel transform (DFnT) realizes the CO-OCDM in the digital domain. As both the Fresnel and Fourier transforms are trigonometric transforms, the CO-OCDM can be easily integrated into the existing CO-OFDM systems. Analyses and numerical results are provided to investigate the transmission of CO-OCDM signals over optical fibers. Moreover, experiments of 36-Gbit/s CO-OCDM signal are carried out to validate the feasibility and confirm the analyses. It is shown that the CO-OCDM can effectively compensate the dispersion and is more resilient to fading and noise impairment than OFDM.

Digital nonlinear equalization for optical transmission systems

This thesis focuses on digital equalization of nonlinear fiber impairments for coherent optical transmission systems. Building from well-known physical models of signal propagation in single-mode optical fibers, novel nonlinear equalization techniques are proposed, numerically assessed and experimentally demonstrated. The structure of the proposed algorithms is strongly driven by the optimization of the performance versus complexity tradeoff, envisioning the near-future practical application in commercial real-time transceivers. The work is initially focused on the mitigation of intra-channel nonlinear impairments relying on the concept of digital backpropagation (DBP) associated with Volterra-based filtering. After a comprehensive analysis of the third-order Volterra kernel, a set of critical simplifications are identified, culminating in the development of reduced complexity nonlinear equalization algorithms formulated both in time and frequency domains. The implementation complexity of the proposed techniques is analytically described in terms of computational effort and processing latency, by determining the number of real multiplications per processed sample and the number of serial multiplications, respectively. The equalization performance is numerically and experimentally assessed through bit error rate (BER) measurements. Finally, the problem of inter-channel nonlinear compensation is addressed within the context of 400 Gb/s (400G) superchannels for long-haul and ultra-long-haul transmission. Different superchannel configurations and nonlinear equalization strategies are experimentally assessed, demonstrating that inter-subcarrier nonlinear equalization can provide an enhanced signal reach while requiring only marginal added complexity.

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.

Design and analysis of integrated optic quadrature phase shift keying modulator

Quadrature phase shift keying (QPSK) is one of the most popular modulation schemes in coherent optical communication systems for data rates in excess of 40 Gbps because of its high spectral efficiency. This paper proposes a simple method of implementing a QPSK modulator in integrated optic (IO) domain. The QPSK modulator is realized using standard IO components, such as Y-branches and electro-optic modulators (EOMs). Design optimization of EOM is carried out considering the fabrication constraints, miniaturization aspects, and simplicity. Also, the interdependency between electrode length, operating voltage, and electrode gap of an EOM has been captured in the form of a family of curves. These plots enable designing of EOMs for custom requirements. An innovative approach has been adopted in demonstrating the operation of IO QPSK modulator in terms of phase data extracted from beam propagation model. The results obtained by this approach have been verified using the conventional interferometric approach. The operation of the proposed IO QPSK modulator is experimentally demonstrated. The design of IO QPSK modulator is taken up as a part of a broader scheme that aims at generation of QPSK modulated microwave signal based on optical heterodyning. (C) 2014 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE)

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.