Digital equalization for optical coherent transmission systems

Abstract

This thesis focus on the digital equalization of fiber impairments for coherent optical transmission systems. New efficient and low-complexity equalization and mitigation techniques that counteract fiber nonlinear impairments are proposed and the tradeoff between performance and complexity is numerically assessed and experimentally demonstrated in metro and long-haul 400G superchannels-based transmission systems. Digital backpropagation (DBP) based on low-complexity split-step Fourier method and Volterra series nonlinear equalizers are experimentally assessed in an uniform superchannel system. In contrast with standard DBP methods, these techniques prove to be able to be implemented with larger step-sizes, consequently requiring a reduced number of multiplications, and still achieve a significant reach extension over linear equalization techniques. Moreover, given its structure, the complexity of the proposed Volterra-based DBP approach can be easily adjusted by changing the nonlinear filter dimension according to the system requirements, thus providing a higher flexibility to the nonlinear equalization block. A frequency-hybrid superchannel envisioning near-future flexible networks is then proposed as a way to increase the system bit-rate granularity. The problematic of the power-ratio between superchannel carriers is addressed and optimized for linear and nonlinear operation regimes using three distinct FEC paradigms. Applying a single FEC to the entire superchannel has a simpler implementation and is found to be a more robust approach, tolerating larger uncertainties on the system parameters optimization. We also investigate the performance gain provided by the application of different DBP techniques in frequency-hybrid superchannel systems, and its implications on the optimum power-ratio. It is shown that the application of DBP can be restricted to the carrier transporting the higher cardinality QAM format, since the DBP benefit on the other carriers is negligible, which might bring a substantially complexity reduction of the DBP technique applied to the superchannel.

A presente tese foca-se na equalização digital das distorções da fibra para sistemas óticos de transmissão coerente. São propostas novas técnicas eficientes e de baixa complexidade para a equalização e mitigação das distorções não lineares da fibra, e o compromisso entre desempenho e complexidade é testado numericamente e demonstrado experimental em sistemas de transmissão metro e longa distância baseados em supercanais 400G. A propagação digital inversa baseada no método de split-step Fourier e equalizadores não lineares de séries de Volterra de baixa complexidade são testadas experimentalmente num sistema baseado em supercanais uniformes. Ao contrário dos métodos convencionais utilizados, estas técnicas podem ser implementadas utilizando menos interações e ainda extender o alcance do sistema face às técnicas de equalização linear. Para além disso, a complexidade do método baseado em Volterra pode ser facilmente ajustada alterando a dimensão do filtro não linear de acordo com os requisitos do sistema, concedendo assim maior flexibilidade ao bloco de equalização não linear. Tendo em vista as futuras redes flexı́veis, um supercanal hı́brido na frequência é proposto de modo a aumentar a granularidade da taxa de transmissão do sistema. A problemática da relação de potência entre as portadoras do supercanal é abordada e optimizada em regimes de operação linear e não linear utilizando paradigmas diferentes de códigos correctores de erros. A aplicação de um único código corrector de erros à totalidade do supercanal mostra ser a abordagem mais robusta, tolerando maiores incertezas na optimização dos parâmetros do sistema. O ganho de desempenho dado pela aplicação de diferentes técnicas de propagação digital inversa em sistemas de supercanais hı́bridos na frequência é tamém analizado, assim como as suas implicações na relação óptima de potência. Mostra-se que esta pode ser restringida à portadora que transporta o formato de modulação de ordem mais elevada, uma vez que o benefı́cio trazido pelas restantes portadotas é negligenciável, permitindo reduzir significativamente a complexidade do algoritmo aplicado.