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Digital optimization techniques for multi-band optical communication systems

Di Rosa, Gabriele

The ever-increasing data load on the fiber-optic network infrastructure rapidly encourages next-generation communication systems to operate in a larger optical transmission window extending beyond the C-band. This approach increases the channel capacity while not requiring the deployment of additional fiber-optical cables, enabling the effective reuse of this valuable asset. This unique feature of multi-band systems is a strong driver for the techno-economic assessment of techniques for next-generation higher-capacity optical networks. Following this strategy, a relatively smooth transition from the legacy C-band systems to commercial solutions extending the wavelength range of operation to the C-L-band was witnessed in the past years. The next natural step in exploiting the optical fiber low attenuation window is the development of S-C-L-band systems. However, this transition poses considerably more complex challenges than the previous network upgrade due to the surge of peculiar multi-band effects and the lack of established transceiver and amplification technologies in this range of wavelengths. The first part of the thesis reviews standard coherent optical communication systems and outlines some additional challenges arising when extending operation to the S-C-L-band from the system design perspective. On the physical level, particular emphasis is given to coherent transceivers' operation, channel modeling, and multi-band amplification techniques, with original results concerning the modeling of multi-band Raman amplifiers. Finally, digital modulation and digital signal processing (DSP) for optical coherent communication systems are reviewed, and the benefits of constellation shaping for capacity maximization over a wavelength-dependent channel are presented. In the second part of the thesis, the wavelength-dependency of imbalances between the in-phase (I) and quadrature (Q) components of the signals in off-the-shelf C-band coherent transceivers operating in the S-C-L-band is characterized. The results obtained verify the effectiveness of operating the commercially available devices considered with no clear penalties in a multi-band scenario without increasing the DSP complexity or the device characterization effort. The third part of the thesis presents novel improved DSP algorithms that adapt over variable signal characteristics and local channel conditions. First, a low-complexity carrier phase recovery (CPR) which improves the algorithm performance for probabilistically shaped signals by adapting the decision regions to the signal and noise statistics is described. Next, a blind update rule for amplitude-based multiple-input-multiple-output (MIMO) equalization that improves the convergence and tracking ability of the algorithm for static and dynamic channel conditions is presented. The improved update is based on the likelihood of the received samples being correctly assigned. The main result is a larger tolerance in differential group delay (DGD) for the blind operation of the equalizer and improved tracking ability of the rapidly-varying state of polarization (SOP) for an equalization scheme supported by periodically inserted pilot symbols. The final part of the thesis presents a statistical method to separate nonlinear interference noise (NLIN) into a Gaussian noise and a nonlinear phase noise (NLPN) component. The generation of NLIN when using shaped constellations and its interaction with the receiver-side DSP is analyzed by considering the amount of correlation of the NLPN under different channel conditions. In this way, it is possible to predict the achievable post-DSP transmission performance for transmission over the nonlinear fiber channel.
Die ständig steigende Datenlast in der Glasfasernetzinfrastruktur führt dazu, dass die Kommunikationssysteme der nächsten Generation in einem größeren optischen Übertragungsfenster arbeiten, das über das C-Band hinausgeht. Dieser Ansatz erhöht die Kanalkapazität, ohne dass zusätzliche Glasfaserkabel verlegt werden müssen, und ermöglicht die effektive Wiederverwendung dieses wertvollen Kapitals. Diese einzigartige Eigenschaft von Multiband-Systemen ist eine starke Triebkraft für die techno-ökonomische Bewertung von Methoden für optische Netze der nächsten Generation mit höherer Kapazität. Dieser Strategie folgend war in den letzten Jahren ein relativ reibungsloser Übergang von den alten C-Band-Systemen zu kommerziellen Lösungen zu beobachten, die den Wellenlängenbereich auf das C-L-Band ausweiten. Der nächste logische Schritt bei der Nutzung des faseroptischen Fensters mit geringer Dämpfung ist die Entwicklung von S-C-L-Band-Systemen. Dieser Übergang ist jedoch mit wesentlich komplexeren Herausforderungen verbunden als der vorherige Netzausbau, da es in diesem Wellenlängenbereich zu einer Vielzahl von besonderen Multibandeffekten kommt und es an etablierten Transceiver- und Verstärkertechnologien mangelt. Der erste Teil der Arbeit gibt einen Überblick über kohärente optische Standard-Kommunikationssysteme und skizziert einige zusätzliche Herausforderungen, die sich bei der Ausweitung des Betriebs auf das S-C-L-Band aus Sicht des Systemdesigns ergeben. Auf der physikalischen Ebene liegt der Schwerpunkt auf dem Betrieb kohärenter Transceiver, der Kanalmodellierung und den Multiband-Verstärkungstechniken, mit Originalergebnissen bezüglich der Modellierung von Multiband-Raman-Verstärkern. Schließlich werden digitale Modulation und digitale Signalverarbeitung (digital signal processing, DSP) für optische kohärente Kommunikationssysteme besprochen und die Vorteile der Konstellationsgestaltung zur Kapazitätsmaximierung über einen wellenlängenabhängigen Kanal vorgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Wellenlängenabhängigkeit der Ungleichgewichte zwischen den In-Phase (I)- und Quadratur (Q)-Komponenten der Signale in handelsüblichen kohärenten C-Band-Transceivern, die im S-C-L-Band arbeiten, charakterisiert. Die erzielten Ergebnisse bestätigen die Effektivität des Betriebs der betrachteten handelsüblichen Geräte ohne deutliche Nachteile in einem Multiband-Szenario, ohne die DSP-Komplexität oder den Aufwand für die Gerätecharakterisierung zu erhöhen. Im dritten Teil der Arbeit werden neuartige, verbesserte DSP-Algorithmen vorgestellt, die sich an variable Signaleigenschaften und lokale Kanalbedingungen anpassen. Zunächst wird eine Carrier Phase Recovery (CPR) mit geringer Komplexität beschrieben, die die Leistung des Algorithmus für probabilistisch geformte Signale verbessert, indem die Entscheidungsbereiche an die Signal- und Rauschstatistiken angepasst werden. Anschließend wird eine blinde Aktualisierungsregel für die amplitudenbasierte MIMO-Entzerrung (Multiple-Input-Multiple-Output) vorgestellt, die die Konvergenz und die Verfolgungsfähigkeit des Algorithmus für statische und dynamische Kanalbedingungen verbessert. Die verbesserte Aktualisierung basiert auf der Wahrscheinlichkeit, dass die empfangenen Samples korrekt zugeordnet werden. Das Hauptergebnis ist eine größere Toleranz bei der differentiellen Gruppenverzögerung (differential group delay, DGD) für den blinden Betrieb des Entzerrers und eine verbesserte Verfolgungsfähigkeit des sich schnell ändernden Polarisationszustands (state of polarization, SOP) für ein Entzerrungsschema, das durch periodisch eingefügte Pilotsymbole unterstützt wird. Im letzten Teil der Arbeit wird eine statistische Methode zur Trennung des nichtlinearen Interferenzrauschens (nonlinear interference noise, NLIN) in eine Gaußsche Rausch- und eine nichtlineare Phasenrauschkomponente (nonlinear phase noise, NLPN) vorgestellt. Die Erzeugung von NLIN bei der Verwendung von geformten Konstellationen und deren Interaktion mit dem empfängerseitigen DSP wird unter Berücksichtigung des Korrelationsgrades des NLPN unter verschiedenen Kanalbedingungen analysiert. Auf diese Weise ist es möglich, die erreichbare Post-DSP-Übertragungsleistung für die Übertragung über den nichtlinearen Faserkanal vorherzusagen.