Laser phase noise mitigation for subcarrier-multiplexing optical transmission systems

Abstract

Multi-subcarrier optical systems have recently attracted the attention of the scienti c and industrial communities, owing to their inherent advantages in terms of ber propagation performance as well as their implementation complexity, when compared with legacy single-carrier systems. With the imminent introduction of next-generation transceivers supporting aggregate symbol-rates beyond 100 Gbaud, the achievable gains provided by multisubcarrier modulation are becoming increasingly more important, thereby attracting the attention of several leader optical manufacturers, which are now including this technology in their portfolio. However, the transition from single-carrier to multi-subcarrier modulation still requires signi cant optimization of digital signal processing subsystems, in order to maximize the inherent potential of subcarrier multiplexing. In this thesis, techniques for carrier phase estimation are explored. The penalty associated with the usage of the methods used in single-carrier systems when changing to a multi-subcarrier system is quantitatively studied and the need for a change in such methods is evidenced. Several jointly processing carrier phase estimation approaches are employed to improve the performance of phase recovery algorithms, resulting in an improvement in the power requirements for multi-subcarrier systems. In particular, a novel approach to carrier phase estimation is developed and assessed. This new method increases the tolerance of the system to chromatic dispersion and makes viable the usage of multi-subcarrier systems with a high number of subcarriers, highly outperforming any other carrier phase estimation approach for such systems. Finally, a novel low-complexity implementation of a digital monitoring system is suggested. It is capable of measuring the laser line width of the transmitter and local oscillators lasers. This implementation is only made possible by the nature associated with the novel algorithm presented.

Os sistemas ópticos multiportadora atraíram recentemente a atenção das comunidades científicas e industriais, devido às suas vantagens inerentes em termos de desempenho de propagação de fibras, bem como da sua complexidade de implementação, quando comparados aos sistemas de portadora única. Com a introdução iminente de transceptores de última geração que suportam taxas agregadas de símbolos além de 100 Gbaud, os ganhos alcançáveis proporcionados pela modulação multiportadora estão a tornar-se cada vez mais importantes, atraindo assim a atenção de vários líderes no fabrico óptico, que agora incluem este tecnologia no seu portfólio. No entanto, a transição da modulação de portadora única para multiportadora ainda requer otimização significativa dos subsistemas de processamento de sinal digital, a fim de maximizar o potencial inerente da multiplexação de subportadoras. Nesta tese, são exploradas técnicas para estimativa da fase portadora. A penalidade associada ao uso dos mesmos métodos utilizados em sistemas de transportadora única ao mudar para um sistema de múltiplas subportadoras é estudada quantitativamente e a necessidade de uma alteração desses métodos é evidenciada. Várias abordagens de processamento conjunto entre as várias subportadoras são empregadas para melhorar o desempenho dos algoritmos de estimativa da fase portadora, resultando numa melhoria nos requisitos de energia para sistemas de múltiplas subportadoras. Em particular, uma nova abordagem para a estimativa da fase portadora é desenvolvida e avaliada. Este novo método aumenta a tolerância do sistema à dispersão cromática e viabiliza o uso de sistemas com um alto número de subportadoras, superando em desempenho qualquer outra abordagem de estimativa de fase portadora para estes sistemas. Por fim, é sugerida uma nova implementação de baixa complexidade de um sistema de monitorização digital. É capaz de medir a largura da linha espectral dos lasers do transmissor e do oscilador local. Esta implementação só é possível devido às características de implementação do novo algoritmo apresentado.