First real-time coherent MIMO-DSP for six coupled spatial and polarization mode transmission

Fiber optic communication links bridging more than a few kilometers are solely based on single mode fibers. Due to rapidly increasing traffic demands though, more and more of these fibers are being deployed in parallel, causing a linear increment of the energy required by the network. This has stimulated various research efforts on novel higher-capacity fibers supporting propagation of multiple spatial modes with different levels of coupling. Recently, linear adaptive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) equalization at the receiver has been demonstrated to be effective in compensating this mode coupling, potentially increasing the fiber capacity proportionally to the number of spatial modes. So far, these demonstrations have always been based on so called offline Digital Signal Processing (DSP), where limited-length waveforms are captured in memory and processed on a workstation. In view of real system deployments, however, the MIMO equalizer has to run in real-time and it has to be demonstrated that the system is long term stable providing low outage probabilities. In this work, we present the first real-time transmission experiment over a 60km long fiber supporting six coupled spatial and polarization modes, enabled by a custom receiver board and a Field Programmable Gate Array (FPGA) implementation of an unconstrained adaptive frequency-domain MIMO equalizer, oper- ating with a coherent Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) modulation. The results are encouraging from a sta- bility point of view, but we could not reach the target error-free performance at high Signal-to-Noise Ratio (SNR). The reason is an error floor given by the increasing clock jitter that we observed while approaching the full utilization of our FPGA, generating significant glitches at the output of the ADCs. Despite this error floor we obtained six Bit Error Rates (BERs) drifting between 8 × 10−4 and 5 × 10−3, still below the threshold of soft-decision Forward Error Correction (FEC) algorithms. The work described in this thesis has been published for the first time at the Photonics Conference (IPC) 2015 in Washington DC [2]

Oggigiorno le comunicazioni ottiche di medio-lungo raggio sono unicamente basate su fibre monomodali. Tuttavia l’enorme crescita annuale del traffico dati richiede continuamente l’aggiunta di nuove fibre in parallelo a quelle già esistenti. A causa di questo fenomeno l’aumento del consumo energetico delle reti potrebbe diventare insostenibile nei prossimi decenni. Recentemente alcuni dei centri di ricerca più importanti del settore stanno focalizzando i loro studi su una nuova tecnica di trasmis- sione, basata sulla multiplazione spaziale di flussi dati all’interno di un’unica guida ottica. Perchè ciò sia possibile il mezzo trasmissivo deve supportare la propagazione di un certo numero di modi, si tratta quindi di un’evoluzione delle fibre multimodali, ampiamente usate fino all’inizio degli anni ’80 e abbandonate a causa dei problemi dovuti alla dispersione modale. In questo nuovo scenario la presenza di più modi di propagazione è sfruttata in maniera costruttiva, mappando un segnale diverso su ognuno di essi. La separazione dei canali multiplati è resa possibile per mezzo di un’equalizzazione di tipo Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) al ricevitore, la cui complessità è largamente maggiore rispetto a quella dei tradizionali apparati di ricezione monomodali. Questa tesi tratta la realizzazione del primo sistema ottico a multiplazione spaziale che opera in tempo reale, contrariamente a quanto fatto nei precedenti lavori di questo genere in cui il segnale ricevuto è campionato con un oscilloscopio e processato tramite software. Il nostro ricevitore è costituito da una scheda elettronica opportunamente progettata e sulla quale è stato installato un dispositivo di tipo Field Programmable Gate Array (FPGA). Grazie a questo dispositivo ci è stato possibile riprodurre il comportamento di un equalizzatore MIMO e verificare quindi la stabilità su larga scala temporale del sistema, rivelatasi molto incoraggiante. La probabilità d’errore ottenuta invece non si può dire del tutto soddisfacente. Infatti, raggiunta un’alta percentuale di utilizzo delle risorse del nostro FPGA, abbiamo riscontrato la generazione di anomalie nell’interfaccia tra quest’ultimo e i convertitori analogico-digitali. L’errore sistematico risultante non ci ha permesso di raggiungere prestazioni di sistema paragonabili a quelle teoriche, ma non rappresenterebbe un problema insormontabile per le moderne tecniche di correzione degli errori. Il lavoro descritto in questa tesi è stato pubblicato in un articolo [2] presentato nell’ottobre del 2015 alla Pho- tonics Conference (IPC), tenutasi a Washington DC.