Multi-band adaptive optical amplification for ultra-high-throughput fiber-optic transmission systems

This doctoral dissertation investigates multiband adaptive optical amplification techniques for enabling ultra-high-throughput fiber-optic transmission systems. Driven by the rapid growth of global data traffic and emerging data-intensive applications, the work explores ultra-wideband (UWB) transmission across the S, C, and L bands as a scalable approach to significantly increase per-fiber capacity without requiring new fiber deployment. The research presents a systematic experimental characterization of multiband optical amplifiers—including erbium-doped, semiconductor, and bismuth-doped fiber amplifiers—to assess their performance and suitability for UWB systems. It further analyzes nonlinear impairments introduced by semiconductor optical amplifiers and demonstrates low-complexity digital pre-distortion techniques to extend the achievable power budget. Building on these findings, the dissertation experimentally demonstrates state-of-the-art unrepeated multiband transmission systems achieving real-time throughputs up to 67.2 Tb/s in C+L bands over 100 km spans and 59.2 Tb/s over 201.6 km spans. Finally, laboratory experiments and field trials validate S+C+L UWB transmission over deployed infrastructure, achieving record throughputs up to 200.5 Tb/s in controlled experiments and 158.4 Tb/s in operational networks, while providing new insights into physical impairments such as inter-channel stimulated Raman scattering in multiband wavelength-division multiplexing systems. These results demonstrate the feasibility and practical potential of adaptive multiband amplification architectures for future ultra-high-capacity optical communication networks.

Questa tesi di dottorato indaga tecniche di amplificazione ottica adattiva multibanda per abilitare sistemi di trasmissione in fibra ottica a throughput ultra-elevato. Spinta dalla rapida crescita del traffico dati globale e dall’emergere di applicazioni ad alta intensità di dati, la ricerca esplora la trasmissione a banda ultra-larga (UWB) nelle bande S, C e L come approccio scalabile per aumentare significativamente la capacità per fibra senza richiedere la posa di nuove fibre. Il lavoro presenta una caratterizzazione sperimentale sistematica di amplificatori ottici multibanda—including amplificatori a fibra drogata con erbio, amplificatori a semiconduttore e amplificatori a fibra drogata con bismuto—per valutarne le prestazioni e l’idoneità ai sistemi UWB. Inoltre analizza le degradazioni non lineari introdotte dagli amplificatori ottici a semiconduttore e dimostra tecniche di pre-distorsione digitale a bassa complessità per estendere il budget di potenza ottenibile. Sulla base di questi risultati, la tesi dimostra sperimentalmente sistemi di trasmissione multibanda non rigenerata allo stato dell’arte che raggiungono throughput in tempo reale fino a 67,2 Tb/s nelle bande C+L su tratte di 100 km e 59,2 Tb/s su tratte di 201,6 km. Infine, esperimenti di laboratorio e prove sul campo convalidano la trasmissione UWB nelle bande S+C+L su infrastrutture esistenti, raggiungendo throughput record fino a 200,5 Tb/s in esperimenti controllati e 158,4 Tb/s in reti operative, fornendo al contempo nuove indicazioni sui fenomeni di degradazione fisica, come lo scattering Raman stimolato inter-canale nei sistemi di multiplazione a divisione di lunghezza d’onda multibanda. Questi risultati dimostrano la fattibilità e il potenziale pratico di architetture di amplificazione adattiva multibanda per le future reti di comunicazione ottica ad altissima capacità.