The objective of the proposed research is to investigate new and more efficient techniques in numerical evaluation and experimental measurement of phase jitter impact on more general communication systems including dispersion management, filtering, and spectral inversion schemes. There has recently been a renewed effort to develop coherent optical communication systems. In particular, differential phase-shift keying (DPSK), which does not require a local oscillator to perform decoding, has focused the attention and is perceived to be the promising candidate for future optical communication systems updates. This motivates us to exploit DPSK in wavelength-division multiplexed systems. First, modulation formats based on phase show an increased robustness to nonlinear impairments such as cross-phase modulation (XPM) and nonlinear polarization rotation, primarily because the time-dependence of optical power is deterministic and periodic. Second, coherent formats allow a higher spectral efficiency since both in-phase and quadrature dimensions of the signal space are available to encode information. Optical phase is also used in intensity-modulated direct detection systems as an extra degree of freedom, for example to provide better resistance to intrachannel four-wave mixing (FWM), or to increase spectral efficiency in duobinary modulation. Finally, phase modulation outperforms its intensity counterpart in terms of sensitivity since a 3 dB improvement can be achieved when balanced detection is used. Nevertheless, DPSK-based formats show a different behavior to noise accumulated along the propagation. Noise-induced power fluctuations are converted into phase fluctuations by the Kerr effect and become a penalty source which limits the transmission system reach. In this context, there have been intense research activities for evaluating phase uncertainties but the previous studies assume an analytically determined pulse shape and a constant-dispersion optical link which is far from reflecting the actual and future structures of transmission lines.

In the current transmission system, the information bandwidth of the optical fiber communication system is limited by optical amplifier bandwidth, and more efficient use of bandwidth is a very important issue. Amplitude and phase shift keying (APSK) is an advanced modulation scheme to improve the spectral efficiency and can effectively increase the transmission capacity. Certainly, APSK format has a good potential for development. This master thesis is focusing on that to study the transmission performance of the APSK format using digital coherent receiver. As the extinction ratio (ER) of the amplitude shift keying (ASK) signal affects the performances of the ASK signal and phase shift keying (PSK) signal simultaneously, the effect of the ER on the APSK transmission performance was studied. The APSK format has the trade-off between the performances of both the ASK signal and the PSK signal through the ER of the ASK signal. To overcome this issue, a method named zero-nulling method had been proposed, and this method solved the trade-off issue properly. At first, the amendment is to modify the digital coherent receiver program, confirmed that the digital coherent receiver program can correctly resolve APSK signal. Second, in this master thesis, I set up a 500km long optical fiber to measure the transmission performance under APSK format, and try to use recirculating loop system to further increase the transmission distance to several thousand kilometers. Finally, by further modify the receiver program to achieve APSK modulation of the zero-nulling method, and can prove its feasibility.

In this dissertation the performance of a novel variant of a return-to-zero (RZ) modulation format, based on square-wave phase modulation and filtering of a continuous-wave (CW) signal, is investigated and compared with various modulation formats considered in the literature. We call this modulation format continuous-wave square-wave (CWSW). With CWSW an RZ pulse train is generated by phase modulating the CW signal by a periodic square-wave phase function having an amplitude of and frequency of half the bit rate, and then filtering the signal. The filter performs phase-to-amplitude conversion, resulting in an alternate-sign RZ pulse train, which is shown to be resistant to fiber dispersion. The alternate-sign RZ pulse train is then amplitude modulated with the data before the transmission. Alternate signs between adjacent pulses makes this signal format robust to impairments caused by the optical fiber, similar to a conventional alternate-sign RZ signal format. However, the unique property of the CWSW signal format is that individual pulses can induce peak intensity enhancement (PIE), a phenomenon by which the peak of a pulse increases during the initial propagation in the presence of dispersion. The PIE in effect delays the decrease in the pulse peak, which represents the signal level for bit 1. Thus, the eye opening at the receiver is improved. An analytically tractable model is developed to explain the occurrence of the PIE, which cannot be achieved with a conventional pulse shape. The sources of performance degradations for different modulation formats in single-channel 40 Gb/s systems are also discussed in this dissertation. Various transmission system configurations of practical interest are considered and the performance of CWSW is compared with alternative modulation formats. It is found that the CWSW signal format performs significantly better than the other considered modulation formats in systems not employing dispersion compensation and is comparable to the others in dispersion-managed systems. Furthermore, the transmitter configuration of the CWSW signal format is simpler than the other approaches. / Ph. D.

In the current transmission systems, the transmission capacity is still not enough. The information bandwidth of the optical fiber communication system is limited by the optical amplifier bandwidth, and more efficient use of the bandwidth is a very important issue. Therefore, the amplitude and phase shift keying (APSK) is one attractive method of multi-bit per symbol modulation scheme to improve the spectral efficiency, and it can effectively increase the transmission capacity. To improve the capacity and the spectral efficiency, the advanced modulation format is effective, and the coherent detection scheme is also effective. However, an optical phase-locked loop (PLL) to lock the local oscillator (LO) phase and the signal phase required for the homodyne detection is still difficult to realize and it makes the receiver circuit complicated. Using the digital coherent receiver, the optical carrier phase information can be recovered by means of the digital signal processing (DSP), and this scheme enables to eliminate the optical PLL circuit by the phase estimation algorithm through the DSP. The stored data can be offline processed by using the MATLAB program. This master thesis is focusing on studying the transmission performance of the APSK format using the DSP in the digital coherent receiver. 497km transmission experiment has been conducted. Subsequently, the stored data are offline processed by the algorithms of the DSP. Then, the APSK performances between back-to-back and 497km transmission are compared.

Des méthodes de modulation et de détection de la lumière originales ont été étudiées afin d’améliorer la performance des systèmes de transmission optique longue distance. Des formats de modulation multiplexés en polarisation, utilisant plusieurs niveaux de phase ont été étudiés en particulier. La détection cohérente associée à un traitement numérique du signal a également été choisie au niveau de la réception afin d’optimiser la performance du système. Cela permet notamment de compenser de façon très efficace les distorsions linéaires introduites par la propagation dans le fibre optique, telles que la dispersion chromatique et la dispersion modales de polarisation. Après propagation sur grande distance, le rapport signal à bruit devient une limitation importante. L’autre limitation provient des interactions non linéaire entre la lumière et la fibre optique qui limitent la puissance maximale que l’on peut injecter dans la fibre optique.La première transmission multiplexée en longueur d’onde sur grandes distances (>1000km) utilisant la détection cohérente a notamment été démontrée.Afin de minimiser l’impact de ces effets non linéaires, différentes stratégies ont été proposées et investiguées. L’impact du multiplexage de polarisation a notamment été quantifié dans des configuration où la dispersion chromatique de la fibre est compensée régulièrement dans la liaison et dans le cas où elle n’est compensée qu’en fin de liaison de façon numérique.La proposition d’utiliser un format de modulation à 2 niveaux de phase ainsi que les algorithmes permettant de le détecter ont été fait. Le gain de performance obtenu par rapport à la solution conventionnelle à 4 niveaux de phase a été montré.Au débit de 100Gb/s, la démonstration de la première transmission sur des distances transocéanique a également été faite.Ces travaux de recherche ont été notamment utilisés pour définir puis développer des produits Alcatel-Lucent qui sont maintenant commercialisés, à 40Gb/s en utilisant un format de modulation multiplexé en polarisation à deux niveaux de phase, et à 100Gb/s en utilisant un format multiplexé en polarisation à quatre niveaux de phase. / Modulation and detection methods have been studied to improve the performance of optical long distance communication systems. Polarization division multiplexed modulation and multilevel phase modulation format have been evaluated. Coherent detection associated with digital signal processing has been selected at the receiver side to optimize system performance. This receiver design allows especially to compensate linear distortions induced by fiber optics propagation very efficiently. After long distance propagation, optical signal to noise ratio is a major limitation. The other main limitation comes from non linear interactions of light and fiber optics which put a limit on the maximum power to be injected within fiber optics.The first wavelength division multiplexed transmission over long distances (>1000km) using coherent detection has been demonstrated.Various strategies have been proposed to minimize the impact of non linear effect. The impact of polarisation multiplexing has been quantified in configuration where chromatic dispersion is either regularly optically compensated within the line or digitally compensated at the receiver end.The proposition to use a polarization multiplexed format using only 2 phase levels as well as the algorithms capable to detect them has been done. The performance gain obtained compared to the convention solution using 4 phase levels has been demonstrated.At 100Gb/s bit rate, the demonstration of the first transmission over trans-oceanic distance has also been done.These research work have been used to define and then develop Alcatel-Lucent products which are now commercialized, at 40Gb/s by using a polarization multiplexed and 2 phase levels modulation format, and at 100Gb/s by using a polarization multiplexed 4 phase levels format.

Coding is an essential technology for efficient fiber-optic communications and secure quantum communications. In particular, low-density parity-check (LDPC) coding is favoured due to its strong error correction capability and high-throughput implementation feasibility. In fiber-optic communications, it has been realized that advanced high-order modulation formats and soft-decision forward error correction (FEC) such as LDPC codes are the key technologies for the next-generation high-speed optical communications. Therefore, energy-efficient LDPC coding in combination with advanced modulation formats is an important topic that needs to be studied for fiber-optic communications. In secure quantum communications, large-alphabet quantum key distribution (QKD) is becoming attractive recently due to its potential in improving the efficiency of key exchange. To recover the carried information bits, efficient information reconciliation is desirable, for which the use of LDPC coding is essential. In this dissertation, we first explore different efficient LDPC coding schemes for optical transmission of polarization-division multiplexed quadrature-amplitude modulation (QAM) signals. We show that high energy efficiency can be achieved without incurring extra overhead and complexity. We then study the transmission performance of LDPC-coded turbo equalization for QAM signals in a realistic fiber link as well as that of pragmatic turbo equalizers. Further, leveraging the polarization freedom of light, we expand the signal constellation into a four-dimensional (4D) space and evaluate the performance of LDPC-coded 4D signals in terms of transmission reach. Lastly, we study the security of a proposed weak-coherent-state large-alphabet QKD protocol and investigate the information reconciliation efficiency based on LDPC coding.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fulvio Ceragioli.pdf: 2365221 bytes, checksum: 1347a891429ce300b38fd6710b0a6e4d (MD5) Previous issue date: 2009-02-06 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / Study about / Estudo sobre

La présente étude concerne le domaine des systèmes de transmission par fibres optiques et plus particulièrement l’impact des différentes techniques de filtrage (optiques) sur les performances des systèmes de transmission optiques (métro, accès). En réception, ces systèmes présentent un filtre étroit, qui permet de filtrer le signal sans avoir à traiter le bruit dans la liaison. On considère généralement que l'étroitesse du filtre de réception est indispensable au bon fonctionnement d'une liaison sans répéteurs, et que la sensibilité de la liaison est d'autant plus grande que la largeur du filtre est proche de la limite théorique que constitue la largeur du spectre du signal émis. L'utilisation de tels filtres présente des contraintes. D'une part, les filtres présentent des pentes raides, et sont coûteux. D'autre part, un décalage de la longueur d'onde de l'émetteur est toujours possible, de sorte que la plupart des récepteurs comprennent des filtres de réception dont la longueur d'onde est asservie sur la longueur d'onde de l'émetteur. Pour un système de transmission à multiplexage en longueurs d'onde WDM, dans lequel plusieurs longueurs d'ondes distinctes peuvent être utilisées, ceci permet d’augmenter la capacité d’information transmise, mais pose cependant de réelles contraintes telle que la diaphonie entre voies. Les canaux sont multiplexés dans la même fibre puis filtrés à la réception par un filtre optique qui sert à la fois au démultiplexage des canaux et à un éventuel filtrage optique dans le spectre du canal étudié. Le filtre optique aura des paramètres variables : forme, bande passante, et longueur d’onde centrale, ensuite le canal ainsi filtré sera analysé par le récepteur. Ce dernier comprend une photodiode suivie d’un filtre électrique de la forme de la fonction de filtrage de type de Bessel d’ordre 5. La qualité de l’information sera évaluée, par le taux d’erreur binaire TEB. Dans ce travail de thèse nous proposons une analyse de l’impact des paramètres fondamentaux des filtres sur les performances d’une liaison par la simulation système. / This study relates to the field of optical transmission systems fibers and more particularly the impact of different filtering techniques (optical) on the performance of optical transmission systems (metro access). Reception, these systems have a narrow filter, which filters the signal without having to deal with the noise in the link. It is generally considered that the narrowness of the receiving filter is indispensable for the proper functioning of a link without repeaters, and the sensitivity of the link is even greater than the width of the filter is close to the theoretical limit that is the spectrum width of the transmitted signal. The use of such filters has constraints. Firstly, the filters have steep slopes, and are expensive. On the other hand, a shift of the wavelength of the emitter length is always possible, so that most of the receivers comprise receiving filters whose wavelength is locked to the wavelength of the transmitter. For a transmission system with wavelength multiplexing, wherein plural different wavelengths may be used, this allows to increase the capacity of information transmitted, but however poses real constraints such that crosstalk between channels. The channels are multiplexed in the same fiber and filtered upon receipt by an optical filter which is used both in the channels and demultiplexing a possible optical filter in the spectrum of the considered channel. The optical filter has variable parameters: shape, bandwidth, and center wavelength, then the channel will be filtered and analyzed by the receiver. It includes a photodiode followed by an electrical filter of the form of the filter function of order Bessel type 5. Quality information will be evaluated by the bit error rate BER.In this thesis we propose to analyze the impact of the fundamental parameters of the filters on the performance of an optical system.

A débit de données élevé, typiquement supérieur à 10 Gsymboles/s, les lignes de<p>télécommunication optique à fibre monomode souffrent de façon accrue des distorsions<p>inhérentes à la fibre et à l’architecture de transmission. Nous pouvons classer les<p>effets de fibre en plusieurs catégories:<p>– Les effets linéaires. La dispersion chromatique est entraînée par la dépendance en<p>fréquence de l’indice de réfraction de la fibre. Il en résulte un élargissement des<p>bits optiques. La dispersion des modes de polarisation prend son origine dans<p>la biréfringence de la fibre. La modélisation de cet effet est compliquée par son<p>caractère stochastique et variable dans le temps.<p>– Les effets non linéaires prennent leur origine dans un indice de réfraction de<p>fibre qui dépend du champ optique. Ces effets peuvent être classés en deux<p>catégories. Premièrement, les effets intérieurs à un canal dont le plus influant<p>est l’automodulation de phase qui découle de l’effet Kerr optique :l’intensité<p>d’une impulsion lumineuse influence sa propre propagation. Deuxièmement, il<p>existe des conséquences de l’effet Kerr par lesquelles les différents canaux, se<p>propageant au sein de la même fibre, s’influencent mutuellement. Le phénomène<p>le plus influent parmi ces derniers est la modulation de phase croisée :l’intensité<p>d’un canal influence la propagation dans un canal voisin.<p>– Les pertes par diffusion Rayleigh sont compensées par les amplificateurs distribués<p>le long de la ligne de transmission. L’amplification optique par l’intermédiaire<p>d’émission stimulée dans des dispositifs dopés aux ions Erbium est<p>accompagnée d’émission spontanée amplifiée. Ceci entraîne la présence d’un<p>bruit blanc gaussien se superposant au signal à transmettre.<p>– La gestion des canaux dans le réseau optique implique la présence dans les noeuds<p>du réseau de filtres de sélection, des multiplexeurs et démultiplexeurs.<p>Nous examinerons aussi les effets de ligne non inhérents à la fibre mais à l’architecture<p>de transmission. Les modèles de l’émetteur et du récepteur représentent les imperfections<p>d’implémentation des composants optiques et électroniques.<p>Un premier objectif est de définir et évaluer un format de modulation robuste aux<p>imperfections introduites sur le signal par la fibre optique et par l’émetteur/récepteur.<p>Deux caractéristiques fondamentales du format de modulation, determinants pour la<p>performance du système, sont étudiés dans ce travail :<p>– La forme d’ onde. Les symboles complexes d’information sont mis en forme par<p>un filtre passe-bas dont le profil influence la robustesse du signal vis-à-vis des<p>effets de ligne.<p>– La distribution des fréquences porteuses. Les canaux de communication sont<p>disposés sur une grille fréquentielle qui peut être définie de manière électronique<p>par traitement de signal, de manière optique ou dans une configuration hybride.<p>Lorsque des porteuses optiques sont utilisées, le bruit de phase relatif entre lasers<p>entraîne des effets d’ influence croisée entre canaux. En revanche, les limites des<p>implémentations électroniques sont données par la puissance des architectures<p>numériques.<p>Le deuxième objectif est de concevoir des techniques de traitement numérique du<p>signal implémentées après échantillonnage au récepteur afin de retrouver l’information<p>transmise. Les fonctions suivantes seront implémentées au récepteur :<p>– Les techniques d’estimation et d’égalisation des effets linéaires introduits par la<p>fibre optique et par l’émetteur et le récepteur. Le principe de l’égalisation dans<p>le domaine fréquentiel est de transformer le canal convolutif dans le domaine<p>temporel en un canal multiplicatif qui peut dès lors être compensé à une faible<p>complexité de calcul par des multiplications scalaires. Les blocs de symboles<p>émis doivent être rendus cycliques par l’ajout de redondance sous la forme d’un<p>préfixe cyclique ou d’une séquence d’apprentissage. Les techniques d’égalisation<p>seront comparées en termes de performance (taux d’erreurs binaires, efficacité<p>spectrale) et en termes de complexité de calcul. Ce dernier aspect est particulièrement<p>crucial en vue de l’optimisation de la consommation énergétique du<p>système conçu.<p>– Les techniques de synchronisation des signaux en temps/fréquence. Avant de<p>pouvoir égaliser les effets linéaires introduits dans la fibre, le signal reçu devra<p>être synchronisé en temps et en fréquence sur le signal envoyé. La synchronisation<p>est généralement accomplie en deux étapes principales :l’acquisition réalisée<p>avant de recevoir les symboles d’information don’t l’objectif est une première<p>estimation/compensation des effets de manière "grossière", le tracking réalisé en<p>parallèle à l’estimation des symboles d’information dont l’objectif est l’estimation<p>/compensation des effets de manière "fine". Les algorithmes d’acquisition et<p>de tracking peuvent nécessiter l’envoi d’informations connues du récepteur.<p>– Les techniques d’estimation et de compensation des imperfections de fonctionnement<p>de l’émetteur et du récepteur. Une structure de compensation des effets<p>introduits par les composants optiques et électroniques sera développée afin de<p>relâcher les contraintes d’implémentation de l’émetteur et du récepteur.<p>Etant donné la très haute cadence à laquelle les échantillons du signal sont produits<p>(plusieurs dizaines de Gech/s), une attention particulière est portée à la complexité de<p>calcul des algorithmes proposés. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les formats de modulation avancés, codant l’information sur la phase, la polarisation ou plusieurs niveaux d’amplitude de la lumière reçoivent aujourd’hui un intérêt croissant. En effet, ceux-ci permettent d’atteindre une meilleure efficacité spectrale et par conséquent des débits plus élevés. Ces caractéristiques sont actuellement très recherchées dans les télécommunications pour répondre à la demande constante d’augmentation de capacité des transmissions optiques fibrées. L’essentiel du travail effectué porte sur la génération de tels signaux dans des sources photoniques monolithiques sur InP faisant appel à un concept nouveau de commutation de phases optiques préfixées avec des modulateurs électro-absorbants. Une comparaison de notre technologie intégrée avec la technologie actuelle de génération de formats de modulation avancés démontre des possibilités nouvelles de réduction de taille, de diminution de consommation énergétique et d’évolution en vitesse de modulation jusqu’à 56 GBauds. Suite à la validation, par simulations, d’architectures de transmetteurs spécifiques pour la génération de formats de modulation avancés, nous réalisons en salle blanche les circuits photoniques intégrés d’étude. Les caractérisations statiques confirment le fonctionnement de toutes les fonctions intégrées des circuits et soulignent l’efficacité de la filière technologique. Pour une première démonstration de fonctionnalité nous choisissons un transmetteur BPSK capable de générer une modulation de phase à 12,4 GB. Ce résultat démontre la plus petite source intégrée BPSK à l’heure actuelle. Un autre circuit capable de générer des formats de modulation plus complexes est aussi caractérisé / Advanced modulation formats, encoding data on the phase, polarization or multi-level intensity of the light are currently a hot topic in the telecommunication domain. By using them, high spectral efficiency and therefore higher bit rate signals could be generated. Those characteristics are really attractive for the telecommunication systems manufacturers in order to answer to the constant need of increased bandwidth in fiber optic communications. The study of advanced modulation formats generation in Photonic Integrated Circuits (PICs) based on a new concept of preset phases switching by Electro-Absorption Modulators is the main task of the current work. Compared to the actual technology used for generate advanced modulations, our choice could allow a strong reduction of the dimensions and of the energy consumption of the transmitter as well as bit rate up to 56 GB. After validating specific transmitters’ architectures by simulations, we fabricated the studied photonic integrated circuits in clean room. Through static characterizations, we verify that all integrated functions of the transmitters are working and we show the efficiency of our technological choices. Using the available equipments at the lab, we prove the validity of our concept of EAM based phase switching by using a BPSK transmitter. A 12.4 GB BPSK modulation is obtained as well as a wide open eye diagram. This result demonstrates the smallest BPSK integrated photonic source at this time. Another photonic circuit able to generate more complex modulation formats is also measured