Discrete-multitone modulation for short distance 100 Gbit/s optical links

The commercially available 100 Gbit/s optical channel employs coherent modulation and de- modulation allowing transmission over long distances, up to thousands of kilometers, but for short distances the cost of a coherent receiver can be overkill. In literature there are several techniques, based on advanced different digital modulation schemes, that reduce the complexity of the transmitter or the receiver, allowing a more cost-effective solution. The contribution of this work is the design and implementation of a commu- nication system employing Discrete Multitone (DMT) modulation with bit and power loading, transmitted using an externally modulated laser in C-band, optically amplified, and received with a single photodiode (direct detection). After the design of the system followed by numerical simulations, it has been experimentally tested both in back-to- back and over several spans of Standard Single-Mode optical Fibers (SSMFs), up to 80 km. We studied and adopted Single Side-Band (SSB) at the transmitter to increase spectral efficiency and reduce the effects of Chromatic Dispersion (CD). This work is organized as follows. After the introduction, in chapter 2 we present the main concepts of optical communications. Chapter 3 presents the theory of multi-channel modulation (such as DMT), comparing it with single-channel techniques. Chapter 4 shows channel capacity for multi-channel modulation scheme and the Levin-Campello bit and power loading algorithm. After reviewing the state-of-the-art, in chapter 5 is presented the system design, along with the algorithms we developed, and the experimental setup; the results are showed in chapter 6. The results we obtained are very promising since we measured a pre-Forward Error Correction (FEC) Bit Error Rate (BER) below the standard hard-decision FEC threshold. Chapter 7 presents the conclusions of this work.

Il canale ottico a 100 Gbit/s comunemente utilizzato nei sistemi commerciali impiega una modulazione e demodulazione coerente, e ciò permette di trasmettere a lunghe distanze, dell’ordine di migliaia di chilometri, ma per trasmissioni su brevi distanze il costo di un sistema di trasmissione coerente può essere eccessivo. In letteratura sono presentate varie soluzioni, basate su diversi schemi di modulazione digitali che riducono la complessità del trasmettitore o del ricevitore, e questo permette di ridurne il costo. Il contributo di questo lavoro è lo sviluppo e l’implementazione di un sistema di comunicazione ottico basato sulla modulazione Discrete Multitone (DMT), trasmesso con un laser modulato esternamente nella banda C, amplificato otticamente, e ricevuto con un singolo fotodiodo (rilevazione diretta). Dopo la progettazione del sistema e la sua simulazione numerica, abbiamo costruito un apparato sperimentale in cui abbiamo trasmesso il segnale a 100 Gbit/s sia in condizione back-to-back (ossia trasmettitore collegato direttamente al ricevitore con pochi metri di fibra), che lungo diverse distanze di fibra ottica standard monomodale (SSMF), fino a 80 km. Abbiamo adottato una trasmissione a banda laterale singola (SSB) per aumentare l’efficienza spettrale e ridurre l’impatto della dispersione cromatica (CD). Questa tesi è organizzata come segue. Dopo l´introduzione, nel capitolo 2 sono presentati i concetti fondamentali delle comunicazioni ottiche. Il capitolo 3 presenta la teoria della modulazione multicanale (come la modulazione DMT), comparandola con la modulazione a singolo canale. Il capitolo 4 presenta la capacità di canale dei sistemi di modulazione multicanale e l´algoritmo di Levin e Campello per l´allocazione ottimale di bit e potenza tra le sottoportanti. Dopo la revisione dello stato dell´arte, nel capitolo 5 è presentata la progettazione del sistema, i vari algoritmi sviluppati e il setup sperimentale; i risultati sono illustrati nel capitolo 6. Essi sono molto promettenti in quanto abbiamo misurato un tasso di errore sotto la soglia del codice di canale standard a decodifica hard. Le conclusioni sono illustrate nel capitolo 7.