Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5043
Main Title: Parametric amplifiers and their system applications in optical fiber communications with phase-shift keying and quadrature-amplitude modulation
Translated Title: Parametrische Verstärker und deren Systemanwendungen in der optischen fasergebundenen Nachrichtentechnik mit Phasenumtastung und Quadratur-Amplituden Modulation
Author(s): Richter, Thomas
Advisor(s): Petermann, Klaus
Referee(s): Andrekson, Peter A.
Freund, Ronald E.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In this thesis, parametric amplification based on four-wave mixing in highly nonlinear fibers and its application in optical fiber communications is investigated. The focus of the work is on the design, the experimental implementation as laboratory prototypes and the system-related characterization and investigation of parametric amplifiers. Optical signal processing based on parametric amplifiers has the potential to be applied to a wide range of applications in future high-capacity optical fiber communication systems. This is due to the fact that parametric amplification provides a set of basic functions which includes amplification, frequency conversion and phase conjugation/spectral inversion. More specialized functionality can be derived from these. In particular, parametric amplification can be realized flexibly within and outside of the conventional frequency/wavelength ranges and is suitable for low-noise operation. In addition, parametric amplifiers enable amplification characteristics which are dependent on the input signal phase, so-called phase-sensitive amplification. This includes noise-less amplification as well as the ability to quantize the optical phase of the signal and to reduce phase distortions. Parametric amplifiers have been already extensively investigated with regard to their application on amplitude modulated signals. However, with respect to phase-shift keying (PSK) and quadrature-amplitude modulated (QAM) formats, detailed experimental investigations and verifications were still pendant at the beginning of this work. PSK formats became already widely applied in commercial systems for fiber-based communications. This is expected to happen soon also with QAM formats. In this regard, the presented work in this thesis provides valuable and interesting results. In particular, the focus of the first part of the presented work is on the realization and characterization of amplification and frequency conversion at efficiencies up to 20 dB (factor 100). A specific claim is to realize these functions with minimal signal distortions and to study the reason for the observed distortions. The investigations are carried out for differential binary phase-shift keying (DBPSK), differential quaternary phase-shift keying (DQPSK) and QAM formats up to 112 Gb/s in system experiments. An essential requirement for practical applications of parametric amplifers is the polarization-independent operation. The implementation of a polarization-diversity concept was realized within the thesis and characterized in detail with 112-Gb/s DQPSK. It could be shown that such amplification is possible with low degradations while also directions for an optimization are pointed out. The focus of the second part of the thesis is on the phase-sensitive amplification with the aim to investigate its application for the regeneration of QAM formats. First, such a realized amplifier was characterized with regard to the phase and amplitude response in dependence on the input signal phase. Second, it was applied to different scenarios. It allowed for the phase and amplitude regeneration of a 43-Gb/s DBPSK signal for which the regeneration ability was quantified. Operation in a gain-saturated regime allowed for minimization of the intrinsic conversion of phase-to-amplitude noise. In the application to a 2ASK-BSPSK signal, the presence of the m-ary amplitude-shift keying modulation revealed further limitations due to the noise conversion with respect to the tolerable input phase noise. An extension of the phase-regenerative amplifier supports the phase-quantization of both signal quadratures (4-level phase-quantization) which was investigated in detailed with a star-8QAM signal. Investigations were also performed with a transmission of the star-8QAM signal over a straight 1040-km dispersion-managed link with mid-link phase-sensitive amplification in order to test its ability to reduce the accumulation of phase distortions. This was supported by the implementation of the parametric amplifiers as black-box laboratory prototypes. Finally, the phase-quantizers (binary and 4-level) were applied to BPSK, QPSK and star 8QAM signals at a symbol rate of 107 GBd which is the first experimental study of phase-sensitive amplification at such high symbol rates. The experimental demonstrations of the phase-quantization with more than two phase states particularly showed efficient regeneration for the high-amplitude states.
In dieser Arbeit wird parametrische Verstärkung basierend auf Vierwellenmischung in hoch-nichtlinearen Glasfasern und deren Anwendung in der optischen fasergebundenen Telekommunikation untersucht. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Konzeptionierung, der experimentellen Realisierung und der systemnahen Untersuchung parametrischer Verstärker in Form von Laborprototypen. Optische Signalverarbeitung unter Nutzung parametrischer Verstärkung besitzt in viellerlei Hinsicht Potenzial für die Anwendungen in zukünftigen hochratigen Kommunikationsnetzen. Die parametrische Verstärkung bietet hierzu die Grundfunktionalitäten Verstärkung, Frequenzumsetzung und spektrale Inversion. Weitere spezialisierte Funktionalitäten können von diesen abgeleitet werden. Im Besonderen sind die Prozesse rauscharm und flexibel in etablierten Wellenlängenbereichen der Telekommunikation und darüber hinaus einsetzbar. Parametrische Verstärker ermöglichen darüber hinaus Verstärkungeigenschaften, welche abhängig von der Eingangssignalphase sind, sogenannte phasen-empfindliche Verstärkung. Dies ermöglicht eine Rauschaddition, die unterhalb gewöhnlicher Verstärker liegt und prinzipiell rauschfrei sein kann, als auch die Möglichkeit die Signalphase zu quantisieren und Störungen in der Signalphase direkt zu reduzieren. Parametrische Verstärker wurden bereits weitreichend mit deren Anwendung auf amplitudenmodulierte Signale untersucht. Hingegen existierten für deren Anwendung auf komplexe phasenmodulierte und quadratur-amplituden modulierte (QAM) Signale, d.h. Signale mit mehreren Phasen und Amplitudenzuständen, zu Beginn der Arbeit wenig bis gar keine verifizierten Erkenntnisse. Phasenmodulierte Signale werden bereits weitreichend in optischen Netzen zur Datenübertragung eingesetzt. Bei QAM-Formaten ist der zeitnahe Einzug in kommerziellen Systemen abzusehen. Daraus ergab sich die Motivation, sich in dieser Arbeit auf komplexe Modulationsformate zu konzentrieren. Die vorliegende Arbeit liefert in dieser Hinsicht wertvolle Ergebnisse. Konkret liegt der Fokus im ersten Teil der Arbeit auf der Realisierung und der Untersuchung von Signalverstärkung und Frequenzumsetzung mit hohen Effizienzen von bis zu 20 dB (Faktor 100). Hier besteht der Anspruch diese mit geringsten Signalstörungen zu realisieren und Ursachen für Signalstörungen zu beleuchten. Die Untersuchungen wurden mit differenzieller binärer und quaternärer Phasenumtastung (DBPSK und DQPSK) als auch 16-wertiger QAM bis 112 Gbit/s in Systemexperimenten durchgeführt. Eine wesentliche Notwendigkeit bei einem praktischen Einsatz von parametrischen Verstärkern ist deren Polarisationsunabhängigkeit. Die Realisierung eines Polarisations-Diversitäts-Konzepts wurde umgesetzt und mit 112 Gbit/s DQPSK detailliert charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Verstärkung mit geringen Signaldegradierungen möglich ist. Darüber hinaus wurden Möglichkeiten zur Optimierung aufgezeigt. Der Fokus im zweiten Teil der Arbeit liegt auf phasen-empfindlicher Verstärkung. Ziel war die experimentelle Realisierung phasen-empfindlicher Verstärkung und die Untersuchung deren Anwendung zur Regeneration von QAM-Signalen. Zunächst wurde ein solcher Verstärker realisiert und in Bezug auf dessen Phasen- und Amplitudencharakteristik in Abhängigkeit der Eingangssignalphase untersucht. Anschließend wurde der Regenerator in verschiedenen Scenarien angewendet. Der Verstärker ermöglichte die Phasen- und Amplitudenregeneration eines 43 Gbit/s DBPSK-Signals, wobei die konkrete Regenerationsfähigkeit quantifiziert wurde. Ein Betrieb in der Verstärkungssättigung ermöglichte es, die intrinsische Konversion von Phasenrauschen in Amplitudenrauschen zu reduzieren. In der Anwendung auf Signale mit mehrwertiger Amplitudenmodulation wie 2ASK-BPSK beschränkte die Rauschkonversion verstärkt die tolerierbare Eingangsphasenstörung. Eine Weiterentwicklung des Verstärkers ermöglichte die Quantisierung der Signalphase in beiden Quadraturen welches mit 75 Gb/s 8QAM detailliert untersucht und charakterisiert wurde. Unter anderem wurde der Verstärker auch in einer 1040 km langen Übertragungsstrecke zur Untersuchung dessen Eignung für die Reduzierung nichtlinearer Signalstörungen eingesetzt. Die Implementierung der parametrischen Verstärker als Black-Box-Laborprototypen ermöglichte dies. Beide phasen-empfindlichen Verstärker-Realisierungen wurden abschließend bei der Symbolrate von 107 GBd untersucht, was bisher im Rahmen von Untersuchungen mit phasen-sensitiven Verstärkern noch nicht realisiert und erforscht wurde. Die experimentellen Realisierungen zur Phasenregeneration mit mehr als zwei Phasenzuständen zeigten sich insbesondere für die QAM-Amplitudenlevel mit der größeren Amplitude als effizient.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5365
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5043
Exam Date: 13-May-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 14-Mar-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): faseroptische Übertragungstechnik
optische Nachrichtentechnik
Kerr Nichtlinearität
nichtlineare Optik
optische Signalverarbeitung
fiber optical transmission systems
optical communications
Kerr nonlinearity
nonlinear optics
optical signal processing
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