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Main Title: Kerr nonlinearity compensation using polarization-independent fiber-based optical parametric amplifier in high-speed optical transmission systems
Translated Title: Kompensation der Kerr-Nichtlinearität basierend auf polarisationsunabhängigen faseroptischen parametrischen Verstärkern in hochratigen optischen Übertragungssystemen
Author(s): Sackey, Isaac
Referee(s): Petermann, Klaus
Doran, Nick
Freund, Ronald
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Kerr nonlinearity compensation in long-haul optical transmission networks has become necessary since the nonlinear impairment poses fundamental limits on the achievable transmission reach. Mid-link spectral inversion technique employing Fiber-based optical parametric amplifier (FOPA)s exhibit the capabilities for nonlinearity compensation through optical phase conjugation (OPC). However, the implementation of FOPAs in practical transmission systems is limited by their inherent polarization-dependent nature. Nevertheless, FOPAs employing the polarization-diversity loop scheme can be operated as polarization-independent optical sub-systems. The presence of Brillouin scattering in the diversity loop can degrade data signals significantly. This thesis focuses on the experimental investigation of the stimulated Brillouin scattering (SBS)-induced distortions in a polarization-independent FOPA based on the polarization-diversity loop scheme. Initially, a single–pump polarization-independent FOPA using a polarization-maintaining highly nonlinear fiber (PM-HNLF) in the diversity loop is experimentally investigated. Parametric on-off gain for up to 20 dB, using a continuous wave (CW) signal and a 28-GBd single-polarization (SP) quadrature phase-shift keying (QPSK) data signal, are used in the investigation. It is shown that Brillouin scattering between the counter-propagating pumps in the diversity loop yields polarization-dependent gain (PDG) if an asymmetric local dispersion profile of the used highly nonlinear fiber (HNLF) is present. In addition, a dual-pump polarization-independent FOPA is also designed and experimentally investigated in terms of amplification and wavelength conversion for OPC applications. A 28-GBd polarization-division multiplexed (PDM) 16-ary quadrature amplitude modulation (16-QAM) signal in a 50-GHz spaced five-channel wavelength-division multiplexing (WDM) system is used in the investigation. Mid-link spectral inversion technique employing the OPC device is used for nonlinearity compensation of 5×28-GBd PDM 16-QAM signal transmission over both a dispersion-compensated link and a dispersion-uncompensated link. A significant increase in nonlinear tolerance is demonstrated. The performance of the mid-link OPC is compared with digital back-propagation algorithm employing the split-step Fourier method for nonlinearity compensation. Signal transmission over up to 800-km of dispersion-compensated link shows that in the single-channel case, the use of the back-propagation algorithm outperformed the OPC. However, with reference to the hard-decision forward-error correction (HD-FEC) threshold, signal transmission was not possible with digital back-propagation in the WDM scenario over the same link length while it was enabled by the OPC.
Diese Arbeit ist fokussiert auf die experimentelle Untersuchung von streuungsbedingten Störungen in polarisationsunabhängigen Fiber-based optical parametric amplifiers (FOPAs), welche auf dem polarisationsdiversen Faserring-Schema basieren. Zunächst wird ein solches Schema in einer Konfiguration mit einem einzelnen Pumpsignal und einer polarisationserhaltenden hochnichtlinearen Faser (HNLF) für Verstärkungen bis zu 20 dB untersucht. Als Eingangssignal wird sowohl ein unmoduliertes Signal als auch ein Single–Polarisation 28-GBd QPSK-moduliertes Signal verwendet. Die im FOPA erzeugten Signalstörungen wurden untersucht und es konnte gezeigt werden, dass Brillouin-Streuung zwischen dem gegenläufigen Pumpsignal im Faserring zu polarisationsabhängiger Verstärkung führt, wenn die HNLF ein asymmetrisches Dispersionsprofil besitzt. Zusätzlich wurde ein Versuchsaufbau realisiert, bei dem zwei Pumpsignale im polarisationsdiversen Faserring-Schema eingesetzt werden. Dieser wurde zum einen in Bezug auf Signalverstärkung charakterisiert und zum anderen für Wellenlängenumsetzung für OPC-Anwendungen. Hierbei wurden 28-GBd polarisations gemultiplexte (PDM) 16-QAM Signale in einem fünf-Kanal–Wellenlängenmultiplex (WDM)-System mit 50 GHz Kanalabstand verwendet. Die Technik der Mid-Link spektralen Inversion wurde mit dem realisierten OPC-Aufbau für die Kompensation von nichtlinearen Signalstörungen in einem 5×28-GBd PDM 16-QAM Übertragungssystem untersucht. Dies wurde für dispersionskompensierte als auch dispersionsunkompensierte Faserstrecken untersucht. Eine deutliche Vergrößerung der nichtlinearen Toleranz konnte hierbei demonstriert werden. Des Weiteren wurde die Güte der Signalübertragung mit der Technik der Digitalen-Rückwärtsausbreitung verglichen, die auf einer Split-Step-Fourier-Methode basiert und ebenso nichtlineare Signalstörungen kompensieren kann. Übertragungsexperimente wurden bis zu einer Distanz von 800km durchgeführt. Im Einkanalfall konnte eine deutlich bessere Signalübertragungsgüte bei Nutzung der digitalen Rückwärtsausbreitung erzielt werden. Hingegen war die Übertragung im WDM-Fall nur mit der Nutzung des OPC-Aufbaus für die anvisierte Signalgüte erzielbar.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5551
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5180
Exam Date: 10-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 13-Jun-2016
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): fiber optical transmission systems
optical communications
Kerr nonlinearity
nonlinear optics
optical signal processing
faseroptische Übertragungstechnik
optische Nachrichtentechnik
Kerr-Nichtlinearität
nichtlineare Optik
optische Signalverarbeitung
Sponsor/Funder: DFG, GR 3774/1-1,2, Fiber-based optical parametric amplifiers (FOPAs) for signal regeneration in transmission links with higher-order modulation formats
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

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