Current coherent optical transmission systems focus on single carrier solutions for 400Gb/s serial transmission to support traffic growth in fiber-optics communications, together with a few subcarriers multiplexed solutions for the 1 Tb/s serial data rates and beyond. With the advancement of analog-to-digital converter technologies, high order modulation formats up to 64-QAM with symbol rate up to 72Gbaud have been demonstrated experimentally with Raman amplification. To enable such high serial data rates, it is highly desirable to implement in hardware low complexity digital signal processing schemes and advanced forward error correction coding with powerful error correction capability. In this dissertation, to enable high-speed optical communications, we first proposed an efficient FPGA architecture of high-performance binary and non-binary LDPC engines that can support throughputs of multiple Gb/s, which have low power consumption, providing high net coding gains at a target bit-error rate of 10-15. Further, we implement a generalized LDPC coding based rate adaptive binary LDPC coding scheme and puncturing based rate adaptive non-binary LDPC coding scheme, where large number of parameters can be reconfigured in order to cope with the time-varying optical channel conditions and service requirements. Based on comprehensive analysis on complexity, latency, and power consumption we demonstrate that the proposed efficient implementation represents a feasible solution for the next generation optical communication networks. Additionally, we investigate the FPGA implementation of rate adaptive regular LDPC coding combined with up to six high-order modulation formats and demonstrate high net coding gain performance and demonstrated a bit loading algorithm for irregular LDPC coding. Lastly, we present the real-time implementation of a direct detection OFDM transceiver with multi Giga symbols/s symbol rates in a back-to-back configuration.

Au cours des dernières décennies, le monde a subi une révolution majeure qui a profondément affecté comment on utilise les réseaux de communication. De nouveaux services et applications ont été apparus, tels que les réseaux sociaux, les jeux en ligne ou le streaming en direct, qui exigent une augmentation constante de la capacité des systèmes optiques. La motivation de ce travail est donc d'étudier la mise en œuvre d'un nouvel amplificateur SOA à très large bande avec une bande passante de plus de 100 nm afin d’étendre la capacité du système. L'utilisation de l'amplification SOA change complètement le paradigme dans la conception d'un système optique puisque toutes les dégradations ajoutées par la SOA doivent être considérées. Ainsi, la recherche d'un modèle analytique ou numérique capable de caractériser la nature non linéaire de ce dispositif est d'abord étudiée. Ensuite, on montre comment un SOA bien conçu peut non seulement amplifier un signal à large bande, mais également surmonter certains des principaux inconvénients du SOA devant EDFA. Finalement, on évalue la capacité de ce nouveau UWB SOA pour les applications d'interconnexion de centres de données avec deux expériences en transmettant jusqu'à 115 Tbps de données dans une liaison à bande passante continue de 100 nm sur 100 km de fibre et en testant la stabilité du système avec cartes de ligne en temps réelle entre deux points de présence (POP) de Facebook déployés dans la région parisienne / Over the last few decades the world has undergone a major revolution that has deeply affected the way we use communication networks. New services and applications have appeared demanding a constant increase of the channel capacity. In this period, optical systems have been upgraded at pair with advanced signal processing techniques which have permitted the increase of the spectral efficiency approaching the system capacity to the fundamental limit. It is because is becoming extremely challenging to keep growing the system capacity by this means. In this work, an orthogonal direction is studied to further increase the fibre capacity: extending the optical bandwidth. With this purpose, the use of semiconductor optical amplifiers (SOA) is investigated to be implemented in future ultra-wideband (UWB) systems. The use of SOA amplification changes completely the paradigm in the design of an optical system since all the impairments added by the SOA must be considered. In this work, we assess the reservoir model, a simple yet powerful model, to analyze numerically the nonlinear regime of the SOA for WDM systems. We also show for the first that the linewidth enhancement factor of an SOA can be estimated with a coherent receiver. Finally, it is also studied how the correlation between channels degrades significantly the performance of the SOA and the inclusion of a decorrelation fibre is investigated. The conception of a UWB system is then studied. We characterize a novel ultra-wideband SOA developed by the French project CALIPSO which presents high gain in a 100-nm optical bandwidth with high output saturation power and 6-8 dB of noise figure. We analyze its nonlinear regime for WDM systems and we show for QPSK and 16 QAM modulation formats that the input saturation power can be overtaken by serveral dBs without important nonlinear penalty. On the other hand, a novel technique is studied to compensate fibre nonlinearities in UWB systems: the multicarrier multiplexing, which tries to exploit the concept of symbol rate optimization. Finally, we assess the capabilities of this novel UWB SOA for data-centre interconnection applications with two experiments transmitting up to 113 Tbps data troughput in a 100-nm continuous bandwidth link over 100 km of fibre and then testings is stability with real-time line cards between two points of presence (POP)of Facebook deployed in the Paris area

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation d’un photorécepteur cohérent en filière PIC InP pour les applications 100-400 Gbit/s. La solution retenue est un récepteur cohérent pré-amplifié par un SOA pour permettre d’améliorer la responsivité du récepteur par rapport à un récepteur cohérent classique. De plus, ce récepteur est réalisé en technologie enterrée pour permettre un fonctionnement sur une plus grande gamme de longueurs d’onde. Enfin, un récepteur cohérent non pré-amplifié est aussi réalisé pour pouvoir évaluer l’impact de l’intégration du SOA sur le fonctionnement de notre récepteur. La première partie de cette étude est consacrée à des rappels sur les transmissions optiques à très haut débit, à un état de l’art sur les récepteurs cohérents, à une présentation des différents photodétecteurs et à une présentation de l’hybrid 90° qui est le composant coeur des récepteurs cohérents. Dans un second temps, nous présentons les différents choix retenus pour la conception de notre récepteur. L’étude de deux hybrid 90° simulés en technologie ridge et en technologie enterrée est détaillée. Nous commentons également le choix des photodiodes ainsi que le choix du SOA utilisé pour notre composant. Le troisième chapitre est consacré aux différentes étapes technologiques permettant la fabrication de notre récepteur cohérent pré amplifié. Nous commençons par une description des différentes techniques d’épitaxie utilisées. Ensuite, nous présentons en détails les 22 étapes technologiques nécessaires pour réaliser notre récepteur. Enfin, nous regroupons l’ensemble des caractérisations réalisées sur notre récepteur cohérent. Après un rappel sur les différentes parties de celui-ci et de leurs performances clés, nous caractérisons les composants unitaires formant notre récepteur (mixeur cohérent, photodiodes UTC et SOA). Enfin nous présentons les caractéristiques statiques et dynamiques de notre récepteur et nous comparons ses performances avec celles de l’état de l’art. Ces travaux de thèse ont permis de démontrer la faisabilité d’un récepteur pré-amplifié utilisant un SOA intégré en technologie InP enterrée avec un record de responsivité de 5 A/W. Ceci représente un gain de 12,5 dB par rapport à un récepteur cohérent non amplifié idéal et un gain de 15,5 dB par rapport à l’état de l’art des récepteurs cohérents. De plus, la consommation engendrée par cette intégration reste très faible (240 mW). Enfin, nous avons démontré une démodulation à 32 Gbauds avec un facteur Q de 14 dB. La bande passante de 40 GHz de nos diodes est compatible avec des applications à 56 Gbauds et peut être améliorée pour des applications à 100 Gbauds en réduisant la taille des photodiodes. Ce travail de thèse ouvre donc le chemin pour de nouveaux récepteurs pré-amplifés par un SOA pour des applications à 400 Gbit/s / This work focuses on the design, manufacturing and characterization of a coherent photoreceptor in PiC InP for 100-400 Gbit/s applications. The chosen solution is a preamplified coherent receiver with an SOA to improve the responsivity compared to a conventional coherent receiver. In addition, this receiver is made in buried technology to allow operation over a wider range of wavelengths. Finally, a coherent receiver without SOA is also produced to be able to evaluate its impact on the performances of our receiver. The first part of this study is devoted to reminders about very high speed optical transmissions, about state of the art on coherent receivers, about a presentation of the different photodetectors and a presentation of the 90° hybrid which is the core component in coherent receivers. Secondly, we present the various choices made for the design of our receiver. The study of two 90° hybrids simulated in ridge or in buried technology is detailed. We also comment the choices of photodiodes and SOA used for our component. The third chapter is devoted to the different technological steps used to build our preamplified receiver. We start with a description of the different epitaxial techniques used. Then, we present in detail the 22 technological steps required to realize our receiver. Finally, we group all the characterizations preformed on our coherent receiver. We characterize the unitary components of our receiver (hybrid 90°, UTC photodiodes and SOA). Finally we present the static and dynamic characteristics of our receiver and we compare its performances with the state of the art. This thesis demonstrates the feasibility of a preamplified receiver using a SOA in buried InP technology with a record of reponsivity of 5 A/W. This represents a gain of 12.5 dB compared to an ideal coherent receiver and a gain of 15,5 dB compared to the state of the art. In addition, the consumption generated by this integration remains very low (240 mW). Finally, we have demonstrated a 32 Gbauds demodulation with a Q factor of 14dB and the 40 GHz bandwidth of our photodiodes is compatible with 56 Gbauds applications. It can be improved for 100 Gbauds applications by reducing the size of our photodiodes. This thesis opens the way for a new preamplified coherent receiver for 400 Gbit/s applications

Les réseaux optiques à très haut-débit sont à la base des technologies de l’information d’aujourd’hui et le sujet d’intenses recherches. Alors que l’innovation permet de rendre les transpondeurs flexibles et versatiles, les réseaux de transmission par fibres optiques sont encore configurés manuellement et surtout rarement modifiés au cours de la vie du réseau. Un des points bloquants pour aller vers la reconfiguration et l’automatisation des réseaux optiques est le besoin de prédiction de la performance de tous les liens du réseau de façon précise et rapide. Cependant, la prédiction est rendue plus complexe par la diversité du type de fibres optiques déployées et les régimes de propagation utilisés.Au cours de mes travaux, j’ai étudié expérimentalement les distorsions du signal provenant des effets non-linéaires de type Kerr, accumulées sur des centaines de kilomètres de fibres optiques. Au travers d’expériences spécifiques et contrôlées, j’ai mesuré et mis en évidence les propriétés fondamentales des distorsions non-linéaires. Ces analyses m’ont permis de concevoir l’estimateur d’un modèle de performance destiné à des liens optiques hétérogènes, qui s’applique pour différents types de fibre et différents régimes de propagation.La flexibilité des transpondeurs associés à un estimateur de performance permettront de concevoir, d’optimiser et d’adapter de façon dynamique les canaux en fonction de la demande et de la topologie du réseau, ainsi que de calculer la protection et la restauration des chemins. / Nowadays, high-speed fiber-optic communication networks are the basis of information technology and the subject of intense research. Innovation enables transponders to be flexible and versatile, but fiber optical networks are still configured manually and especially almost never tuned during the life of the network. One of the blocking points toward reconfigurable and automated optical networks is the need of performance prediction for any link of the network in an accurate and fast way. However, the prediction is made even more complex by the diversity of deployed optical fiber types and propagation regimes.During my work, I addressed experimentally the signal distortions coming from nonlinear Kerr effects accumulated on hundreds of kilometers of optical fibers. Based on specific and controlled experiments, I have measured and highlighted the properties of the nonlinear distortions. These analyses allowed me to design a performance model estimator that can be applied to heterogeneous optical links with various optical fiber types and propagation regimes.The flexibility of transponders associated with a performance estimator will optimize and tune the channels dynamically depending on the load and the topology of the network, as well as compute the protection and restoration links.

Advances in fiber optic communications and the convergence of the optical-wireless network will dramatically increase the network heterogeneity and complexity. The goal of our research is to create smart receivers that can autonomously identify and demodulate, without prior knowledge, nearly any signal emerging from the next-generation of high-speed optical communication networks.