Neste trabalho a técnica de multiportadoras OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), aplicada a sistemas ópticos, é estudada, com foco principal na geração e transmissão dos chamados supercanais ópticos modulados em altíssimas taxas (até Terabits/s). O OFDM prevê um melhor aproveitamento da largura de banda e, quando comparada à técnica FDM (Frequency Division Multiplexing), permite uma redução de aproximadamente 50% do espectro ocupado. Esta economia proporcionada pela técnica torna-a forte candidata para uso em redes ópticas reconfiguráveis, pois provê melhor eficiência espectral aos sinais com reconfiguração de tráfego remoto. Dois cenários serão abordados: o primeiro, em que o sinal com multiportadoras moduladas de forma híbrida (QAM - quadradure amplitude modulation) é gerado no domínio elétrico para, em seguida, modular uma portadora óptica; e o segundo, no qual as multiportadoras são geradas no domínio óptico e, posteriormente, moduladas individualmente também no domínio óptico - e neste caso o formato de modulação pode variar. Para o segundo caso, três técnicas de geração de supercanais serão estudadas e avaliadas a fim de se realizar uma comparação entre elas. Neste trabalho também serão comparadas as técnicas de recepção óptica direta e coerente, aplicadas a sistemas OFDM. Os resultados para o estudo da geração de multiportadoras ópticas, obtidos através de simulações no software Optisystem v. 9.0, são validados por resultados experimentais obtidos no Laboratório de Comunicações Ópticas da Fundação CPqD. / This manuscript presents a study on the multicarrier modulation technique OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) applied to optical systems. The OFDM technique provides a better use of bandwidth and, compared with FDM (Frequency Division Multiplexing), provides a nearly 50% reduction of the occupied bandwidth. This feature makes the OFDM technique an ideal candidate for reconfigurable optical networks because it allows better spectral efficiency to the signals with remote traffic reconfiguration. The study focuses, mainly, on the theoretical investigation of OFDM applied to the transmission of the so-called optical superchannels, modulated at very high bit rates (above Terabits/s). Two scenarios are discussed: in the first, the multicarrier signal, modulated in a hybrid format (QAM - quadrature amplitude modulation), is generated in the electrical domain before modulating the optical carrier, and in the second the multicarrier beam is generated in the optical domain and subsequently each subcarrier is digitally modulated. In this second approach, three superchannel generation techniques are studied and evaluated for being compared. This work will also compare the direct and coherent detection techniques applied to OFDM systems. The results for the optical multicarrier generation study, obtained by numerical simulation (platform Optisystem v. 9.0), are validated by experimental results obtained at the Laboratory of Optical Communication CPqD Foundation.

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

La capacité ultime du canal dans les systèmes de transmission optique à longue distance est limitée par les effets non linéaires liés à la propagation dans les fibres optiques. Des techniques de compensation des effets non-linéaires, tel que la DBP (Digital Back Propagation), ont été proposées pour surmonter ces limitations et accroître la capacité. Compte tenu de leur complexité d’implémentation, leur gain en performance reste très limité. Cela a déclenché très récemment la recherche de nouvelles techniques de communication prenant en compte la non-linéarité de la fibre. Une nouvelle méthode de communication en régime non-linéaire, basée sur la théorie de la transformation spectrale inverse (IST pour Inverse Spectral Transform), a été proposée pour surmonter la limitation induite par ces effets. Cette méthode, proposée à l'origine par Hasegawa en 1993, encore appelée communication aux valeurs propres (ou multi-solitons), est basée sur l'observation fondamentale selon laquelle le spectre non linéaire d'un signal optique est invariant (à l'exception d'un déphasage linéaire trivial) lors de la propagation dans la fibre optique, comme décrit par l’équation non linéaire de Schrödinger (NLSE pour Non-Linear Schrödinger Equation). Cela signifie que si la transformée spectrale directe (DST) (également appelée NFT pour Nonlinear Fourier Transform) du signal reçu peut être calculée, le spectre de valeurs propres peut être entièrement récupéré.Cette thèse porte sur une technique de communication de type NFT connue sous le nom de multiplexage non linéaire en fréquence (NFDM pour Non-Linear Fourier Transform). Différentes configurations de systèmes optiques NFDM ont été évalués numériquement et validés expérimentalement. Dans un premier temps, la structure d’un système NFDM en mono-polarisation utilisant le spectre continu des fréquences non-linéaires dans une fibre en régime de dispersion normale est décrite. Pour ce faire, une forme NFT du vecteur NLSE, encore appelé système de Manakov, a été développé numériquement. Sur la base de ces algorithmes, la méthode NFDM a été étendue aux systèmes multiplexés par division de polarisation (PMD) et validée expérimentalement pour la première fois en utilisant le spectre continu. Finalement, l’expérience a été répliquée en régime de dispersion anormale. Afin d'étudier les contraintes de mise en œuvre, des études numériques supplémentaires ont été effectués pour la transmission de signaux NFDM utilisant la modulation du spectre continu. / Nonlinear effects in optical fiber set the ultimate limit to the channel capacity in long-haul optical transmission systems. Advanced nonlinear compensation techniques such as digital backpropagation (DBP) have been proposed as a solution to overcome the channel capacity crunch. However, given theircomputational complexity, in a practical environment their performance gainremains very limited. This triggered a search for a novel communication system design that takes fiber nonlinearity into consideration. A new nonlinearcommunication method, based on the theory of the inverse spectral transform, has been proposed to overcome the nonlinear capacity crunch. Thismethod, originally proposed by Hasegawa in 1993 and called eigenvalue (ormulti-soliton) communication, is based on the fundamental observation thatthe nonlinear spectrum of an optical signal is invariant (except for a triviallinear phase shift) upon propagation in the fiber channel, as described bythe nonlinear Schrödinger equation (NLSE). This means that if the directspectral transform (also known as nonlinear Fourier transform (NFT)) ofthe received signal can be computed, the eigenvalue spectrum can be fullyrecovered.This thesis focuses on a NFT-based communication technique known as nonlinear frequency division multiplexing (NFDM). The NFDM optical systemis numerically assessed and experimentally demonstrated. First, the structure of the proposed single-polarization NFDM system using the continuousspectrum in the normal dispersion regime is presented. To that end, theNFT of the vector NLSE, or Manakov system, was numerically developed.Based on these algorithms the NFDM method was extended to polarizationdivision multiplexed (PMD) systems, and experimentally validated for thefirst time using the continuous spectrum. Finally, the experiment will bereplicated in the anomalous dispersion regime.Additional numerical studies are presented, in order to investigate the implementation challenges of the proposed NFDM techniques for the continuousspectrum modulation.

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The technique of cooperative communications is finding its way in the next generations of many wireless communication applications. Due to the distributed nature of cooperative networks, acquiring fading channels information for coherent detection is more challenging than in the traditional point-to-point communications. To bypass the requirement of channel information, differential modulation together with non-coherent detection can be deployed. This thesis is concerned with various issues related to differential modulation and non-coherent detection in cooperative networks. Specifically, the thesis examines the behavior and robustness of non-coherent detection in mobile environments (i.e., time-varying channels). The amount of channel variation is related to the normalized Doppler shift which is a function of user’s mobility. The Doppler shift is used to distinguish between slow time-varying (slow-fading) and rapid time-varying (fast-fading) channels. The performance of several important relay topologies, including single-branch and multi-branch dual-hop relaying with/without a direct link that employ amplify-and-forward relaying and two-symbol non-coherent detection, is analyzed. For this purpose, a time-series model is developed for characterizing the time-varying nature of the cascaded channel encountered in amplify-and-forward relaying. Also, for single-branch and multi-branch dual-hop relaying without a direct link, multiple-symbol differential detection is developed. First, for a single-branch dual-hop relaying without a direct link, the performance of two-symbol differential detection in time-varying Rayleigh fading channels is evaluated. It is seen that the performance degrades in rapid time-varying channels. Then, a multiple-symbol differential detection is developed and analyzed to improve the system performance in fast-fading channels. Next, a multi-branch dual-hop relaying with a direct link is considered. The performance of this relay topology using a linear combining method and two-symbol differential detection is examined in time-varying Rayleigh fading channels. New combining weights are proposed and shown to improve the system performance in fast-fading channels. The performance of the simpler selection combining at the destination is also investigated in general time-varying channels. It is illustrated that the selection combining method performs very close to that of the linear combining method. Finally, differential distributed space-time coding is studied for a multi-branch dual-hop relaying network without a direct link. The performance of this network using two-symbol differential detection in terms of diversity over time-varying channels is evaluated. It is seen that the achieved diversity is severely affected by the channel variation. Moreover, a multiple-symbol differential detection is designed to improve the performance of the differential distributed space-time coding in fast-fading channels.

Les formats de modulation bidimensionnels (i.e. basés sur l’amplitude et la phase de l’onde porteuse) ont gagné depuis peu le domaine des transmissions par fibre optique grâce aux progrès conjoints de l’électronique rapide et du traitement du signal, indispensables pour réaliser les récepteurs opto-électroniques utilisant la détection cohérente des signaux optiques. Pour pallier les limites actuelles en rapidité de commutation des circuits intégrés électroniques, une voie de recherche a été ouverte il y a quelques années, consistant à utiliser des technologies optiques pour faciliter la parallélisation du traitement du signal, notamment dans l’étape d’échantillonnage ultra-rapide du signal rendu possible par des horloges optiques très performantes. Le thème principal de cette thèse concerne l’étude théorique et expérimentale de la fonction de conversion analogique-numérique (ADC) de signaux optiques par un récepteur opto-électronique cohérent, associant les étapes d’échantillonnage optique linéaire, de conversion analogique-numérique et de traitement du signal. Un prototype, utilisant une solution originale pour la source d’échantillonnage, est modélisé, réalisé et caractérisé, permettant la reconstruction temporelle de signaux optiques modulés selon divers formats : NRZ, QPSK, 16-QAM. Les limitations optiques et électroniques du système sont analysées, notamment l’impact sur la reconstruction des signaux de divers paramètres : le taux d’extinction de la source optique, les paramètres de l’ADC (bande passante BW, temps d’intégration et nombre effectif de bits ENOB). Par ailleurs, de nouveaux algorithmes de traitement du signal sont proposés dans le cadre de la transmission optique cohérente à haut débit utilisant des formats de modulation bidimensionnels (amplitude et phase) : deux solutions sont proposées pour la compensation du déséquilibre de quadrature IQ dans les transmissions mono-porteuses: une méthode originale de l’estimation du maximum du rapport signal sur bruit ainsi qu’une nouvelle structure de compensation et d’égalisation conjointes; ces deux méthodes sont validées expérimentalement et numériquement avec un signal 16-QAM. Par ailleurs, une solution améliorée de récupération de porteuse (décalage de fréquence et estimation de la phase), basée sur une décomposition harmonique circulaire de la fonction de maximum de vraisemblance logarithmique, est validée numériquement pour la première fois dans le contexte des transmissions optiques (jusqu’à une modulation de 128-QAM). Enfin les outils développés dans ce travail ont finalement permis la démonstration d’une transmission sur 100 km d’un signal QPSK à 10 Gbaud fortement limité par un bruit de phase non linéaire et régénéré optiquement à l’aide d’un limiteur de puissance préservant la phase basé sur une nanocavité de cristal photonique. / Bi-dimensional modulation formats based on amplitude and phase signal modulation, are now commonly used in optical communications thanks to breakthroughs in the field of electronic and digital signal processing (DSP) required in coherent optical receivers. Photonic solutions could compensate for nowadays limitations of electrical circuits bandwidth by facilitating the signal processing parallelization. Photonic is particularly interesting for signal sampling thanks to available stable optical clocks. The heart of the present work concerns analog-to-digital conversion (ADC) as a key element in coherent detection. A prototype of linear optical sampling using an original solution for the optical sampling source, is built and validated with the successful equivalent time reconstruction of NRZ, QPSK and 16-QAM signals. Some optical and electrical limitations of the system are experimentally and numerically analyzed, notably the extinction ratio of the optical source or the ADC parameters (bandwidth, integration time, effective number of bits ENOB). Moreover, some new DSPs tools are developed for optical transmission using bi-dimensional modulation formats (amplitude and phase). Two solutions are proposed for IQ quadrature imbalance compensation in single carrier optical coherent transmission: an original method of maximum signal-to-noise ratio estimation (MSEM) and a new structure for joint compensation and equalization; these methods are experimentally and numerically validated with 16-QAM signals. Moreover, an improved solution for carrier recovery (frequency offset and phase estimation) based on a circular harmonic expansion of a maximum loglikelihood function is studied for the first time in the context of optical telecommunications. This solution which can operate with any kind of bi-dimensional modulation format signal is numerically validated up to 128-QAM. All the DSP tools developed in this work are finally used in a demonstration of a 10 Gbaud QPSK 100 km transmission experiment, featuring a strong non-linear phase noise limitation and regenerated using a phase preserving and power limiting function based on a photonic crystal nanocavity.