Equalization Enhanced Phase Noise compensation in long-haul optical communications

Equalization-enhanced phase noise is a critical issue in modern long-haul coherent optical systems since it increases as the data rate grows. It is an impairment generated by the interaction between the received signal intermixed with the receiver side local oscillator laser and the chromatic dispersion compensating filter, and manifests itself in the form of inter symbol interference. Since the increase of data rate is one of the main directions of innovation in modern optical systems, EEPN poses as a strong limitation, potentially disrupting the system's performances if uncompensated. In this work we focus on the study and on the equalization of this impairment starting from its mathematical expression up to proposing an equalization scheme valid for practical scenarios. The modulation formats of interest in this study are QPSK, 16-QAM and 64-QAM. We first characterize the EEPN mathematically, studying its properties both in the time domain and in the frequency domain. Since this impairment manifests itself as inter-symbol interference, we investigate the possibility of using an adaptive filter based on the least mean square (LMS) algorithm to mitigate its effect. Specifically, we employ a decision-directed LMS scheme to equalize the signal affected by EEPN, achieving good performance. We then introduce a more realistic equalization scheme, taking into account the typical limitations that need to be considered in a practical LMS implementation. We test the algorithm performance in scenarios of interest to modern optical communication systems, achieving good results for the QPSK and 16-QAM modulation formats, while for the 64-QAM case performances are strongly conditioned by the implementation choices. The SNR penalty is thus reduced to 0.2 dB, from 0.43 dB in the uncompensated case, for QPSK and below 0.5 dB from 1.42 dB in the uncompensated case, for 16-QAM.

Il rumore di fase aumentato da equalizzazione (EEPN equalization-enhanced phase noise) è un problema di importanza critica nei moderni sistemi ottici a lungo raggio dal momento che aumenta al crescere del data rate. Esso è un disturbo generato dall'interazione tra il segnale ricevuto unito al laser a lato ricevitore, detto oscillatore locale, e il filtro di compensazione della dispersione cromatica, e si manifesta sotto forma di interferenza intersimbolica. Poiché l'aumento del data rate è una delle principali direzioni di innovazione nei moderni sitemi ottici, l'EEPN costituisce una forte limitazione che invalida potenzialmente le prestazioni del sistema se non compensato. In questo lavoro ci concentriamo sullo studio e sull'equalizzazione di questo impairment a partire dalla sua espressione matematica fino a proporre uno schema di equalizzazione valido in scenari pratici. I formati di modulazione di interesse per il nostro studio sono QPSK, 16-QAM e 64-QAM. Dapprima caratterizziamo matematicamente l'EEPN, studiandone le proprietà sia nel dominio del tempo che della frequenza. Poichè esso si manifesta come interferenza intersimbolica , investighiamo la possibilità di utilizzare un filtro adattivo basato sull'algoritmo least mean square (LMS) per mitigarne l'effetto. Nello specifico impieghiamo uno schema LMS diretto dalle decisioni per equalizzare il segnale affetto da EEPN, ottenendo buone performance. Introduciamo quindi uno schema di equalizzazione più realistico, tenendo in considerazione le limitazioni che devono tipicamente essere valutate nell'implementazione pratica dell'LMS. Testiamo le prestazioni dell'algoritmo in scenari di interese per i moderni sistemi di comunicazioni ottiche, giungendo a buoni risultati per i formati di modulazione QPSK e 16-QAM, mentre nel caso del 64-QAM le performance risultano fortemente condizionate dalle scelte implementative. La penalità di SNR viene così ridotta sotto gli 0.2 dB, dagli 0.43 dB del caso non compensato, per il formato QPSK e sotto gli 0.5 dB, dagli 1.42 dB del caso non compensato, per il 16-QAM.