Long-term evolution (LTE) standard has been successfully stabilized, and launched in several areas. However, the required channel capacity is expected to increase significantly as the explosively increasing number of smart-phone users implies. Hence, this is already the time for leading researchers to concentrate on a new multiple access scheme in wireless communications to satisfy the channel capacity that those smart users will want in the not-too-distant future. The diversity and multiplexing in a new domain - polarization domain - can be a strong candidate for the solution to that problem in future wireless communication systems. This research contributes largely to the comprehensive understanding of polarized wireless channels and a new multiple access scheme in the polarization domain - polarization division multiple access (PDMA). The thesis consists of three streams: 1) a novel geometrical theory and models for fixed-to-mobile (F2M) and mobile-to-mobile (M2M) polarized wireless channels; 2) a new wireless body area network (BAN) polarized channel modeling; and 3) a novel PDMA scheme. The proposed geometrical theory and models reveal the origin and mechanism of channel depolarization with excellent agreement with empirical data in terms of cross-polarization discrimination (XPD), which is the principal measure of channel depolarization. Further, a novel PDMA scheme utilizing polarization-filtering detection and collaborative transmitter-receiver-polarization (Tx-Rx-polarization) adjustment, is designed considering cellular orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. The novel PDMA scheme has large potential to be utilized with the conventional time, frequency, and code division multiple access (TDMA, FDMA, and CDMA); and spatial multiplexing for next-generation wireless communication systems.

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.

The scope of this dissertation is to investigate the merits and implications of using multilevel modulation formats in optical communications systems. Following the trend in academia and industry, special focus is placed on quadrature phase-shift keying (QPSK), and specifically on polarization division multiplexed (PDM) QPSK. A special kind of receiver is investigated thoroughly, the digital coherent receiver, the equivalent of the coherent quadrature demodulator in classical communications nomenclature. A large number of digital signal processing (DSP) algorithms are implemented, some of them novel, and their performance is examined, analyzed, and compared in a number of practical system scenarios. The impact of transmitter / receiver imperfections and a number of optical fiber impairments on system performance is studied. Experimental results taken from proof-of-concept experiments are also analyzed. / Η διατριβή αυτή έχει ως σκοπό τη μελέτη οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που χρησιμοποιούν τετραδικές διαμορφώσεις φάσης, πολυπλεξία κατά πόλωση και σύμφωνους ψηφιακούς δέκτες διαφοροποίησης φάσης και πόλωσης. Μελετήθηκαν αλγόριθμοι επεξεργασίας σήματος κατάλληλοι για εξάλειψη της επίδρασης των φαινομένων διάδοσης και των μη ιδανικοτήτων οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η μελέτη έγινε με προσομοίωση Monte-Carlo, με χρήση ημιαναλυτικής μεθόδου προσδιορισμού της πιθανότητας σφάλματος τηλεπικοινωνιακού συστήματος και με ανάλυση πειραματικών δεδομένων. Τα πειραματικά δεδομένα ελήφθησαν από οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα με τετραδική διαμόρφωση φάσης και πολυπλεξία κατά πόλωση με ρυθμούς συμβόλων 0.1-10 GBd (0.4-40 Gb/s). Μελετήθηκαν αλγόριθμοι επανένωσης των πολώσεων, αλγόριθμοι αποπολύπλεξης των πολώσεων, αλγόριθμοι διόρθωσης της ανισοσταθμίας ορθογωνιότητας, αλγόριθμοι εκτίμησης και αφαίρεσης της ενδιάμεσης συχνότητας και αλγόριθμοι εκτίμησης και αφαίρεσης του θορύβου φάσης των laser.