Directly modulated lasers (DMLs) are a low cost solution for moderate reach systems due to their small footprint, low power dissipation and high output optical power. However, commercial 10-Gb/s on-off keying DMLs have been limited by an inherent modulation of the optical phase that accompanies the desired modulation of the optical intensity, which reduces their transmission distance to below 20 km. Furthermore, the ability to generate bit rates beyond 10-Gb/s with advanced modulation formats has been limited by the strict requirements on the laser drive current. The primary objective of this research is to dramatically enhance the capability of DML based systems through precise control over the drive current. This is achieved by digital signal processing (DSP) combined with a single digital-to-analog converter (DAC). In this research, a novel method to pre-compensate dispersion for metro and regional networks is demonstrated at 10.709-Gb/s. A look-up table (LUT) for the driving current is optimized for dispersion mitigation. Experimental results show a 25 fold increase in the transmission reach of a DML from 10 km to 252 km. A similar approach applied to a directly modulated chirp managed laser reveals a remarkable increase in the achievable transmission reach from 200 km to 608 km. In the context of access networks the DSP and DAC configuration is utilized for directly modulating a passive feedback laser (PFL) to generate differential phase shift keying (DPSK) signals at bit rates of 10.709-Gb/s, 14-Gb/s and 16-Gb/s. The quality of the DPSK signals is assessed using both noncoherent detection for a bit rate of 10.709-Gb/s and coherent detection with DSP involving a LUT pattern-dependent distortion compensator. For very short reach optical links, a 16-ary quadrature amplitude modulation signal is generated using subcarrier modulation with a subcarrier frequency of half the symbol rate, Nyquist pulse shaping, and a directly modulated PFL at bit rates up to 56-Gb/s. Using polarization multiplexing emulation, a pre-amplified direct detection receiver and DSP, loss margins of 12.6 dB and 8 dB are achieved for a 112-Gb/s dual polarization signal within a 33 GHz optical bandwidth at back-to-back and after 4 km transmission, respectively. / Thesis (Ph.D, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2013-01-31 13:58:56.327

The objective of this thesis is to study the dynamic properties of laser diodes and the compensation for the nonlinearities of laser diodes based on the theory of Volterra series. In the first part of this thesis, an analytical expression in Volterra series is discussed to depict the nonlinear distortion of laser diodes up to the third order. The simulation results of this analytical method show that Volterra series model improves the accuracy of the description of the nonlinearity of laser diodes in comparison with small-signal analysis model. In the second part, the p^th-order inverse theory is introduced to compensate the lasers' nonlinear distortion. The compensation scheme is constructed and the simulation of the system is conducted in this thesis. The result shows that the laser nonlinear distortion can be compensated by using this technique. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Στις μέρες μας, οι αυξανόμενες απαιτήσεις για υπηρεσίες υψηλού φασματικού εύρους ζώνης επιβάλλουν την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών στο σχεδιασμό των δικτύων νέας γενιάς, ικανές να προσφέρουν α) χαμηλό κόστος κατά το σχεδιασμό του συστήματος, β) μεγάλη απόσταση μετάδοσης, γ) πολλοί χρήστες και δ) υψηλό εύρος ζώνης στην πλευρά του χρήστη για την παροχή των νέων υπηρεσιών. Ωστόσο, τα οπτικά δίκτυα λόγω των αναλογικών χαρακτηριστικών των οπτικών σημάτων τους, υποφέρουν από γραμμικές και μη γραμμικές παραμορφώσεις. Αυτές οι παραμορφώσεις επηρεάζουν άμεσα την απόδοση των συστημάτων και η επίδραση τους αυξάνει με την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης. Παραδοσιακά χρησιμοποιούνται οπτικοί τρόποι για την εξομάλυνση των παραμορφώσεων. Ωστόσο, η ραγδαία ανάπτυξη στον τομέα των ηλεκτρονικών αναδεικνύει την ηλεκτρονική εξομάλυνση των παραμορφώσεων ως μία ευέλικτη, χαμηλού κόστους ολοκληρωμένη και βιώσιμη λύση που αποφεύγει τις επιπρόσθετες οπτικές απώλειες. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η εξομάλυνση με αποδοτικό τρόπο των πιο σημαντικών παραμορφώσεων (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) που δημιουργούνται στα οπτικά δίκτυα και ειδικότερα στα μητροπολιτικά δίκτυα, στα δίκτυα πρόσβασης, και στα παθητικά δίκτυα. Από σχεδιαστικής πλευράς του συστήματος, αυτή η διατριβή προτείνει τη βέλτιστη χρησιμοποίηση λύσεων χαμηλού κόστους, ικανές να επεκτείνουν (σε ρυθμό μετάδοσης και απόσταση) την χρησιμοποίησή τους σε οπτικά δίκτυα νέας γενιάς. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση της ηλεκτρονικής αντιστάθμισης μελετάται για συστήματα που χρησιμοποιούν χαμηλού κόστους, συμβατικούς πομπούς laser άμεσης διαμόρφωσης (DML), που οδηγούνται στα 10 Gb/s. Σκοπός σε αυτήν την περίπτωση είναι η αύξηση της απόστασης και του ρυθμού μετάδοσης που μπορεί να επιτευχθεί, εξομαλύνοντας τις παραμορφώσεις που δημιουργούνται εξαιτίας των χαρακτηριστικών των πομπών και αυτών που δημιουργούνται κατά τη μετάδοση του σήματος (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) με την βέλτιστη χρησιμοποίηση ηλεκτρονικού εξισωτή. Επιπλέον, όσον αφορά τα παθητικά δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς, μελετάται μία αποδοτική και χρήσιμη τεχνική, χρησιμοποιώντας τα πλεονεκτήματα της χρήσης του ηλεκτρονικού εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Η πειραματική μελέτη εστιάζει στα παθητικά οπτικά δίκτυα (PON) στα 10 Gb/s χρησιμοποιώντας χαμηλού κόστους, χαμηλού εύρους ζώνης RSOA στην πλευρά του χρήστη (ONU), και ηλεκτρονικό εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Αυτή η τεχνική προσφέρει την απαιτούμενη ευελιξία για την προσαρμογή στις καινούργιες συνθήκες του συστήματος και την υλοποίηση των απαιτήσεων (πολύ μεγάλες αποστάσεις μετάδοσης, αριθμό χρηστών και ρυθμό μετάδοσης), ενώ ταυτόχρονα μπορεί και εκπληρώνει τις απαιτήσεις χαμηλού κόστους στην ανάπτυξη των μελλοντικών δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς. / Nowadays, the rapid increase in bandwidth demanding services imposes new technological directions in the design of next generation optical networks with the purpose to achieve: a) reduced cost, b) larger transmission distances, c) larger number of users and d) higher bandwidth connectivity to the end user. However, due to the analogue nature of the optical signals, the optical networks suffer from a variety of linear and non-linear impairments. These impairments have a direct impact in the signal’s bit error rate performance, while their effect increases as bit rate increases. The compensation of impairments has been traditionally performed by optical means. However, the rapid increase in available electronic processing power has made electronic mitigation of impairments a viable option, leading to an adaptive, low cost and integrated solution which avoids additional optical losses. The goal of this thesis is to study the effective mitigation by electronic means of the most important impairments (i.e. chromatic dispersion, self phase modulation and filter concatenation) that are related with optical networks and particularly metropolitan, access and passive optical networks. From the network (and system) design point of view, this study proposes the optimum use of certain low cost solutions able to extend (in bit rate and coverage) the applicability of next generation optical networks. More specifically, the effectiveness of electronic equalization is examined for systems utilizing low cost, conventional directly modulated laser (DML) sources that are operated at 10 Gb/s. The purpose in this case is to extend the reach and operating data rate of these systems by mitigating the transmission limiting effects due to the source characteristics and the link impairments (dispersion, self-phase modulation, and filter concatenation) with the optimum use of electronic equalization. Moreover, with respect to next generation optical access networks an effective and useful design approach on PON systems is fully investigated, by using the benefits of electronic equalization at the receiver side (ΟLT). This experimental system studies are focusing on PON systems operated at 10 Gb/s by using low cost and low bandwidth RSOAs at the ONU side assisted by electronic equalization at the receiver (ΟLT). This technique offers the required flexibility for the optimum adaptation on the specific network characteristics (in terms of covered distance, number of users and bit rate) and additionally meets the requirements for the development and further extension of future low cost optical access networks.

Ce travail de thèse présente une étude sur les propriétés de nanostructures de type bâtonnets quantiques et de leur application pour les télécommunications optiques. Durant la dernière décennie, ces nanostructures, ont démontré des propriétés optiques et électroniques intéressantes en raison notamment d’un fort confinement quantique dans les trois dimensions d'espace. Cette thèse porte sur la conception et la fabrication d'émetteurs optiques intégrés à base de ce matériau et de leur implémentation dans des systèmes de communication. La première partie de ce travail analyse les propriétés de ces nanostructures, théorique et expérimentale. Elles sont utilisées comme matériau actif de lasers modulés directement en amplitude. Les propriétés dynamiques de ces lasers sont ensuite évaluées et des transmissions sur fibre optique entre 0 et 100 km sont ensuite démontrées en utilisant un filtre étalon permettant d’augmenter en particulier le taux d’extinction dynamique. En s’appuyant sur cette démonstration basée sur des éléments discrets, une version monolithique intégrant un laser et un résonateur en anneaux a été réalisée. La dernière partie de ce travail porte sur des lasers à blocage de mode à base de ce matériau et en particulier sur les méthodes d’intégration sur substrat InP. En particulier, un design de miroir de Bragg innovant a été développé à cet effet et une démonstration d'un laser a blocage de mode intégré avec un amplificateur optique à semi-conducteur a finalement été réalisée / This PhD dissertation presents a study on the properties of the novel quantum dash nanostructures and their properties for application in optical telecommunications. Over the last decade, scientific community has gained considerable interest over these nanostructures and several demonstrations have been made on their interesting optical and electronic properties, notably owing to their strong quantum confinement. This dissertation focuses on conception, fabrication and system demonstration of integrated optical transmitters based on quantum dash material. A first part of this work analyses the properties of qdashes theoretically and experimentally for their use as an active material in directly modulated lasers. The dynamic properties of this material are then evaluated leading to an optical transmission distances in range of 0-100km under direct modulation. The transmission is particularly studied with a passive optical filter to enhance the dynamic extinction ratio, the use of such passive filters is studied in detail. An innovative and fully integrated optical transmitter is finally demonstrated by integrating a ring-resonator filter to a distributed feedback laser. The second part of this work focuses on mode locked lasers based on this material and in particular the methods of integration of such devices on InP are explored. Thus an innovative Bragg mirror design is developed leading to a mode locked laser integrated with a semiconductor optical amplifier

[ES] El estándar de quinta generación (5G) es la clave potencial para satisfacer el aumento exponencial en la demanda de nuevas aplicaciones, servicios y usuarios. La tecnología 5G ofrecerá una latencia extremadamente baja de 1 ms, una velocidad máxima de datos de 10 Gbit/s, una alta densidad de conexión de hasta 106 dispositivos/km2 y permitirá una alta movilidad de los dispositivos de hasta 500 km/h. En esta Tesis se proponen varias soluciones basadas en tecnologías habilitadoras para el despliegue de redes 5G. La arquitectura de la red de acceso de radio en la nube (C-RAN) se emplea junto con las técnicas de Fotónica de Microondas como una solución prometedora para generar y transmitir señales de ondas milimétricas (mmW) en la próxima generación de comunicaciones móviles. La tecnología radio sobre fibra (RoF) ha demostrado ser una buena opción para enfrentarse al desafío de la distribución inalámbrica mmW debido a la gran distancia de transmisión, el gran ancho de banda y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, entre algunas de las principales ventajas. Además, esta tecnología se puede ampliar con comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) en sistemas de radio sobre FSO (RoFSO) en las redes inalámbricas. En esta Tesis, las señales mmW se generan fotónicamente mediante modulación externa de doble banda lateral con supresión de portadora (CS-DSB) y se distribuyen a través de enlaces fronthaul híbridos RoF/FSO. Además, la generación múltiple de señales permite la distribución reconfigurable en canales multiplexados por división de longitud de onda (WDM) desde una oficina central hasta las estaciones base, y se ha evaluado el impacto de las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente en términos de fluctuaciones de potencia y ruido de fase de la señal. Se propone la técnica de modulación directa de un láser (DML) como solución principal para la transmisión de datos a través de enlaces ópticos híbridos que emplean un esquema de multiplicación de frecuencias ópticas, es decir, CS-DSB, para la generación de señales de mmW. En concreto, se evalúan teórica y experimentalmente los esquemas de generación fotónica local y remoto de señales mmW y se comparan para su implementación práctica en la red frontal de la C-RAN y, además, se estudia experimentalmente el impacto de la distorsión armónica y de la intermodulación en la transmisión de datos. Igualmente, con el fin de obtener la capacidad que ofrece el DML en términos de ancho de banda, también se presenta una evaluación teórica y experimental del efecto de la dispersión de la fibra y el chirp sobre diferentes anchos de banda de señales de M-modulación de amplitud en cuadratura (QAM). No obstante, la Tesis también incluye otro enfoque para la transmisión de datos basado en el uso de otro modulador externo. En este caso, la demostración experimental de la generación de señales ópticas empleando CS-DSB y la transmisión de señales a través de fibra híbrida y red frontal FSO se completa con un enlace de antena que permite transmitir señales 5G 64/256-QAM. La investigación realizada con los sistemas CS-DSB y DSB también permiten comparar la robustez frente al desvanecimiento inducido por la dispersión cromática de la fibra. Además, se ha realizado una evaluación experimental impacto las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente con diferentes distribuciones térmicas y se ha cuantificado la degradación de la señal de datos de acuerdo con las condiciones de la turbulencia. Como demostradores finales, esta Tesis incluye un sistema de transmisión full-dúplex que emplea señales 5G en enlace descendente (DL) a 39 GHz y en enlace ascendente (UL) a 37 GHz; y la transmisión de señales OFDM LTE de 60 GHz (DL) y 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogénea de frontal óptico que consiste en fibra óptica de 10 km, un canal FSO de 100 m y un enlace de radio inalámbrico de 2 m. / [CA] L'estàndard de quinta generació (5G) és la clau potencial per a satisfer l'augment exponencial en la demanda de noves aplicacions, serveis i usuaris. La tecnologia 5G oferirà una latència extremadament baixa d'1 ms, una velocitat màxima de dades de 10 Gbit/s, una alta densitat de connexió de fins a 106 dispositius/km2 i permetrà una alta mobilitat dels dispositius de fins a 500 km/h. En aquesta tesi es proposen diverses solucions basades en tecnologies habilitadores per al desplegament de xarxes 5G. L'arquitectura de la xarxa d'accés de ràdio en el núvol (CRAN) s'empra junt amb les tècniques de Fotònica de Microones com una solució prometedora per a generar i transmetre senyals d'ones mil·limètriques (mmW) en la pròxima generació de comunicacions mòbils. La tecnologia ràdio sobre fibra ( RoF) ha demostrat ser una bona opció per a enfrontar-se al desafiament de la distribució sense fil mmW a causa de la gran distància de transmissió, el gran ample de banda i la immunitat a les interferències electromagnètiques, entre alguns dels principals avantatges. A més, aquesta tecnologia es pot ampliar amb comunicacions òptiques d'espai lliure (FSO) en sistemes de ràdio sobre FSO (RoFSO) en les xarxes sense fil. En aquesta Tesi, els senyals mmW es generen fotònicament per mitjà de modulació externa de doble banda lateral amb supressió de portadora (CS-DSB) i es distribueixen a través d'enllaços frontals híbrids RoF/FSO.. A més, la generació múltiple de senyals permet la distribució reconfigurable en canals multiplexats per divisió de longitud d'ona ( WDM) des d'una oficina central fins a les estacions base, i s'ha avaluat l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament en termes de fluctuacions de potència i soroll de fase del senyal. Aquest treball proposa la tècnica de modulació directa d'un làser (DML) com solució principal per a la transmissió de dades a través d'enllaços òptics híbrids que fan servir un esquema de multiplicació de freqüències òptiques, és a dir, CS-DSB, per a la generació de senyals de mmW. En concret, s'avalua teòric i experimentalment els esquemes de generació fotònica local i remota de senyals mmW i es comparen per a la seua implementació pràctica a la xarxa frontal de la C-RAN i a més, s'estudia experimentalment l'impacte de la distorsió harmònica i de la intermodulació en la transmissió de dades. Igualment, amb el fi d'obtindre la capacitat que ofereix el DML en termes d'amplada de banda, també es presenta una avaluació teòrica i experimental de l'efecte de la dispersió de la fibra i el chirp sobre diferents amples de banda de senyals de M-modulació d'amplitud en quadratura (QAM). No obstant això, la Tesis també inclou altre enfocament per a la transmissió de dades basat amb l¿ús d'altre modulador extern. En aquest cas, la demostració experimental de la generació de senyals òptics emprant CS-DSB i la transmissió de senyals a través de fibra híbrida i xarxa frontal FSO es completa com un enllaç d'antena que permet transmetre senyals 5G 64/256-QAM. La investigació realitzada amb els sistemes CS-DSB i DSB també permet comparar la seua robustesa davant l¿esvaïment induït per la dispersió cromàtica. A més, s'ha avaluat experimentalment l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament amb diferents distribucions tèrmiques i s'ha quantificat la degradació del senyal de dades d'acord amb les condicions de la turbulència. Com a demostradors finals, aquesta Tesi inclou un sistema de transmissió full-dúplex que empra senyals 5G en enllaç descendent (DL) a 39 GHz i en enllaç ascendent (UL) a 37 GHz; i la transmissió de senyals OFDM LTE de 60 GHz (DL) i 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogènia de frontal òptic que consisteix en fibra òptica de 10 km, un canal FSO de 100 m i un enllaç de ràdio sense fil de 2 m. / [EN] The fifth generation (5G) standard is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the emerging applications, services and mobile end users. 5G technology will offer an extremely low latency of 1 ms, peak data rate of 10 Gbit/s, high contention density up to 106 devices/km2 and enable high mobility up to 500 km/h. This Thesis proposes several solutions based on enabling technologies for deploying 5G networks. Cloud-radio access network (C-RAN) architecture is employed in conjunction with microwave photonics techniques as a promising solution to generate and transmit millimeter wave (mmW) signals in the next generation of mobile communications. Radio over fiber (RoF) has been demonstrated as a good option to face the challenge of mmW wireless distribution, due to long transmission distance, large bandwidth and immunity to electromagnetic interference, as some of the main advantages. Moreover, this technology can be extended with free-space optical (FSO) communications in Radio over FSO systems (RoFSO) as wireless networks. In this Thesis, mmW signals are photonically generated by carrier suppressed double sideband (CS-DSB) external modulation and distributed over hybrid RoF/FSO fronthaul links. Moreover, multiple generated signals allow reconfigurable distribution in wavelength-division multiplexed (WDM) channels from a central office to the base stations, and the impact of turbulent FSO channels on photonically generated mmW signals has been evaluated in terms of power signal fluctuations and phase noise. A directly modulated laser (DML) is proposed as a major solution for signal transmission over hybrid optical links employing optical frequency multiplication scheme, i.e. CS-DSB, for mmW signal generation. Moreover, local and remote photonic mmW signal generation schemes are theoretically and experimentally evaluated and compared for practical deployment in C-RAN fronthaul network while the impact of harmonic and intermodulation distortion on data transmission is also experimentally studied. Furthermore, for the sake of obtaining the DML usability in terms of bandwidth, theoretical and experimental evaluation of the effect of fiber dispersion and chirp over different M-quadrature amplitude modulation (QAM) signals bandwidth is also presented. Another data transmission approach based on the cascade of two external modulators is also employed in the Thesis. In this case, the experimental demonstration of optical signal generation employing CS-DSB and signal transmission over hybrid fiber and FSO fronthaul network is completed with a seamless antenna link leading to successful transmission of 64/256-QAM 5G signals. The CS-DSB and DSB schemes are also investigated for the sake of comparison in terms of robustness against fiber chromatic dispersion-induced fading. Furthermore, experimental evaluation of the impact of turbulent FSO links on photonically generated mmW signals with different thermal distributions has been performed and data signal degradation has been quantified according to the turbulence conditions. As final demonstrators, the Thesis includes a full-duplex transmission system employing 39 GHz downlink (DL) and 37 GHz uplink (UL) 5G signals over hybrid links; and 60 GHz (DL) and 25 GHz (UL) OFDM LTE signal transmission over an heterogeneous optical fronthaul infrastructure consisting of 10 km optical fiber, 100 m FSO channel and 2 m wireless radio link. / I would like to acknowledge the financial support given by Research Excellence Award Programme GVA PROMETEO 2017/103 Future Microwave Photonics and European Network for High Performance Integrated Microwave Photonics (EUIMWP) CA16220. / Vallejo Castro, L. (2022). Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190253