Simplified coherent transceiver for optical communication networks

Abstract

Traditional coherent (COH) transceivers allow encoding of information in both quadratures and the two orthogonal polarizations of the electric field. Nevertheless, such transceivers used today are based on the intradyne scheme, which requires two 90o optical hybrids and four pairs of balanced photodetectors for dual-polarization transmission systems, making its overall cost unattractive for short-reach applications. Therefore, SSB methods with DD reception, commonly referred to as self-coherent (SCOH) transceivers, can be employed as a cost-effective alternative to the traditional COH transceivers. Nevertheless, the performance of SSB systems is severely degraded. This work provides a novel SCOH transceiver architecture with improved performance for short-reach applications. In particular, the development of phase reconstruction digital signal processing (DSP) techniques, the development of other DSP subsystems that relax the hardware requirement, and their performance optimization are the main highlights of this research. The fundamental principle of the proposed transceiver is based on the reception of the signal that satisfies the minimum phase condition upon DD. To reconstruct the missing phase information imposed by DD, a novel DCValue method exploring the SSB and the DC-Value properties of the minimum phase signal is developed in this Ph.D. study. The DC-Value method facilitates the phase reconstruction process at the Nyquist sampling rate and requires a low intensity pilot signal. Also, the experimental validation of the DC-Value method was successfully carried out for short-reach optical networks. Additionally, an extensive study was performed on the DC-Value method to optimize the system performance. In the optimization process, it was found that the estimation of the CCF is an important parameter to exploit all advantages of the DC-Value method. A novel CCF estimation technique was proposed. Further, the performance of the DC-Value method is optimized employing the rate-adaptive probabilistic constellation shaping.

Os sistemas de transcetores coerentes tradicionais permitem a codificação de informação em ambas quadraturas e em duas polarizações ortogonais do campo elétrico. Contudo, estes transcetores utilizados atualmente são baseados num esquema intradino, que requer dois híbridos óticos de 90o e quatro pares de foto detetores para sistemas de transmissão com polarização dupla, fazendo com que o custo destes sistemas seja pouco atrativo para aplicações de curto alcance. Por isso, métodos de banda lateral única com deteção direta, também referidos como transcetores coerentes simplificados, podem ser implementados como uma alternativa de baixo custo aos sistemas coerentes tradicionais. Contudo, o desempenho de sistemas de banda lateral única tradicionais é gravemente degradado pelo batimento sinal-sinal. Nesta tese foi desenvolvida uma nova arquitetura de transcetor coerente simplificada com um melhor desempenho para aplicações de curto alcance. Em particular, o desenvolvimento de técnicas de processamento digital de sinal para a reconstrução de fase, bem como de outros subsistemas de processamento digital de sinal que minimizem os requerimentos de hardware e a sua otimização de desempenho são o foco principal desta tese. O princípio fundamental do transcetor proposto é baseado na receção de um sinal que satisfaz a condição mínima de fase na deteção direta. Para reconstruir a informação de fase em falta causada pela deteção direta, um novo método de valor DC que explora sinais de banda lateral única e as propriedades DC da condição de fase mínima é desenvolvido nesta tese. O método de valor DC facilita a reconstrução da fase à frequência de amostragem de Nyquist e requer um sinal piloto de baixa intensidade. Além disso, a validação experimental do método de valor DC foi executada com sucesso em ligações óticas de curto alcance. Adicionalmente, foi realizado um estudo intensivo do método de valor DC para otimizar o desempenho do sistema. Neste processo de otimização, verificou-se que o fator de contribuição da portadora é um parâmetro importante para explorar todas as vantagens do método de valor DC. Neste contexto, é proposto um novo método para a sua estimativa. Por último, o desempenho do método de valor DC é otimizado recorrendo a mapeamento probabilístico de constelação com taxa adaptativa.