Parametric amplifiers and their system applications in optical fiber communications with phase-shift

206 Pages·2016·9.88 MB·English

by  Thomas Richter

Parametric Amplifiers and their System Applications
in Optical Fiber Communications with Phase-Shift
Keying and Quadrature-Amplitude Modulation
vorgelegt von
Master of Science
Thomas Richter
geb. in Karl-Marx-Stadt
von der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik
der TECHNISCHEN UNIVERSITÄT BERLIN
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -

genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Giuseppe Caire
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann
Prof. Dr. Peter A. Andrekson
Dr.-Ing. Ronald E. Freund

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 13. Mai 2015
Berlin 2016
D83

Danksagung
Mein herzlicher Dank gilt Herrn Professor Petermann für die Betreuung der Promotion und die
entgegengebrachte Unterstützung. Seine Fachkenntnis, Erfahrung und schnelle Auffassungsgabe
sowie anregende Fragestellungen haben wesentlich zum Gelingen der Arbeit beigetragen.
Des Weiteren bedanke ich mich bei Professor Andrekson sowie Dr. Freund für die Begutachtung
der Arbeit als auch bei Professor Caire für die Übernahme des Vorsitzes im Promotionsausschuss.
Großer Dank geht an die Kollegen der Abteilung Photonische Netze und Systeme des Fraunhofer
Instituts für Telekommunikation, Heinrich-Hertz-Institut, insbesondere der Arbeitsgruppe um
Colja Schubert. Er als auch Carsten Schmidt-Langhorst und Reinhold Ludwig haben mein
Potenzial erkannt und mich beginnend in den Tagen als Diplomand und Masterstudent mit den
mir übertragenden Tätigkeiten und Verantwortungen gefördert. Die Einbindung in verschiedene
öffentliche Projekte und Projekte mit Industriepartnern ermöglichte mir vielfältige Aktivitäten
und Erkenntnisse. Dies beinhaltet auch Forschungsarbeiten bei Projektpartnern in Japan, China,
Griechenland und Schweden, als auch die Teilnahme an diversen Konferenzen und Messen im
Ausland.
Einen großen Teil meiner Erfahrung habe ich durch die Zusammenarbeit mit Colja Schubert,
Carsten Schmidt-Langhorst, Reinhold Ludwig und Robert Elschner gewonnen. Robert Elschner
gilt besonders herzlicher Dank. Er hat mit seinen fundierten theoretischen Kenntnissen
wesentlich zu meinem Verständnis der parametrischen Prozesse beigetragen. Er war
darüberhinaus wertvoller Ansprechpartner für Diskussionen und involviert in gemeinsamen
Experimenten, die auch in die Arbeit eingeflossen sind. Viele experimentelle Untersuchungen
zur Signalverstärkung und Wellenlängenkonversion wurden durch seine theoretischen
Untersuchungen und Ergebnisse motiviert.
Ebenfalls danke ich den Kollegen Lutz Molle, Markus Nölle, Johannes Fischer, Felix Frey, Pablo
Wilke-Berenguer, Christian Meuer, Isaac Sackey, Saleem Alreesh, Dirk-Daniel Groß aus der
Arbeitsgruppe für das angenehme Arbeitsumfeld und gemeinsame Aktivitäten, und ebenso den
weiteren Kollegen aus der Abteilung. Des Weiteren danke ich den Studenten Amruta Gandhe,
Erik Liebig, Paul-Phillip Knust und Tristan Visentin.
Darüberhinaus bedanke ich mich für die wertvolle Zusammenarbeit im Rahmen des Projekts
MultiReg, was die Arbeiten zur phasen-sensitiven Verstärkung ermöglichte, bei Tobias
Röthlingshöfer und Georgy Onishchukov vom Max-Plank Insitut für die Physik des Lichts als
auch bei Prof. Schmauß von der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg.
Ich bedanke mich auch sehr bei Lars Grüner-Nielsen für die Bereitstellung von zwei der in der
Arbeit benutzten Spezialfasern, die verschiedene Untersuchungen erleichtert haben und teils
erst möglich gemacht haben.
Ein großes Dankeschön gilt meinen Eltern und Freunden.

Thomas Richter
Berlin, Dezember 2014

Abstract
In this thesis, parametric amplification based on four-wave mixing in highly nonlinear fibers and
its application in optical fiber communications is investigated. The focus of the work is on the
design, the experimental implementation as laboratory prototypes and the system-related
characterization and investigation of parametric amplifiers.
Optical signal processing based on parametric amplifiers has the potential to be applied to a
wide range of applications in future high-capacity optical fiber communication systems. This is
due to the fact that parametric amplification provides a set of basic functions which includes
amplification, frequency conversion and phase conjugation/spectral inversion. More specialized
functionality can be derived from these. In particular, parametric amplification can be realized
flexibly within and outside of the conventional frequency/wavelength ranges and is suitable for
low-noise operation. In addition, parametric amplifiers enable amplification characteristics
which are dependent on the input signal phase, so-called phase-sensitive amplification. This
includes noise-less amplification as well as the ability to quantize the optical phase of the signal
and to reduce phase distortions.
Parametric amplifiers have been already extensively investigated with regard to their
application on amplitude modulated signals. However, with respect to phase-shift keying (PSK)
and quadrature-amplitude modulated (QAM) formats, detailed experimental investigations and
verifications were still pendant at the beginning of this work. PSK formats became already widely
applied in commercial systems for fiber-based communications. This is expected to happen soon
also with QAM formats. In this regard, the presented work in this thesis provides valuable and
interesting results.
In particular, the focus of the first part of the presented work is on the realization and
characterization of amplification and frequency conversion at efficiencies up to 20 dB (factor
100). A specific claim is to realize these functions with minimal signal distortions and to study
the reason for the observed distortions. The investigations are carried out for differential binary
phase-shift keying (DBPSK), differential quaternary phase-shift keying (DQPSK) and QAM formats
up to 112 Gb/s in system experiments. An essential requirement for practical applications of
parametric amplifers is the polarization-independent operation. The implementation of a
polarization-diversity concept was realized within the thesis and characterized in detail with
112-Gb/s DQPSK. It could be shown that such amplification is possible with low degradations
while also directions for an optimization are pointed out.
The focus of the second part of the thesis is on the phase-sensitive amplification with the aim
to investigate its application for the regeneration of QAM formats. First, such a realized amplifier
was characterized with regard to the phase and amplitude response in dependence on the input
signal phase. Second, it was applied to different scenarios. It allowed for the phase and amplitude
regeneration of a 43-Gb/s DBPSK signal for which the regeneration ability was quantified.
Operation in a gain-saturated regime allowed for minimization of the intrinsic conversion of
phase-to-amplitude noise. In the application to a 2ASK-BSPSK signal, the presence of the m-ary
amplitude-shift keying modulation revealed further limitations due to the noise conversion with
respect to the tolerable input phase noise. An extension of the phase-regenerative amplifier
supports the phase-quantization of both signal quadratures (4-level phase-quantization) which
was investigated in detailed with a star-8QAM signal. Investigations were also performed with a
transmission of the star-8QAM signal over a straight 1040-km dispersion-managed link with mid-
link phase-sensitive amplification in order to test its ability to reduce the accumulation of phase
distortions. This was supported by the implementation of the parametric amplifiers as black-box
laboratory prototypes. Finally, the phase-quantizers (binary and 4-level) were applied to BPSK,
QPSK and star-8QAM signals at a symbol rate of 107 GBd which is the first experimental study of
phase-sensitive amplification at such high symbol rates. The experimental demonstrations of the
phase-quantization with more than two phase states particularly showed efficient regeneration
for the high-amplitude states.
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird parametrische Verstärkung basierend auf Vierwellenmischung in hoch-
nichtlinearen Glasfasern und deren Anwendung in der optischen fasergebundenen
Telekommunikation untersucht. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Konzeptionierung,
der experimentellen Realisierung und der systemnahen Untersuchung parametrischer
Verstärker in Form von Laborprototypen.
Optische Signalverarbeitung unter Nutzung parametrischer Verstärkung besitzt in viellerlei
Hinsicht Potenzial für die Anwendungen in zukünftigen hochratigen Kommunikationsnetzen.
Die parametrische Verstärkung bietet hierzu die Grundfunktionalitäten Verstärkung,
Frequenzumsetzung und spektrale Inversion. Weitere spezialisierte Funktionalitäten können von
diesen abgeleitet werden. Im Besonderen sind die Prozesse rauscharm und flexibel in etablierten
Wellenlängenbereichen der Telekommunikation und darüber hinaus einsetzbar. Parametrische
Verstärker ermöglichen darüber hinaus Verstärkungeigenschaften, welche abhängig von der
Eingangssignalphase sind, sogenannte phasen-empfindliche Verstärkung. Dies ermöglicht eine
Rauschaddition, die unterhalb gewöhnlicher Verstärker liegt und prinzipiell rauschfrei sein
kann, als auch die Möglichkeit die Signalphase zu quantisieren und Störungen in der Signalphase
direkt zu reduzieren.
Parametrische Verstärker wurden bereits weitreichend mit deren Anwendung auf
amplitudenmodulierte Signale untersucht. Hingegen existierten für deren Anwendung auf
komplexe phasenmodulierte und quadratur-amplituden modulierte (QAM) Signale, d.h. Signale
mit mehreren Phasen und Amplitudenzuständen, zu Beginn der Arbeit wenig bis gar keine
verifizierten Erkenntnisse. Phasenmodulierte Signale werden bereits weitreichend in optischen
Netzen zur Datenübertragung eingesetzt. Bei QAM-Formaten ist der zeitnahe Einzug in
kommerziellen Systemen abzusehen. Daraus ergab sich die Motivation, sich in dieser Arbeit auf
komplexe Modulationsformate zu konzentrieren. Die vorliegende Arbeit liefert in dieser Hinsicht
wertvolle Ergebnisse.
Konkret liegt der Fokus im ersten Teil der Arbeit auf der Realisierung und der Untersuchung
von Signalverstärkung und Frequenzumsetzung mit hohen Effizienzen von bis zu 20 dB (Faktor
100). Hier besteht der Anspruch diese mit geringsten Signalstörungen zu realisieren und
Ursachen für Signalstörungen zu beleuchten. Die Untersuchungen wurden mit differenzieller
binärer und quaternärer Phasenumtastung (DBPSK und DQPSK) als auch 16-wertiger QAM bis
112 Gbit/s in Systemexperimenten durchgeführt. Eine wesentliche Notwendigkeit bei einem
praktischen Einsatz von parametrischen Verstärkern ist deren Polarisationsunabhängigkeit. Die
Realisierung eines Polarisations-Diversitäts-Konzepts wurde umgesetzt und mit 112 Gbit/s
DQPSK detailliert charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Verstärkung mit geringen
Signaldegradierungen möglich ist. Darüber hinaus wurden Möglichkeiten zur Optimierung
aufgezeigt.
Der Fokus im zweiten Teil der Arbeit liegt auf phasen-empfindlicher Verstärkung. Ziel war die
experimentelle Realisierung phasen-empfindlicher Verstärkung und die Untersuchung deren
Anwendung zur Regeneration von QAM-Signalen. Zunächst wurde ein solcher Verstärker
realisiert und in Bezug auf dessen Phasen- und Amplitudencharakteristik in Abhängigkeit der
Eingangssignalphase untersucht. Anschließend wurde der Regenerator in verschiedenen
Scenarien angewendet. Der Verstärker ermöglichte die Phasen- und Amplitudenregeneration
eines 43-Gbit/s DBPSK-Signals, wobei die konkrete Regenerationsfähigkeit quantifiziert wurde.
Ein Betrieb in der Verstärkungssättigung ermöglichte es, die intrinsische Konversion von
Phasenrauschen in Amplitudenrauschen zu reduzieren. In der Anwendung auf Signale mit
mehrwertiger Amplitudenmodulation wie 2ASK-BPSK beschränkte die Rauschkonversion
verstärkt die tolerierbare Eingangsphasenstörung. Eine Weiterentwicklung des Verstärkers
ermöglichte die Quantisierung der Signalphase in beiden Quadraturen welches mit 75-Gb/s
8QAM detailliert untersucht und charakterisiert wurde. Unter anderem wurde der Verstärker
auch in einer 1040-km langen Übertragungsstrecke zur Untersuchung dessen Eignung für die
Reduzierung nichtlinearer Signalstörungen eingesetzt. Die Implementierung der parametrischen
Verstärker als Black-Box-Laborprototypen ermöglichte dies. Beide phasen-empfindlichen
Verstärker-Realisierungen wurden abschließend bei der Symbolrate von 107 GBd untersucht,
was bisher im Rahmen von Untersuchungen mit phasen-sensitiven Verstärkern noch nicht
realisiert und erforscht wurde. Die experimentellen Realisierungen zur Phasenregeneration mit
mehr als zwei Phasenzuständen zeigten sich insbesondere für die QAM-Amplitudenlevel mit der
größeren Amplitude als effizient.
Contents

1 Introduction 1
1.1 Motivation ......................................................................................................................................... 1
1.2 Advanced optical signal processing .............................................................................................. 4
1.3 Objectives and outline of this work .............................................................................................. 6
2 Basics of fiber optical parametric amplifiers 9
2.1 Wavepropagation in optical fibers ................................................................................................ 9
2.2 Linear propagation effects ............................................................................................................ 11
2.3 Kerr Nonlinearity ........................................................................................................................... 13
2.4 Parametric amplification .............................................................................................................. 15
2.4.1 General description and FOPA configurations ............................................................... 15
2.4.2 Single-pump FOPA .............................................................................................................. 17
2.4.3 Dual-pump FOPA ................................................................................................................. 20
2.5 Inelastic nonlinear scattering processes .................................................................................... 23
2.6 Performance limiting aspects ...................................................................................................... 24
3 Pump-phase modulation as enabler for efficient parametric amplification 29
3.1 Suppression of stimulated Brillouin scattering ........................................................................ 29
3.2 Implementation of efficient pump-phase modulation ............................................................ 30
3.3 Compensation of idler distortions from pump-phase modulation ........................................ 35
3.3.1 Impact of pump-phase modulation ................................................................................. 35
3.3.2 Derivation of the pump-phase transfer onto the idler ................................................. 35
3.3.3 Concepts for compensation of idler spectral broadening ............................................ 36
3.3.4 Realization and characterization of optical compensation in a dual-pump FOPA .. 39
4 Polarization-independent parametric amplification and wavelength conversion 45
4.1 Introduction .................................................................................................................................... 45
4.2 Experimental setup ........................................................................................................................ 48
4.3 Experiments using the straight, polarization-dependent configuration ............................. 50
4.3.1 Basic characterization ........................................................................................................ 50
4.3.2 BER Measurements for single-polarization DQPSK ....................................................... 52
4.3.3 Basic characterization ........................................................................................................ 54
4.3.4 BER Measurements for single-polarization DQPSK ....................................................... 56
4.3.5 BER Measurements for PDM-DQPSK ................................................................................ 58
4.4 Conclusion ....................................................................................................................................... 58
5 Influence of the pump-quality on the parametric amplification of 16QAM 61
5.1 Introduction .................................................................................................................................... 61
5.2 Experimental Setup ....................................................................................................................... 62
5.3 Experiments .................................................................................................................................... 63
5.4 Conclusion ....................................................................................................................................... 67
6 Phase-sensitive parametric amplification 69
6.1 Introduction and classification .................................................................................................... 69
6.2 Phase-locking techniques .............................................................................................................. 72
7 Binary phase-quantization 77
7.1 Concept ............................................................................................................................................. 77
7.2 Analytical PSA description ............................................................................................................ 79
7.3 Implementation and experimental setup ................................................................................... 82
7.4 Basic Characterization ................................................................................................................... 84
7.5 Regeneration of 43-GBd DPSK ....................................................................................................... 91
7.6 Regeneration of 20-GBd 2ASK-BPSK ............................................................................................ 97
8 Multi-level phase quantization 105
8.1 Concept ........................................................................................................................................... 105
8.2 Implementation ............................................................................................................................ 108
8.3 Conceptional modifications ........................................................................................................ 109
8.4 Experimental realization of a four-level phase quantizer ..................................................... 111
8.5 Basic characterization using a star-8QAM format ................................................................... 113
8.6 Phase-quantization in the middle of a transmission link ...................................................... 121
9 Processing of 107-GBd PSK and QAM signals 127
9.1 Introduction .................................................................................................................................. 127
9.2 Description of the 107-GBd system ............................................................................................ 128
9.3 Phase-quantization of 107-GBd BPSK with Nyquist pulse-shape .......................................... 130
9.4 107-GBd QPSK phase quantization ............................................................................................. 135
9.5 107-GBd star-8QAM phase quantization ................................................................................... 138
9.6 Conclusion...................................................................................................................................... 140
10 Conclusions 143
10.1 Summary ........................................................................................................................................ 143
10.2 Future Perspective ........................................................................................................................ 145
Bibliography 149
Appendix
A Signal Evaluation Methods 175
B Acronyms 181
C Nomenclature 185
D Publications of the author 191