Power Consumption and Joint Signal Processing in Fiber-Optical Communication
Doktorsavhandling, 2019

The power consumption of coherent fiber-optical communication systems is becoming increasingly important, for both environmental and economic reasons. The data traffic on the Internet is increasing at a faster pace than that at which optical network equipment is becoming more energy efficient, which means that the overall power consumption of the Internet is increasing. In addition, wasted energy leads to higher costs for network operators, through increased electricity expenses but also because the heat generated in the equipment limits how closely it can be packed.

This thesis includes both power consumption modelling and trade-off studies, as well as investigations of novel schemes for joint signal processing that may lead to an improved energy efficiency and increased performance in future systems. The power consumption modelling part includes a model of optical amplifier power consumption, which is connected to a performance model based on the Gaussian-noise model. Using these models, the trade-offs between amplifier power consumption and the choice of modulation format and forward-error-correction (FEC) scheme can be analyzed. Furthermore, the power consumption for a coherent link with minimal digital signal processing (DSP) is studied as well.

In the second part we investigate joint signal processing for phase-coherent superchannel systems based on optical frequency combs or multicore fiber. We find that the phase-coherence of optical frequency comb lines enables joint carrier recovery, which can increase performance and reduce the power consumption of the digital signal processing. The possible power consumption savings are quantified for a blind phase search method for phase tracking. Finally, we quantify the performance of joint carrier recovery for wavelength division multiplexed multicore fiber transmission in presence of nonlinear interference and inter-core skew.

coherent detection

erbium-doped fiber amplifier

phase-tracking

optical amplifier

optical frequency comb

digital signal processing

carrier-recovery

spatial division multiplexing

power consumption

Fiber-optical communication

multicore fiber

Raman amplification

energy-efficiency

A423 (Kollektorn), MC2, Kemivägen 9
Opponent: Prof. John Cartledge, Department of Electrical and Computer Engineering, Queen's University, Kingston, Canada

Författare

Lars Lundberg

Chalmers, Mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), Fotonik

Frequency Comb-Based WDM Transmission Systems Enabling Joint Signal Processing

Applied Sciences,; Vol. 8(2018)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Phase Correlation Between Lines of Electro-Optical Frequency Combs

Conference on Lasers and Electro-Optics,; (2018)

Paper i proceeding

Power Consumption Analysis of Hybrid EDFA/Raman Amplifiers in Long-Haul Transmission Systems

Journal of Lightwave Technology,; Vol. 35(2017)p. 2132-2142

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Power Consumption of a Minimal-DSP Coherent Link with a Polarization Multiplexed Pilot-Tone

42nd European Conference and Exhibition on Optical Communications, September 18-22, 2016, Düsseldorf,; (2016)

Paper i proceeding

Lars Lundberg, Mikael Mazur, Ali Mirani, Benjamin Foo, Jochen Schröder, Victor Torres-Company, Magnus Karlsson, and Peter A. Andrekson, Phase-coherent lightwave communications with frequency combs

Lars Lundberg, Benjamin J. Puttnam, Rubin S. Luís, Georg Rademacher, Magnus Karlsson, Peter A. Andrekson, Yoshinari Awaji, and Naoya Wada, Master-slave carrier recovery for M-QAM multicore fiber transmission

Flerfärgat laserljus kan göra Internet snabbare och mer energieffektivt

Genom att ersätta flera enfärgade lasrar med flerfärgat ljus från en ny sorts laser kan mottagare för fiberoptiska signaler bli mer effektiva. Eftersom fiberoptisk kommunikation är en viktig del av Internet, kan det leda till snabbare och billigare uppkopplingar, och dessutom en lägre energiförbrukning.

Fiberoptisk kommunikation bygger på att skicka snabba optiska signaler genom tunna optiska fibrer av glas, och används för datakommunikation med hög överföringskapacitet över stora avstånd. Därför är fiberoptiska kommunikationssystem en viktig del av Internet. På grund av bland annat nya videoströmningstjänster som Youtube och Netflix ökar behovet av överföringskapacitet ständigt. I takt med att behovet av överföringskapacitet ökar, så ökar också energiförbrukningen hos nätverksutrustningen. En ökad energiförbrukning är ett miljöproblem, eftersom den leder till ökade koldioxidutsläpp vilket bidrar till global uppvärmning.  Men energiförbrukningen leder också till praktiska problem när man konstruerar nätverksutrustning, eftersom bortslösad energi förvandlas till värme som måste kylas bort.

Eftersom fiberoptiska kommunikationssystem är komplicerade och består av många delar är det inte självklart vilka delar som förbrukar mest energi och hur systemen ska konstrueras för att minimera energiförbrukningen. Därför har vi skapat modeller för energiförbrukningen hos optiska förstärkare och signalbehandlingselektroniken i mottagare för optiska signaler. Dessa modeller kan användas för att konstruera mer energieffektiva system.

Dessutom har vi undersökt hur signalbehandlingselektroniken kan göras mer energieffektiv i framtida system. Optiska signaler skapas genom att koda information på laserljus. För att skicka flera signaler samtidigt i en optisk fiber kan ljus med olika färger användas. I dagens system använder man flera lasrar med olika färger, så varje signal har en egen laser. I framtida system kan många signaler skapas från en speciell sorts flerfärgad laser som kallas för en optisk frekvenskam. Signaler som har skapats från samma optiska frekvenskam delar vissa egenskaper och vi har utvecklat metoder för att utnyttja det i mottagarens signalbehandling. De metoderna kan minska energiförbrukningen hos signalbehandlingselektroniken genom att flera signaler behandlas tillsammans.

Energieffektiv optisk fiberkommunikation

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, 2014-07-01 -- 2019-06-30.

Styrkeområden

Informations- och kommunikationsteknik

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Telekommunikation

Kommunikationssystem

Annan elektroteknik och elektronik

ISBN

978-91-7905-103-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4570

Technical report MC2 - Department of Microtechnology and Nanoscience, Chalmers University of Technology: 407

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

A423 (Kollektorn), MC2, Kemivägen 9

Opponent: Prof. John Cartledge, Department of Electrical and Computer Engineering, Queen's University, Kingston, Canada

Mer information

Senast uppdaterat

2019-03-12