Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for ...

147 Pages·2016·16.45 MB·English

Wavelength converters based on four-wave mixing in
semiconductor optical amplifiers for advanced
modulation formats
Thèse
Benoît Filion
Doctorat en génie électrique
Philosophiae doctor (Ph. D.)
Québec, Canada

© Benoît Filion, 2016

Résumé
Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications
optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le
mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution
extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation
de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente,
ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer
la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation
avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde
basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de
modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin
d’améliorer leur performance.
En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation
d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion
de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à
semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des
distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur
d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en
intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance
du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de
longueur d’onde.
Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de
compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles
possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des
distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la
dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de
cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion
de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer
de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les
formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM.
iii
Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions
induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en
présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore
toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur
d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de
longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est
susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de
la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux
étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud.
Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à
quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques
de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de
communications optiques modernes à routage en longueur d’onde.

iv
Abstract
Wavelength converters are essential building blocks of future all-optical wavelength-routed optical networks.
Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers have been proposed
since they possess many of the features required for the implementation of such networks. In the literature, they
have been extensively studied in the context of direct detection optical communication systems. With the recent
emergence of commercial coherent systems together with the advances in digital signal processing, there is an
imperative need to study the performance of wavelength converters for advanced modulation formats. The
objective of this thesis is to investigate the feasibility of wavelength converters based on four-wave mixing in
semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats and subsequently propose a digital signal
processing technique that aims to improve their performance.
An experimental investigation of m-ary quadrature amplitude modulation (QAM) wavelength conversion is
first performed. In particular, wideband wavelength conversion of 10 Gbaud 16-QAM and, for the first time, 5
Gbaud 64-QAM signals is successfully achieved over the whole C-band using a commercial semiconductor
optical amplifier. The results show that the induced nonlinear distortions on the wavelength converted signal
lead to a different optimal wavelength converter operating condition compared to wavelength conversion of
intensity modulation formats. For wavelength conversion of advanced modulation formats, the tradeoff between
the wavelength converted signal power and the nonlinearities dictates the optimal wavelength converters
operating condition.
The digital signal processing capabilities of coherent receivers renders possible the compensation of the
signal impairments in the digital domain after detection. Making use of this, a digital post-compensation
technique based on a small-signal analysis of the equations governing the gain dynamics of semiconductor
optical amplifiers is developed in order to mitigate the nonlinear distortions imposed on the wavelength converted
signal. The proof of concept is realized both via numerical simulations and experimental measurements of 10
Gbaud 16-QAM and 5 Gbaud 64-QAM: the post-compensation technique significantly improve the wavelength
converter especially in the case of high-order advanced modulation formats such as 64-QAM.
Finally, a thorough experimental investigation of the post-compensation technique performance for 5 Gbaud
64-QAM wavelength conversion is done. The results indicate that the signal quality is still improved even in the
presence of a noisy signal at the wavelength converter input. Furthermore, it is shown that the optimal
wavelength converter operating condition varies upon the amount of optical loss that follows. In a wavelength-
routed optical network, the signal will likely pass through multiple wavelength conversion stages. The
experimental investigation is extended to cascaded wavelength conversion stages and, for the first time, dual
v
stage wavelength conversion of 5 Gbaud 64-QAM signal is performed. In this context, the proposed post-
compensation technique still successfully improves the wavelength converter performance.
The results of this thesis strongly suggest that wavelength converters based on four-wave mixing in
semiconductor optical amplifiers, together with the use of digital signal processing techniques, is a promising
candidate for advanced modulation formats wavelength conversion in future wavelength routed optical networks.

vi
Contents
Résumé ............................................................................................................................................................. iii
Abstract .............................................................................................................................................................. v
Contents ........................................................................................................................................................... vii
List of Tables .................................................................................................................................................... xi
List of Figures ................................................................................................................................................ xiii
List of Symbols ............................................................................................................................................. xvii
List of Acronyms ............................................................................................................................................ xxi
Remerciements ............................................................................................................................................. xxv
Preface ......................................................................................................................................................... xxvii
Chapter 1: Introduction .............................................................................................................................. 1
1.1. Evolution of WDM-based optical networks ........................................................................ 1
1.2. Coherent detection and advanced modulation formats .................................................. 11
1.3. Structure and objectives of thesis ..................................................................................... 15
Chapter 2: Semiconductor Optical Amplifiers ....................................................................................... 19
2.1. Historical background ....................................................................................................... 19
2.2. Basic principles .................................................................................................................. 21
2.2.1. Double heterostructure ............................................................................................ 21
2.2.2. Band diagrams and recombination mechanisms ...................................................... 21
2.2.3. Gain model ................................................................................................................ 24
2.3. Optical pulse amplification ............................................................................................... 26
2.3.1. Propagation equations .............................................................................................. 27
2.3.2. Dynamic effects ......................................................................................................... 29
2.4. Ultrafast gain dynamics ..................................................................................................... 30
2.5. Wavelength converters based on SOAs ............................................................................ 31
2.5.1. Cross-gain modulation .............................................................................................. 32
2.5.2. Cross-phase modulation ........................................................................................... 35
2.5.3. Four-wave mixing ...................................................................................................... 37
2.5.3.1. Basic principles .................................................................................................. 37
2.5.3.2. Wideband wavelength conversion .................................................................... 41
2.5.3.3. Polarization insensitive wavelength conversion ............................................... 42
2.5.3.4. Wideband and polarization independent wavelength conversion ................... 45
vii
2.6. Quantum-well semiconductor optical amplifiers .............................................................. 45
2.7. Quantum-dot semiconductor optical amplifiers ............................................................... 45
Chapter 3: Wideband Wavelength Conversion of 16 Gbaud 16-QAM and 5 Gbaud 64-QAM Signals
in a Semiconductor Optical Amplifier............................................................................................................ 49
3.1. Abstract ............................................................................................................................. 49
3.2. Introduction ....................................................................................................................... 49
3.3. Principle of wavelength conversion in SOAs ..................................................................... 50
3.4. Experimental setup ........................................................................................................... 51
3.5. 16-QAM wavelength conversion ....................................................................................... 53
3.6. 64-QAM wavelength conversion ....................................................................................... 55
3.7. Conclusion ......................................................................................................................... 57
Chapter 4: Digital Post-Compensation of Nonlinear Distortions in Wavelength Conversion Based
on Four-Wave-Mixing in a Semiconductor Optical Amplifier ...................................................................... 59
4.1. Abstract ............................................................................................................................. 59
4.2. Introduction ....................................................................................................................... 59
4.3. Theory ................................................................................................................................ 61
4.3.1. Four-wave mixing small-signal theory ....................................................................... 61
4.3.2. Digital filter-based back-propagation ........................................................................ 64
4.4. Numerical simulations ....................................................................................................... 66
4.4.1. Numerical results with an ideal sampling time ......................................................... 67
4.4.2. Numerical results with a realistic sampling rate ....................................................... 70
4.5. Experimental measurements ............................................................................................ 72
4.5.1. 16-QAM wavelength conversion ............................................................................... 74
4.5.2. 64-QAM wavelength conversion ............................................................................... 75
4.6. Conclusion ......................................................................................................................... 77
4.7. Supplementary information .............................................................................................. 78
Chapter 5: Post-Compensation of Nonlinear Distortions of 64-QAM Signals in a Semiconductor
Based Wavelength Converter ......................................................................................................................... 79
5.1. Abstract ............................................................................................................................. 79
5.2. Introduction ....................................................................................................................... 79
5.3. Digital filter-based back-propagation ................................................................................ 81
5.4. Experimental setup ........................................................................................................... 83
5.5. Single stage wavelength conversion ................................................................................. 86
5.5.1. DFBP robustness against ASE noise ........................................................................... 86
viii
5.5.2. WC optimal operating condition ............................................................................... 89
5.6. Dual stage wavelength conversion ................................................................................... 93
5.7. Conclusion ......................................................................................................................... 95
Conclusion ....................................................................................................................................................... 97
References ....................................................................................................................................................... 99
Appendix A .................................................................................................................................................... 109
A.1. SOA parameters extraction I ................................................................................................ 109
Appendix B .................................................................................................................................................... 111
B.1 Derivation of (36)-(39) .......................................................................................................... 111
B.2 Derivation of (39) .................................................................................................................. 113
B.3 Derivation of (40) .................................................................................................................. 114
B.4 Derivation of (46)-(48) .......................................................................................................... 115
B.5 Derivation of (53)-(55) .......................................................................................................... 116
B.6 Derivation of (58) .................................................................................................................. 118
Appendix C .................................................................................................................................................... 119
C.1. SOA parameters extraction II ............................................................................................... 119

ix