Mode Group Division Multiplexing for short-reach optical communication

Time, polarization and wavelength multiplexing schemes have been used to satisfy the growing need of transmission capacity. Using space as a new dimension for communication system has been recently suggested as a versatile technique to address the future bandwidth issues. Recently, a new fiber that supports 15 spatial modes, with low Mode-group division multiplexing (MGDM) has been proposed in the literature and now it is available on the market. I propose MGDM in a MIMO-free configuration to increase the capacity and the flexibility in reduced-complexity spatial division multiplexing in short-reach application. The presented solution uses special multiplex/demultiplex based on Multi-Plane Light Conversion, already available on the market. For what regards the optical source I use Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL), combined with direct modulation (DM) of multicarrier modulation formats, Discrete Multitone modulation (DMT), which allow to exploit the channel resources, thanks to its bit- and power- loading algorithms. For this solution of MGDM in short-reach application I excluded the presence of digital MIMO to recover the mode after the propagation and coherent detection. Now I propose a MIMO-free solution dealing with the inter-group crosstalk (IGXT), that remains the main detrimental factor to maximum reachable distance and increment of capacity. For short-reach distances the differential mode-group delay is considered negligible as for the chromatic dispersion and for the chirp frequency modulation effect introduced in the direct modulation of the lasers, thanks to this I performed direct detection (DD) in the receiver MGDM. I characterized the MMUX/MDEMUX and 20 m of FMF in term of insertion-loss (IL) and crosstalk (XT) divided in inter-group and intra-group XT. I studied the frequency dependence over the C-band, and the polarization dependence loss (PDL) present when the input state of polarization (SOP) is mismatched with the SOP of the channel. From the characterization I selected the best modes to propagate trough the FMF, I have based it on the intermode XT values, and I find the best combination of modes with the less XT, so which couple the less power each other. Finally, I tested a 3-MGDM MIMO-free short-reach system and evaluate the performance in terms of capacity, measured with a hard decision (HD), pre-FEC BER fixed at 4.3⋅10-3. The capacity has been measure also for the single channel to have an expected value to compare with the measured one. The expected value is based on the fact that the total XT suffered on each channel is the main contribution to the OSNR of that channel, but this is verified only for single carrier modulation. In fact, the measured capacity is 30 Gb/s lower than the expected value, and the gain factor x2 is experienced, on the single channel capacity, w.r.t. the expected x3 factor.

Gli schemi di multiplazione a divisone di tempo, polarizzazione e lunghezza d’onda sono stati usati per soddisfare il bisogno crescente di capacità trasmissiva. L’uso dello spazio come nuova dimensione del sistema comunicativo è stato recentemente suggerito come una tecnica versatile per affrontare i futuri problemi di occupazione di banda. Recentemente una nuova fibra che supporta 15 modi spaziali, con una bassa MGDM è stata proposta in letteratura e ora è disponibile sul mercato. Io propongo MGDM in una configurazione MIMO-free per aumentare la capacità e la flessibilità, in un SDM a ridotta complessità per sistemi a corto raggio. La soluzione presentata speciali MUM/DEMUX basati su MPLC già disponibili sul mercato. Per quanto riguarda la sorgente ottica ho usato un VCSEL combinato con modulazione diretta. La moduazione scelta è una una multicarrier, DMT, che permette di sfruttare al massimo le risorse del canale, grazie al suo algoritmo di bit- and power- loading. Per questa soluzione di MGDM in applicazioni a corto raggio, ho escluso la presenza del MIMO per recuperare tutti i modi dopo la propagazione e la rivelazione coerente. Io propongo una soluzione MIMO-free, IGXT rimane il principale fattore dannoso per le massime distanze raggiungibili e l’incremento di capacità. Per distanze a corto raggio il DMGD è da considerarsi trascurabile, come per la CD e per la modulazione di frequenza chirp, introdotto con la modulazione diretta dei laser, grazie a ciò ho eseguito una DD nel ricevitore MGDM. Ho caratterizzato MMUX/MDEMUX e 20 m di FMF in termini di IL and XT, diviso in inter-group XT e intra-group XT. Ho studiato la dipendenza dalla frequenza in banda C e la PDL presente quando l’input SOP è diverso dal SOP di canale. Dalla caratterizzazione ho selezionato i modi migliori per la propagazione attraverso FMF, ho basato tale selezione sui valori di XT inter-modo, e ho trovato la miglior combinazione di modi con minor XT, quindi quelli che appiano meno potenza fra loro. Infine, ho testato un 3-MGDM MIMO-free sistema a corto raggio e valutato la performance in termini di capacità, misurata con HD, pre-FEC BER fixed at 4.3⋅10-3. La capacità è stat misurata anche per il singolo canale per avere un valore atteso da comparare con quello misurato. La valutazione prevista si basa sul fatto che il XT totale subito su ogni canale sia il contributo maggiore al calcolo dell’OSNR di quel canale, ma questo è verificato solo per modulazioni a singola portante. Infatti, la capacità misurata è 30 Gb/s più bassa del valore atteso, e il fattore di guadagno x2 ottenuto rispetto a un atteso fattore x3.