Shaping Strategies to Embrace Nonlinear Effects in Optical Fiber Communications
Stratégies de mise en forme pour minimiser les effets non linéaires dans les communications par fibres optiques
Résumé
The main impediment in long-distance communications is nonlinear interference (NLI), stemming from nonlinear effects in optical fibers. While Digital signal processing algorithms offer partial mitigation, the inherent nonlinear nature of the fiber, coupled with predominant dispersion effects, continues to challenge the increase of transmission throughputs. Addressing nonlinearity at the information source through signal modulation technology is at the heart of our research. Traditional modulation schemes, as spectral efficiency climbs, such as QAM, become increasingly susceptible to NLI while their Mean Squared Euclidean Distance (MSED) diminishes. While multi-dimensional (MD) modulation yields improved linear and partial nonlinear gains, it has not yet demonstrated tangible benefits. On the other hand, the emergence of probabilistic constellation shaping (PCS), preferred for its enhanced linear gain and compatibility with conventional modulation hardware and software, introduces additional NLI. Consequently, the design of nonlinear-tolerant PCS is emerging as a pivotal research direction. Our thesis begins with a novel MD modulation for uniformly distributed signals. Then, we propose a novel approach combining MD with PCS to examine performance variations. Delving into PCS, we investigate the enumerative sphere shaping distribution matcher (DM), initially from an MD stance, and design a DM optimized for nonlinear tolerance over shorter distances. Subsequently, we introduce a new NLI measurement technique, accounting for dispersion effects. Integrating this with the sequence selection framework of PCS, we achieve successful long-distance transmission with notable nonlinear gains.
Le principal obstacle aux communications longue distance est l'interférence non linéaire (NLI), résultant des effets non linéaires dans les canaux de fibres optiques. Bien que les algorithmes de traitement du signal numérique offrent une atténuation partielle, la nature intrinsèquement non linéaire, couplée aux effets de dispersion prédominants, continue de défier la fidélité de transmission. Aborder la non-linéarité directement à la source par des modulations intrinsèquement moins sensibles aux distortions non-linéaires est au coeur de notre stratégie de recherche. Les schémas traditionnels de modulation, à mesure que l'efficacité spectrale augmente, i.e formats QAM, deviennent de plus en plus sensibles à NLI et la distance euclidienne moyenne au carré (MSED) diminue. Bien que la modulation multi-dimensionnelle (MD) offre des gains linéaires améliorés et non linéaires partiels, elle est insuffisante. L'émergence de la mise en forme probabiliste de constellation (PCS), privilégiée pour son gain linéaire accru et sa compatibilité avec le matériel de modulation conventionnel, introduit une NLI supplémentaire. Par conséquent, la conception de PCS tolérante aux non-linéarités émerge comme une direction de recherche cruciale. Notre thèse commence par une nouvelle modulation MD pour les signaux uniformes. Ensuite, nous proposons une approche novatrice combinant MD avec PCS pour examiner les variations de performance. En explorant la PCS, nous étudions le coupleur de distribution de mise en forme (DM) sphérique énumérative, initialement d'un point de vue MD, et concevons un DM optimisé pour la tolérance non linéaire sur de courtes distances. Par la suite, nous introduisons une nouvelle technique de mesure d'NLI, prenant en compte les effets de dispersion. En intégrant cela au cadre de sélection de séquence de la PCS, nous réalisons une transmission longue distance réussie avec des gains non linéaires notables.
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