Communications optiques avancées basées sur la transformée de Fourier non-linéaire

Advances in nonlinear Fourier transform based optical fiber communication

• Auteur / Autrice : Jan-Willem Goossens
• Direction : Yves Jaouën, Hartmut Hafermann, Mansoor Yousefi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 28/02/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : John Michael Dudley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Jaouën, Hartmut Hafermann, Mansoor Yousefi, Sergei Turitsyn, Sander Wahls, Henning Buelow, Gerhard Kramer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergei Turitsyn, Sander Wahls

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Mots clés libres

Transformée de Fourier non-linéaire

Multiplexage en polarisation

Transformée de Fourier non-linéaire périodique

Nonlinear Fourier transform

Polarization division multiplexing

Periodic nonlinear Fourier transform

Résumé

L’augmentation drastique des débits d’information au cours des dernières années se confronte de plus en plus aux limites de capacité de la fibre optique. Les schémas de communication actuellement employés sont limités par le caractère non linéaire du canal de communication. Une approche prometteusepour surmonter ces limitations est fournie par la transformée de Fourier non linéaire (NFT). Le signal à transmettre est décomposé sur la base de modes spectraux non-linéaires qui se propagent indépendamment, permettant ainsiune transmission de données sans interférence sur une fibre optique.Dans cette thèse, nous élargissons l’applicabilité de la NFT au multiplexage enpolarisation de signaux NFDM (pour multiplexage par répartition en fréquence non linéaire), de qui permet de doubler les débits binaires pouvant être atteints par rapport au modèle NFDM à simple polarisation simple.La NFT conventionnelle s'appuie sur des conditions aux limites nulles pour assurer la propagation indépendante des degrés de liberté non linéaires. Cela oblige à effecteur la transmission en mode rafale, chacune étant séparée par des intervalles de garde pour s’affranchir de l’interférence inter-symbole.Une alternative consiste à la mise en œuvre de signaux de type NFT conçus pour des conditions aux limites périodiques. Dans ce cas,la transmission s'effectue avec un préfixe cyclique : une seule période est traitée aurécepteur, ce qui réduite la puissance de calcul nécessaire. Nous montrons que le spectre d’un signal NFT périodique est préservé expérimentalement et fournissons la première réalisation d’une transmission de données baséesur la NFT périodique.L’un des problèmes majeurs de la conception des signaux basés sur la NFT périodique est d’obtenir des spectres correspondant à des signaux de période non infinie. Les signaux obtenus à partir du NFT périodique permettent une description analytique de ce type de solutions. Nous proposons de l'exploiter pour simplifier le problème de la conception du signal et proposons plusieurs nouveaux schémas de modulation du spectre NFT périodique.

The drastic increase in information trafic demands in recent years, is leading to a capacity crunch in optical fiber. Currently employed communication schemes are limited by the nonlinear character of optical fiber. A promising approach to overcome these limitations is provided by the nonlinear Fourier transform (NFT). It provides nonlinear degrees of freedom that propagate independently,providing potentially interference free data transmission over optical fiber.In this thesis we broaden the applicability of the NFT, by developing the combination ofpolarization division multiplexing and nonlinear frequency division multiplexing(NFDM), doubling the achievable data rates compared to single polarization NFDM in both simulation and experiment. The conventional NFT relies on vanishing boundary conditions to ensure the nonlinear degrees of freedom propagate indepently. This forces transmission to take place in burst mode,where bursts of signal are separated by guard intervals to prevent inter-symbol interference. An alternative is provided by the NFT for periodic boundary conditions. In that case transmission takes place with a cyclic prefix and at the receiver only a single period is processed, reducing the computational burden.We demonstrate the spectrum of the periodic NFT is preserved and stable in experiment, and provide the first demonstration of data transmission based on the periodic NFT.One of the major problems in signal design based on the periodic NFT is to obtain spectra that correspond to signals with a non-infinite period. The signals obtained from the periodic NFT allow an analytical description of their solution. We propose to exploit this to simplify the problem of signal design and proposeseveral novel modulation schemes to exemplify our approach to constellation design for the periodic NFT spectrum.