Comparison of nonlinear frequency division multiplexing and OFDM for optical fiber transmissions

par Wasyhun Asefa Gemechu

Thèse de doctorat en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Yves Jaouën et de Stefan Wabnitz.

Le président du jury était Antonio Mecozzi.

Le jury était composé de Sergei Turitsyn, Mansoor Yousefi.

Les rapporteurs étaient Christophe Peucheret, Marco Secondini.

  • Titre traduit

    Comparaison des performances de signaux multiplexés dans le domaine des fréquences non-linéaires et OFDM pour les transmissions par fibre optique


  • Résumé

    La capacité ultime du canal dans les systèmes de transmission optique à longue distance est limitée par les effets non linéaires liés à la propagation dans les fibres optiques. Des techniques de compensation des effets non-linéaires, tel que la DBP (Digital Back Propagation), ont été proposées pour surmonter ces limitations et accroître la capacité. Compte tenu de leur complexité d’implémentation, leur gain en performance reste très limité. Cela a déclenché très récemment la recherche de nouvelles techniques de communication prenant en compte la non-linéarité de la fibre. Une nouvelle méthode de communication en régime non-linéaire, basée sur la théorie de la transformation spectrale inverse (IST pour Inverse Spectral Transform), a été proposée pour surmonter la limitation induite par ces effets. Cette méthode, proposée à l'origine par Hasegawa en 1993, encore appelée communication aux valeurs propres (ou multi-solitons), est basée sur l'observation fondamentale selon laquelle le spectre non linéaire d'un signal optique est invariant (à l'exception d'un déphasage linéaire trivial) lors de la propagation dans la fibre optique, comme décrit par l’équation non linéaire de Schrödinger (NLSE pour Non-Linear Schrödinger Equation). Cela signifie que si la transformée spectrale directe (DST) (également appelée NFT pour Nonlinear Fourier Transform) du signal reçu peut être calculée, le spectre de valeurs propres peut être entièrement récupéré.Cette thèse porte sur une technique de communication de type NFT connue sous le nom de multiplexage non linéaire en fréquence (NFDM pour Non-Linear Fourier Transform). Différentes configurations de systèmes optiques NFDM ont été évalués numériquement et validés expérimentalement. Dans un premier temps, la structure d’un système NFDM en mono-polarisation utilisant le spectre continu des fréquences non-linéaires dans une fibre en régime de dispersion normale est décrite. Pour ce faire, une forme NFT du vecteur NLSE, encore appelé système de Manakov, a été développé numériquement. Sur la base de ces algorithmes, la méthode NFDM a été étendue aux systèmes multiplexés par division de polarisation (PMD) et validée expérimentalement pour la première fois en utilisant le spectre continu. Finalement, l’expérience a été répliquée en régime de dispersion anormale. Afin d'étudier les contraintes de mise en œuvre, des études numériques supplémentaires ont été effectués pour la transmission de signaux NFDM utilisant la modulation du spectre continu.


  • Résumé

    Nonlinear effects in optical fiber set the ultimate limit to the channel capacity in long-haul optical transmission systems. Advanced nonlinear compensation techniques such as digital backpropagation (DBP) have been proposed as a solution to overcome the channel capacity crunch. However, given theircomputational complexity, in a practical environment their performance gainremains very limited. This triggered a search for a novel communication system design that takes fiber nonlinearity into consideration. A new nonlinearcommunication method, based on the theory of the inverse spectral transform, has been proposed to overcome the nonlinear capacity crunch. Thismethod, originally proposed by Hasegawa in 1993 and called eigenvalue (ormulti-soliton) communication, is based on the fundamental observation thatthe nonlinear spectrum of an optical signal is invariant (except for a triviallinear phase shift) upon propagation in the fiber channel, as described bythe nonlinear Schrödinger equation (NLSE). This means that if the directspectral transform (also known as nonlinear Fourier transform (NFT)) ofthe received signal can be computed, the eigenvalue spectrum can be fullyrecovered.This thesis focuses on a NFT-based communication technique known as nonlinear frequency division multiplexing (NFDM). The NFDM optical systemis numerically assessed and experimentally demonstrated. First, the structure of the proposed single-polarization NFDM system using the continuousspectrum in the normal dispersion regime is presented. To that end, theNFT of the vector NLSE, or Manakov system, was numerically developed.Based on these algorithms the NFDM method was extended to polarizationdivision multiplexed (PMD) systems, and experimentally validated for thefirst time using the continuous spectrum. Finally, the experiment will bereplicated in the anomalous dispersion regime.Additional numerical studies are presented, in order to investigate the implementation challenges of the proposed NFDM techniques for the continuousspectrum modulation.


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