Free-space optical communication technology has many advantages over RF/microwave in satellite and other spacecraft applications where reductions in size, weight and prime power requirements are combined with increased data transfer capability over long distances. Ultimately, the design and implementation of free-space optical communication systems is dependent on suitable analysis of the link. The analysis of these systems is difficult due to the complicated time-varying propagation of optical energy over the free-space channel. This difficulty is combined with a shortage of suitable analytical expressions for adequately determining the performance of free-space optical receivers. As the link must be modeled and analyzed, simulation of the free-space optical communication link can initiate the process of exploring the application of lightwave technology to the free-space channel. A prohibitive amount of time is required to simulate receiver bit error rate (BER) performance at the low error rates of interest. This dissertation presents the results achieved in reducing the amount of time required to simulate, to a given accuracy, the bit error rate performance of an APD based free-space optical receiver. An improved technique for the importance sampling simulation of direct detection APD receivers has been developed. Two methods for efficiently simulating and biasing the probability distribution function of the APD process are presented and discussed. This is the first use the Webb, McIntyre, Conradi statistics in importance sampling simulation of an APD. The general procedure for applying importance sampling to the optical communication system simulation problem is presented in detail. The technique of importance sampling has been extended to include the simulation of maximum likelihood optical M-ary PPM receivers, an optical receiver relevant to free-space applications. The use of importance sampling is shown to reduce the time required to simulate M-PPM APD receivers by several orders of magnitude, from 9000 years to less than one hour in one example. / Ph. D.

Silicon photonics is one of the most exciting and fastest growing photonic technologies in recent years. The salient feature of this technology is its compatibility with the mature silicon IC manufacturing based on complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes widely used in microelectronic industry. Another motivation is the availability of high-quality silicon-on-insulator (SOI) planar waveguide circuits that offer strong optical confinement due to the high index contrast between silicon (n=3.45) and SiO2 (n=1.45). This opens up miniaturization and very large scale integration of photonic devices allowing photonic integrated circuits for a wide range of applications and markets, from optical telecommunications to bio-photonic devices or precise fibre sensors. Optical modulators are key building-blocks for high speed signal transmission and information processing in any photonic interconnection solution. The work developed in this thesis, as part of the objectives of the European project HELIOS in which it is framed, is essentially focused on realizing compact and efficient modulators integrated on silicon chips. The thesis consists of three main chapters as well as the concluding section on the work accomplished. Chapter one is aimed at giving a general description of the benefits of using silicon photonics, showing its challenges and opportunities as well as at giving a deeply overview of all issues related to the electro-optic modulation. Chapter two is devoted to develop silicon modulators with high features for digital applications. Specifically, new optical structures different to the conventional ones are presented with the aim of enhancing the modulation performance or at least several critical parameters in the modulation. Chapter three is dedicated to the analog applications. The concept of microwave photonics is described as well as different researches carried out in the analog scope for application in the field of integrated microwave photonics, all of them using CMOS-compatible electro-optic silicon modulators which validate the potential of silicon photonics as a promising approach for enabling the development of integrated microwave photonics applications. Finally, conclusions on the work realized are provided in Chapter 4. / La fotónica de silicio es una de las tecnologías fotónicas que está experimentando un crecimiento más excitante y rápido en los últimos años. La característica más destacada de esta tecnología es su compatibilidad con las maduras técnicas de fabricación de circuitos integrados de silicio basadas en los procesos ¿complementary metal-oxide semiconductor¿ (CMOS) ampliamente utilizados en la industria microelectrónica. Otra motivación es la disponibilidad de circuitos de guía de ondas planas de silicio sobre aislante (SOI) de alta calidad que ofrecen un fuerte confinamiento óptico debido al alto contraste índices entre el silicio (n=3,45) y el SiO2 (n = 1,45). Esto abre las puertas a la miniaturización y a la integración a gran escala de dispositivos fotónicos lo que resulta en circuitos fotónicos integrados para una amplia gama de aplicaciones y mercados, desde telecomunicaciones ópticas a dispositivos bio-fotónicos o sensores de fibra precisos. Los moduladores ópticos son elementos básicos fundamentales para la transmisión de señales a alta velocidad y el procesado de información en cualquier solución de interconexión fotónica. El trabajo desarrollado en esta tesis, como parte del los objetivos del proyecto Europeo HELIOS en el que está enmarcada, se centra fundamentalmente en realizar moduladores compactos y eficientes, integrados en chips de silicio. La tesis consiste en 3 capítulos principales así como una sección de conclusiones del trabajo conseguido. El capítulo uno está destinado a dar una descripción general de los beneficios del uso de la fotónica de silicio, mostrando sus retos y oportunidades, así como a dar una visión profunda de todos los aspectos relacionados con la modulación electro-óptica. El capítulo dos está dedicado a desarrollar moduladores de silicio de altas prestaciones para aplicaciones digitales. Específicamente, se presentan nuevas estructuras ópticas diferentes a las convencionales con el objetivo de mejorar el rendimiento de la modulación o al menos algunos parámetros críticos en la modulación. El tercer capítulo se dedica a las aplicaciones analógicas. Se describe el concepto de la fotónica de microondas, así como diferentes investigaciones llevadas a cabo en el ámbito analógico para su aplicación en el campo de la fotónica integrada de microondas, todas ellas usando moduladores electro-ópticos de silicio compatibles con los procesos de fabricación CMOS, lo que valida el potencial de la fotónica de silicio como un prometedor enfoque para permitir el desarrollo de aplicaciones de la fotónica integrada de microondas. Por último, las conclusiones sobre el trabajo realizado se proporcionan en el Capítulo 4. / Gutiérrez Campo, AM. (2013). Development of integrated silicon photonics modulation devices for digital and analog applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33330

Tesis por compendio / [ES] En esta Tesis Doctoral, se propone diferentes técnicas de acoplo y conversión modal destinadas a aumentar la capacidad de transporte en sistemas de telecomunicaciones sobre fibra óptica. En particular, el objetivo principal es el desarrollo de la tecnología necesaria para conseguir una multiplexación modal utilizando un número limitado de modos, de manera controlada. Para ello, se estudian dos escenarios MDM con dos longitudes de onda distinta. Por un lado, usando la longitud de onda de 850 nm sobre SSMF favoreciendo la utilización de componentes ópticos y electro-ópticos de coste mucho menor que sus equivalentes en la banda C+L. Esta novedosa tecnología de transmisión permitirá una nueva generación de interconexiones ópticas de muy alta capacidad aplicable a enlaces chip-a-chip, a backplanes ópticos y también a clústeres de computación de altas prestaciones y centros de conmutación de red. Por otro lado, usando la longitud de onda de 1550 nm sobre guías ópticas basadas en SOI, es decir, Si (silicio) sobre sustrato de SiO2 (óxido de silicio) favoreciendo la utilización de dispositivos basados en tecnología integrada que ofrecen un menor tamaño, mejor repetibilidad y robustez que los dispositivos basados en fibra óptica. Para ello, se propone el uso de acopladores ópticos fusionados siendo un elemento indispensable a la hora de multiplexar y demultiplexar los distintos modos ópticos en un enlace MDM a 850 nm. Esta técnica permite multiplexar/demultiplexar los modos ópticos cuando el tipo de acoplador óptico utilizado es simétrico (DC, del inglés directional coupler), siendo necesario la utilización de un conversor de modos. También se estudia la posibilidad de convertir el modo óptico mediante la utilización de un acoplador óptico asimétrico (ADC, del inglés asymmetrical directional coupler), no siendo necesario utilizar un conversor de modos y simplificando el esquema MDM. Además, en esta tesis doctoral también se propone y evalúa el diseño de un conversor de modos mecánico basado en SSMF. Esta técnica permite obtener el primer modo de orden superior con una alta calidad y sin la necesidad de utilizar un ADC. Después de esto, se propone y evalúa la posibilidad de utilizar acopladores comerciales (diseñados a 1550 nm) a la longitud de onda de 850 nm permitiendo de esta forma reducir la necesidad de utilizar acopladores ópticos y conversores modales específicamente diseñados en dicha longitud de onda. Esta técnica reduciría los costes del sistema al necesitar un menor número de dispositivos y aprovechar los dispositivos diseñados a 1550 nm, siendo más económicos que los diseñados a 850 nm. En esta Tesis también se propone el uso de ADCs en guías strip basadas en SOI para la conversión y multiplexación de los modos ópticos desde la guia fundamental a la guia de dos modos, a la longitud de onda de 1550 nm. Para ello se estudia y demuestra experimentalmente diferentes diseños con el fin de obtener el diseño más robusto frente a las tolerancias de fabricación consiguiendo un rendimiento óptimo. Además, el uso de DCs sobre guías ridge es comúnmente utilizado y ofrece mejores prestaciones que el basado en guías strip, por ese motivo esta Tesis estudia y evalúa el uso de ADCs sobre guías ridge mediante el método de análisis de los índices efectivos de los supermodos par e impar. De esta forma se realiza una comparación entre los diseños óptimos de ambas estructuras (strip y ridge) con el objetivo de averiguar qué diseño ofrece mejores prestaciones. Por último, se propone y estudia el diseño de un acoplador grating capaz de multiplexar y demultiplexar los modos ópticos del modo fundamental y del primer orden superior desde la guia óptica a la fibra óptica y viceversa. Para ello se proponen diferentes diseños con el objetivo de conseguir un diseño más tolerante y eficiente frente a los errores por desalineamiento obteniendo un acoplo óptimo. / [CA] En aquesta Tesi Doctoral, es proposen diferents tècniques d'acoblament i conversió modal destinades a augmentar la capacitat de transport en sistemes de telecomunicacions sobre fibra òptica. En particular, l'objectiu principal és el desenrotllament de la tecnologia necessària per a aconseguir una multiplexació modal utilitzant un número limitat de modes, de manera controlada. Per a això, s'estudien dos escenaris MDM amb dos longituds d'onda distinta. D'una banda, usant la longitud d'ona de 850 nm sobre SSMF afavorint la utilització de components òptics i electro-òptics de cost molt menor que els seus equivalents en la banda C+L. Aquesta nova tecnologia de transmissió permetrà una nova generació d'interconnexions òptiques de molt alta capacitat aplicable a enllaços chip-a-chip, a backplanes òptics i també a clústers de computació d'altes prestacions i centres de commutació de xarxa. D'altra banda, usant la longitud d'ona de 1550 nm sobre guies òptiques basades en SOI, és a dir, Si (silici) sobre substrat de SiO2 (òxid de silici) afavorint la utilització de dispositius basats en tecnologia integrada que ofereixen una menor grandària, millor repetibilitat i robustesa que els dispositius basats en fibra òptica. Per a això, es proposa l'ús d'acobladors òptics fusionats sent un element indispensable a l'hora de multiplexar i demultiplexar els distints modes òptics en un enllaç MDM. Aquesta tècnica permet multiplexar/demultiplexar els modes òptics quan el tipus d'acoblador òptic utilitzat és simètric (DC, de l'anglès directional coupler), sent necessari la utilització d'un convertidor de modes. També s'estudia la possibilitat de convertir el mode òptic per mitjà de la utilització d'un acoblador òptic asimètric (ADC, de l'anglès asymmetrical directional coupler), no sent necessari utilitzar un convertidor de modes i simplificant l'esquema MDM. Es mes, en aquesta tesi doctoral també es proposa i avalua el disseny d'un convertidor de modes mecànic basat en SSMF. Aquesta tècnica permet obtindre el primer mode d'orde superior amb una alta qualitat sense la necessitat d'utilitzar un ADC. Després d'açò, es proposa i avalua la possibilitat d'utilitzar acobladors comercials (dissenyats a 1550 nm) a la longitud d'ona de 850 nm permetent d'esta manera reduir la necessitat d'utilitzar acobladors òptics i convertidors modals específicament dissenyats en la dita longitud d'ona. Aquesta tècnica reduiria els costos del sistema al necessitar un menor nombre de dispositius i aprofitant els dispositius dissenyats a 1550 nm, sent més econòmics que els dissenyats a 850 nm. En aquesta Tesi també es proposa l'ús de ADCs en guies strip basades en SOI per a la conversió i multiplexació dels modes òptics des de la guia fonamental a la guia de dos modes, a la longitud d'ona de 1550 nm. Per a això s'estudia i demostra experimentalment diferents dissenys a fi de obtindré el disseny més robust enfront les toleràncies de fabricació aconseguint un rendiment òptim. A més, l'ús de DCs sobre guies ridge és comunament utilitzat i ofereix millors prestacions que el basat en guies strip, per eixe motiu aquesta Tesi estudia i avalua l'ús de ADCs sobre guies ridge per mitjà del mètode d'anàlisi dels índexs efectius dels supermodes parell i imparell. D'aquesta manera es realitza una comparació entre els dissenys òptims de les dos estructures (strip i ridge) amb l'objectiu d'esbrinar quin disseny ofereix millors prestacions. Finalment, es proposa i estudia el disseny d'un acoblador grating capaç de multiplexar i demultiplexar els modes òptics del mode fonamental i del primer orde superior des de la guia òptica a la fibra òptica i viceversa. Per a això es proposen diferents dissenys amb l'objectiu d'aconseguir un disseny més tolerant i eficient enfront dels errors per desalineament obtenint un acoblament òptim. / [EN] In this Ph.D. thesis, different mode coupling and mode conversion techniques with the aim to increase the transport capacity in telecommunications systems over optical fiber are proposed. Concretely, the main aim is the development of the technology to achieve MDM using a limited controlled number of modes. Two different MDM scenarios based on two distinct wavelengths have been considered. On one hand, using the 850 nm wavelength over SSMF favors the use of optical and electro-optical devices with costs much lower than their equivalent in the C+L band. This novel transmission technology enables a new generation of very high capacity optical interconnections applicable to chip-to-chip links, to optical backplanes, and also to high-performance computing clusters and network switching centre interconnections. On the other hand, using the 1550 nm wavelength over optical waveguides based on SOI, i.e., Si (Silicon) above SiO2 substrate (silicon oxide), allows the use of integrated devices offering a less size, better repeatability and robustness in comparison with the optical fiber devices. Fused fiber couplers are proposed as key elements to (de)multiplex different fiber modes in a MDM link at 850 nm. The use of a symmetric directional coupler (DC) as a (de)multiplexer requires the use of an additional mode converter. The use of an asymmetrical directional coupler (ADC) as optical (de)multiplexer and mode converter is proposed, avoiding the necessity of an additional mode converter and simplifying the MDM scheme. Furthermore, in this Ph.D. thesis it is also proposed and evaluated the design of a mechanical mode converter at 850 nm using a SSMF. This technique permits to obtain the first high order mode with high quality and without the necessity of using an ADC. After that, it is analyzed and investigated the employment of commercial optical couplers (designed at 1550 nm) at 850 nm wavelength operation, thus avoiding the use of optical couplers and mode converters specifically designed at 850 nm wavelength. The MDM system costs are reduced as fewer devices are required and commercial components designed at 1550 nm are cheaper than the counterparts at 850 nm. In this Ph.D. thesis it is also considered the employment of ADCs over strip waveguides based on SOI technology for the conversion and multiplexing of the optical modes, from single-mode waveguide to high order mode waveguide at the 1550 nm wavelength. Thus, it has been studied and experimentally investigated different designs aimed to achieve the most robust configuration, in which the yield is less affected by the fabrication tolerances. Furthermore, the use of DCs over ridge waveguides is commonly employed and it offers better performance than strip waveguides. For this reason, the Ph.D. thesis studies and evaluates the use of ADCs with ridge waveguides by considering the effective refractive indexes of the even and odd supermodes analysis. In this way, a comparison between strip and ridge structures is done in order to find the optimum design that offer the best features. Finally, it is analyzed the design of a grating coupler capable of multiplexing and demultiplexing the fundamental and the high order mode from the waveguide to the optical fiber and vice versa. Thus, different designs are evaluated in order to achieve a design more robust and efficient to the coupling misalignments. / García Rodríguez, D. (2018). Few-Mode Transmission Technology for Ultra-High Capacity Optical Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115938 / Compendio

[ES] Los sistemas de transmisión óptica no-coherente se emplean actualmente en las redes ópticas de corto alcance (< 80 km), como son las redes de ámbito metropolitano. La implementación más común en el estado del arte se basa en sistemas que emplean multiplexación por división en longitud de onda (WDM, wavelength division multiplexing) de cuatro longitudes de onda (¿) proporcionando un régimen binario de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En los últimos años, los sistemas de transmisión ópticos no-coherentes están evolucionando desde 100 Gbps a 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Dado que este mercado comprende un gran número de sistemas, el coste es un parámetro importante que debe ser lo más bajo posible. El objetivo de esta tesis es investigar distintos aspectos del procesado de señal en general y, específicamente, investigar nuevas técnicas de procesado digital de señal (DSP, digital signal processing) que puedan ser utilizadas en sistemas de transmisión óptica no-coherentes empleando la modulación por amplitud de pulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Para que una técnica DSP sea interesante en el contexto de una red óptica WDM no-coherente, esta debe mitigar de manera efectiva al menos una de las tres limitaciones principales que afectan a estos sistemas: limitaciones de ancho de banda, limitaciones por dispersión cromática (CD), y el ruido. En esta tesis se proponen y examinan una serie de algoritmos cuyo su rendimiento es analizado mediante simulación y experimentalmente en laboratorio: - Feed-forward equalizer (FFE): este es el esquema de ecualización más común que se emplea principalmente en las transmisiones ópticas no-coherentes de alto régimen binario. Puede compensar grandes limitaciones en el ancho de banda. - Estimación de la secuencia de máxima verosimilitud (MLSE): el MLSE es un detector óptimo y, por lo tanto, proporciona las mejores prestaciones en detección cuando se abordan las limitaciones por CD y de ancho de banda. - Conformación geométrica de la constelación: en los esquemas de modulación de intensidad óptica multinivel, la distancia entre los niveles de amplitud puede ajustarse adecuadamente (de manera que no son equidistantes) a fin de aumentar la tolerancia de la señal frente al ruido. - Conformación probabilística: técnica diseñada específicamente para esquemas de modulación multinivel. Esta técnica ajusta la probabilidad de cada nivel de amplitud de modo que se incrementa la tolerancia al ruido óptico. - Señalización de respuesta parcial (PRS, partial signaling response): este es un enfoque basado en DSP donde una interferencia entre símbolos (ISI, inter-symbol interference) controlada es introducida intencionalmente de tal manera que la señal resultante requiere menos ancho de banda. La técnica PRS puede adaptarse para combatir también el efecto de CD. - Pre-énfasis digital (DPE, digital pre-emphasis): esta técnica consiste en aplicar el inverso de la función de transferencia del sistema a la señal en el transmisor, lo que reduce el impacto de las limitaciones de ancho de banda en el receptor. - Modulación con codificación Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulación que combina elementos de corrección de errores (FEC, forward error correction) con técnicas de partición en conjuntos y modulación multidimensional para generar una señal más resistente al ruido. - Modulación multidimensional por partición en conjuntos: muy similar a TCM, pero sin ningún elemento FEC. Tiene menos ganancias que TCM en términos de tolerancia al ruido, pero no es tan sensible al ISI. Utilizando estas técnicas, esta tesis demuestra que es posible lograr una transmisión óptica con régimen binario de 100 Gbps/¿ empleando componentes de bajo coste. En esta tesis también demuestra regímenes binarios de más de 200 Gbps, lo que indica que la transmisión óptica no-coherente con modulación PAM puede ser una solución viable y eficiente en coste / [CA] Actualment, s'utilitzen sistemes òptics no coherents en xarxes òptiques de curt abast ( < 80 km), com són les xarxes d'àmbit metropolità. La implementació més comuna que podem trobar en l'estat de l'art es correspon amb sistemes emplenant multiplexació per divisió en longitud d'ona (WDM, wavelength division multiplexing) de quatre longituds d'ona (¿) proporcionant un règim binari de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En els últims anys, els sistemes de transmissió òptica no-coherents han evolucionat des de 100 Gbps cap a 400 Gbps (100 Gbps/¿). Atès que el mercat de sistemes de curt abast compren un gran volum de dispositius òptics instal·lats, el cost unitari és molt important i ha de ser el més baix possible. L'objectiu d'aquesta tesi és analitzar aspectes del processament de senyal en general i, específicament, investigar noves tècniques de processament digital de senyal (DSP, digital signal processing) que puguen ser utilitzades en sistemes de transmissió òptica no-coherent que utilitzen la modulació per amplitud d'impulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Per tal que una tècnica DSP es considere interessant per a una xarxa òptica WDM no-coherent, aquesta ha de mitigar efectivament almenys una de les tres principals limitacions que afecten aquests sistemes: limitacions d'ample de banda, limitacions per dispersió cromàtica (CD), i el soroll. En aquesta tesi s'examinen una sèrie d'algoritmes, el seu rendiment s'analitza per simulació i experimentalment en laboratori: - Feed-forward equalizer (FFE): aquest és l'esquema d'equalització més comú i s'utilitza bàsicament en les transmissions òptiques no coherents d'alt règim binari. Pot compensar grans quantitats de limitacions d'ample de banda. - Estimació de la seqüència de probabilitat màxima (MLSE): el MLSE és un detector òptim i, per tant, proporciona el millor rendiment quan es tracta de limitacions d'ample de banda i de CD. - Conformació geomètrica de la constel·lació: en esquemes de modulació òptica d'intensitat multinivell es pot ajustar la distància entre els nivells d'amplitud (de manera que ja no són equidistants) per augmentar la tolerància del senyal al soroll. - Conformació probabilística: una tècnica dissenyada específicament per als esquemes de modulació multinivell; ajusta la probabilitat de cada nivell d'amplitud de manera que augmenta la tolerància al soroll òptic. - Senyalització de resposta parcial (PRS, partial signaling response): és un enfocament basat en DSP on la interferència entre símbols (ISI, inter-symbol interference) controlada s'introdueix intencionalment de manera que el senyal resultant requereix menys ample de banda. La tècnica PRS es pot adaptar per combatre els efectes del CD. - Pre-èmfasi digital (DPE, digital pre-emphasis): aquesta tècnica consisteix a aplicar la inversió de la funció de transferència del sistema a la senyal en el transmissor de manera que es redueix l'impacte de les limitacions d'ample de banda en la senyal en el receptor. - Modulació amb codificació Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulació que combina els elements de correcció d'errors avançats (FEC, forward error correction) amb tècniques de partionament de conjunts i modulació multidimensional per generar un senyal més resistent al soroll. - Modulació multidimensional per partició en conjuntes: molt similar a TCM però sense elements FEC. Té guanys menors que TCM en termes de tolerància al soroll, però no és tan sensible a l'ISI. Mitjançant l'ús d'aquestes tècniques, aquesta tesi demostra que és possible aconseguir una transmissió òptica amb un règim binari de 100 Gbps/¿ utilitzant components de baix cost. Esta tesi també demostra règims binaris de més de 200 Gbps, el que indica que la tecnologia no-coherent amb modulació PAM és una solució viable i eficient en cost per a una nova generació de sistemes transceptors òptics WDM funcionant a 800 Gbps (4¿×200 G / [EN] Non-coherent optical transmission systems are currently employed in short-reach optical networks (reach shorter than 80 km), like metro networks. The most common implementation in the state-of-the-art is the four wavelength (¿) 100 Gbps (4¿×25 Gbps) wavelength division multiplexing (WDM) transceiver. In recent years non-coherent optical transmissions are evolving from 100 Gbps to 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Since in the short-reach market the volume of optical devices being deployed is very large, the cost-per-unit of the devices is very important, and it should be as low as possible. The goal of this thesis is to investigate some general signal processing aspects and, specifically, digital signal processing (DSP) techniques required in non-coherent pulse-amplitude modulation (PAM) optical transmission, and also to investigate novel algorithms which could be applied to this application scenario. In order for a DSP technique to be considered an interesting solution for non-coherent WDM optical networks it has to effectively mitigate at least one of the three main impairments affecting such systems: bandwidth limitations, chromatic dispersion (CD) and noise (in optical or electrical domain). A series of algorithms are proposed and examined in this thesis, and their performance is analyzed by simulation and also experimentally in the laboratory: - Feed-forward equalization (FFE): this is the most common equalizer and it is basically employed in every high-speed non-coherent optical transmission. It can compensate high bandwidth limitations. - Maximum likelihood sequence estimation (MLSE): the MLSE is the optimum detector and thus provides the best performance when it comes to dealing with CD and bandwidth limitations. - Geometrical constellation shaping: in multilevel optical intensity modulation schemes the distance between amplitude levels can be adjusted (such that they are no longer equidistant) in order to increase the signal's tolerance to noise. - Probabilistic shaping: another technique designed specifically for multilevel modulation schemes; it adjusts the probability of each amplitude level such that the tolerance to optical noise is increased. - Partial response signaling (PRS): this is a DSP-based approach where a controlled inter-symbol interference (ISI) is intentionally introduced in such a way that the resulting signal requires less bandwidth. PRS can be customized to also mitigate CD impairment, effectively increasing transmission distances up to three times. - Digital pre-emphasis (DPE): this technique consists in applying the inverse of the transfer function of the system to the signal at the transmitter side which reduces the impact of bandwidth limitations on the signal at the receiver side. - Trellis-coded modulation (TCM): a modulation scheme that combines forward error correction (FEC) elements with set-partitioning techniques and multidimensional modulation to generate a signal that is more resistant to noise. - Multidimensional set-partitioned modulation: very similar with TCM but without any FEC elements. It has lower gains than TCM in terms of noise tolerance but is not so sensitive to ISI. By using the techniques enumerated above, this thesis demonstrates that is possible to achieve 100 Gbps/¿ optical transmission bitrate employing cost-effective components. Even more, bitrates higher than 200 Gbps are also demonstrated, indicating that non-coherent PAM is a viable cost-effective solution for next-generation 800 Gbps (4¿×200 Gbps) WDM transceivers. / Prodaniuc, C. (2019). Advanced Signal Processing for Pulse-Amplitude Modulation Optical Transmission Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117315

Yes / Computer simulation is a powerful and convenient tool for the design and performance evaluation of free-space optical (FSO) communication systems. In this article, we present two simulation frameworks that incorporate not only the effects of atmospheric turbulence but also the impact of the angular fluctuations of the transmitter and receiver in FSO systems. In the first framework, the waveform of the optical signal is calculated sequentially from the transmitter to the receiver. Thus, it takes very long to run the simulation numerous times to obtain the statistical performance of the system. This is because the vast majority of simulation time is spent on the split-step beam propagation. In the second framework, we propose to isolate the beam propagation through atmospheric channel from the other effects. We compare the two frameworks in terms of accuracy and simulation time. We show that the second framework reduces the simulation time by more than a factor of 10 without sacrificing the accuracy under various conditions. / 10.13039/501100003725-National Research Foundation of Korea HR&D Center Funded by the Ministry of Science and ICT (Grant Number: 2022M1A3C2069728)

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We live in an era where the impact of climate change is felt in everyday life, with warming temperatures leading to environmental destruction and unprecedented shifts in natural and anthropic activities. Before these adverse effects can be addressed, it is crucial to explore, monitor, and collect data on the Earth's environment on both the micro- and macro-scale. Additionally, once environmental solutions have been implemented, it is imperative to continue data collection to gauge success. Standing in the way of such exploration and monitoring efforts are the shortcomings and limitations of pervasive communication technologies, namely radio frequency technologies (e.g., WiFi and Bluetooth). In this thesis, we peer beyond the confines of the radio frequency spectrum and explore the use of light — namely visible light, along with its infrared neighbor — to create next-generation communication and sensing systems. To generate highly tunable light, we explicitly turn to lasers. Unlike traditional luminaries, e.g., light-emitting diodes, laser diodes provide superior communication and sensing performance thanks to their GHz modulation speeds, narrow spectral wavelengths, intrinsic polarization, high-power densities, and high electro-optical conversion ratios. In this thesis, we exploit the versatility of laser light to enable micro- and macro-scale exploration and monitoring systems in aquatic, terrestrial, and aerial environments. We begin by exploring the powerful potential of laser light in communication and sensing contexts, then dive into the overarching challenges and techniques needed to realize practical and robust solutions. Armed with our research methodology, we then break through the air-water boundary with laser light and demonstrate two systems supporting bidirectional communication and 3D localization between aerial and underwater robots. Continuing on land and in the air, we next present two systems enabling laser tethering, communication, and wireless power delivery for high-mobility targets. We then complement these micro-scale systems with a macro-scale approach for laser polarization sensing over terrestrial fiber-optic networks. Finally, we conclude by expounding on the remaining challenges associated with laser-based communication and sensing systems, as well as the bright future of laser light in these novel contexts.

Receiver sensitivity is an important parameter in the design of optical communication systems. Prior results on receiver sensitivity for on-off keying modulated direct detection systems with an optical preamplifier are generalized for the cases of frequency-shift keying and subcarrier modulation. Our results, obtained by using the Gaussian approximation, are compared to those obtained by an 'exact' analysis. The results are also generalized for N-ary modulation schemes and systems having optical amplifiers as linear repeaters. Simple analytic formulae are derived for the maximum system gain of optical amplifiers systems for the following two cases: 1) Constant signal power at each amplifier. 2) Equal amplifier spacing, which ensures constant total power at each amplifier. The functional dependence of system gain on various system parameters, and the effects of optical filtering at the receiver as well as at the intermediate amplifiers, is studied. The analysis is extended to include the effects of random power variations at the output of each amplifier. / Master of Science

Coherent detection together with multilevel modulation formats has the potential to significantly increase the capacity of existing optical communication systems at no extra cost in signal bandwidth. However, these modulation formats are more susceptible to the impact of different noise sources and distortions as the distance between its constellation points in the complex plane reduces with the modulation index. In this context, digital signal processing (DSP) plays a key role as it allows compensating for the impairments occurring during signal generation, transmission and/or detection relaxing the complexity of the overall system. The transition towards pluggable optical transceivers, offers flexibility for network design/upgrade but sets strict requirements on the power consumption of the DSP thus limiting its complexity. The DSP module complexity however, scales with the modulation order and, in this scenario, low complex yet high performance DSP algorithms are highly desired. In this thesis, we mainly focus on the impact of laser phase noise arising from the transmitter and local oscillator (LO) lasers in coherent optical communication systems employing high order modulation formats. In these systems, the phase noise of the transmitting and LO lasers translate into phase noise in the received constellation impeding the proper recovery of the transmitted data. In order to increase the system phase noise tolerance, we firstly explore the possibility of re-arranging the constellation points in a circularly shaped mQAM (C-mQAM) constellation shape to exploit its inherent phase noise tolerance. Different low-complex carrier phase recovery (CPR) schemes applicable to these constellations are proposed along with a discussion on its performance and implementation complexity. Secondly, the design guidelines of high performance and low complex CPR schemes for conventional square mQAM constellations are presented. We identify the inherent limitation of the state-of-the-art blind phase search (BPS) carrier phase recovery algorithm which hinders its achievable performance and implementation complexity and present a low complex solution to overcome it. The design guidelines of multi-stage CPR schemes for high order modulation formats, where the BPS algorithm is employed at any of the stages, are also provided and discussed. Finally, the interplay between the received dispersed signal and the LO phase noise is analytically investigated to characterize the origin of the equalization enhanced phase noise phenomena. / <p>QC 20170516</p> / EU project ICONE, gr. #608099

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