Coherent terabit/s communications using chip-scale optical frequency comb sources

Der Visual Networking Index (VNI) der Firma Cisco weist für den weltweiten Internetverkehr eine durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26% aus und prognostiziert 2022 einen jährliche Datenverkehr von 4,8 Zettabyte [1]. Um diesem Anstieg des Netzwerkverkehrs zu begegnen, ist die kohärente Datenübertragung in Kombination mit sogenanntem Wellenlängenmultiplex (engl. wavelength-division multiplexing, WDM) in Langstrecken-Glasfasernetzwerken zum Standard geworden. Mit der verstärkten Nutzung von Cloud-basierten Diensten, dem wachsenden Trend, Inhalte in die Nähe der Endbenutzer zu bringen, und der steigenden Anzahl angeschlossener Geräte in sog. ... mehrInternet-of-Things-(IoT-)Szenarien, wird der Datenverkehr auf allen Netzebenen voraussichtlich weiter drastisch ansteigen. Daher wird erwartet, dass die WDM-Übertragung mittelfristig auch kürzere Verbindungen verwendet werden wird, die in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden als Langstreckenverbindungen und bei denen die Größe und die Kosten der Transceiver-Baugruppen daher wesentlich wichtiger sind. In diesem Zusammenhang werden optische Frequenzkammgeneratoren als kompakte und robuste Mehrwellenlängen-Lichtquellen eine wichtige Rolle spielen. Sie können sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite einer kohärenten WDM-Verbindung eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger oder Lokaloszillator-Signale liefern. Ein besonders wichtiger Vorteil der Frequenzkämme ist die Tatsache, dass die Spektrallinien von Natur aus äquidistant sind und durch nur zwei Parameter − die Mittenfrequenz und den freien Spektralbereich − definiert werden. Dadurch kann eine auf eine individuelle Frequenzüberwachung der einzelnen Träger verzichtet werden, und etwaige spektrale Schutzbänder zwischen benachbarten Kanälen können stark reduziert werden oder komplett wegfallen. Darüber hinaus erleichtert die inhärente Phasenbeziehung zwischen den Trägern eines Frequenzkamms die gemeinsame digitale Signalverarbeitung der WDM-Kanäle, was die Empfängerkomplexität reduzieren und darüber hinaus auch die Kompensation nichtlinearer Kanalstörungen ermöglichen kann.
Unter den verschiedenen Kammgeneratoren sind Bauteile im Chip-Format der Schlüssel für künftige WDM-Transceiver, die eine kompakte Bauform aufweisen und sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen lassen sollen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von neuartigen Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format im Hinblick auf deren Eignung für die massiv parallele WDM-Übertragung. Diese Bauteile lassen sich nicht nur als Mehrwellenlängen-Lichtquellen auf der Senderseite einsetzen, sondern bieten sich auch als Mehrwellenlängen-Lokaloszillatoren (LO) für den parallelen kohärenten Empfang mehrerer WDM-Kanäle an. Bei den untersuchten Bauteilen handelt es sich um gütegeschaltete Laserdioden (engl. Gain-Switched Laser Diodes), modengekoppelte Laserdioden auf Basis von Quantenstrich-Strukturen (Quantum-Dash Mode-Locked Laser Diodes, QD-MLLD) und sog. Kerr-Kamm-Generatoren, die optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung in Ringresonatoren hoher Güte ausnutzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Datenübertragungsexperimenten, die die Eignung der verschiedenen Kammquellen untersuchen und die in den internationalen Fachzeitschriften Nature und Optics Express veröffentlicht wurden [J1]-[J4].
Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in das Thema der optischen Datenübertragung und der zugehörigen WDM-Verfahren. In diesem Zusammenhang werden die Vorteile optischer Frequenzkämme als Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung und den WDM-Empfang erläutert. Die einige Inhalte dieses Kapitels sind dem Buchkapitel [B1] entnommen, wobei Änderungen zur Anpassung an die Struktur und Notation der vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden.
In Kapitel 2 wird eine grundlegende Einführung in optische Kommunikations-systeme mit Schwerpunkt auf Hochleistungsverbindungen gegeben, die auf WDM und kohärenten Übertragungsverfahren beruhen. Außerdem wird die integrierte Optik als wichtiges technologisches Element zum Bau kostengünstiger und kompakter WDM-Transceiver vorgestellt. Das Kapitel gibt ferner einen Überblick über verschiedene optische Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format, die sich als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für solche Transceiver anbieten, und es werden grundlegende Anforderungen an optische Frequenzkammgeneratoren formuliert, die für WDM-Anwendungen relevant sind. Das Kapitel endet mit einer vergleichenden Diskussion der verschiedenen Kammgeneratoren sowie einer Zusammenfassung ausgewählter WDM-Datenübertragungsexperimente, die mit diesen Kammgeneratoren demonstriert wurden.
In Kapitel 3 wird die kohärente WDM-Sendetechnik und der kohärente WDM-Empfang mit einer gütegeschalteten Laserdiode (GSLD) diskutiert. Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Versuchsaufbau, in dem der empfängerseitige Kammgenerator aktiv mit dem senderseitigen Generator synchronisiert wurde. Das Experiment stellt die weltweit erste Demonstration einer kohärenten WDM-Übertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s dar, bei dem synchronisierte Frequenzkämme als Mehrwellenlängen-Lichtquelle am Sender und als Mehrwellenlängen-LO am Empfänger verwendet werden.
Kapitel 4 untersucht das Potenzial von QD-MLLD als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung. Diese Kammgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Größe und des einfachen Betriebs besonders attraktiv. Die erzeugten Kammlinien weisen jedoch ein hohes Phasenrauschen auf, das die Modulationsformate in früheren Übertragungsexperimenten auf 16QAM begrenzte. In diesem Kapitel wird gezeigt, dass QD-MLLD die WDM-Übertragung mit Modulationsformaten jenseits von 16QAM unterstützen kann, wenn eine optische Rückkopplung durch einen externen Resonator zur Reduzierung des Phasenrauschens der Kammlinien verwendet wird. In den Experimenten wird eine Reduzierung der intrinsischen Linienbreite um etwa zwei Größenordnungen demonstriert, was eine 32QAM-WDM-Übertragung ermöglicht. Die Demonstration der Datenübertragung mit einer Rate von 12 Tbit/s über eine 75 km lange Faser mit einer spektralen Netto-Effizienz von 7,5 Bit/s/Hz stellt dabei die höchste für diese Bauteile gezeigte spektrale Effizienz dar.
Gegenstand von Kapitel 5 ist die WDM-Übertragung und der kohärente Empfang mit QD-MLLD vor. Die Vorteile der Skalierbarkeit von QD-MLLD für massiv parallele WDM-Verbindungen werden also nicht nur am Sender, wie in Kapitel 4 beschrieben, sondern auch am Empfänger ausgenutzt. So konnte ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 4,1 Tbit/s über eine Distanz von 75 km übertragen werden, indem ein Paar von QD-MLLD mit ähnlichen freien Spektralbereichen verwendet wurde – ein Bauteil zur Erzeugung der optischen Träger am WDM-Sender und ein weiteres Bauteil zur Bereitstellung der erforderlichen LO-Töne für den kohärenten WDM-Empfang.
Kapitel 6 beschreibt WDM-Datenübertragungsexperimente mit Hilfe von Kerr-Kamm-Generatoren. Dazu werden sog. dissipative Kerr-Solitonen (engl. dissipative Kerr solitons, DKS) in integriert-optischen Mikroresonatoren genutzt, die wegen zur Erzeugung einer streng periodischen Folge ultra-kurzer optischer Impulsen im Zeitbereich und damit zu einem breitbandigen, für WDM-Systeme sehr gut geeigneten Frequenzkamm führen. Mit diesen DKS-Kämmen wird ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 55,0 Tbit/s über eine 75 km lange Faser übertragen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies die höchste Datenrate, welche mit einer chip-basierten Frequenzkammquelle erreicht wurde. Das Ergebnis zeigt das Potenzial der Kammquellen für WDM-Übertragung. Darüber hinaus wird der kohärente Empfang von 93 WDM-Kanälen mit einer Datenrate von 37,2 Tbit/s unter Verwendung eines DKS-Kamms als Multiwellenlängen-LO demonstriert; die Übertragung erfolgt über eine 75 km lange Faser. Diese Arbeiten wurde in der international renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature publiziert.
Kapitel 7 fasst die Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Anwendung der diskutierten Kammgeneratoren in zukünftigen WDM-Systemen.

According to Cisco’s Visual Networking Index (VNI), global internet traffic is growing at a compound annual growth rate of 26% and it is expected to reach 4.8 zettabytes per year by 2022 [1]. For addressing this surge in network traffic, coherent transmission along with wavelength-division multiplexing (WDM) has become the standard in long-haul optical fiber networks. However, with the increased adoption of cloud-based services, the growing trend of moving content close to end users, and the rising number of connected devices in Internet-of-Things-(IoT-)scenarios, data traffic is expected to grow drastically across all network levels. ... mehrAs a consequence, WDM transmission is expected to also dominate shorter links, which are deployed in much larger quantities and which are much more sensitive to size and cost of the transceiver assemblies than their long-haul counterparts. In this context, optical frequency comb generators will play a key role as compact and robust multi-wavelength light sources that can provide large numbers of well-defined optical tones both at the transmitter and at the receiver side of a WDM link. A particularly important advantage of frequency combs is the fact that the comb lines are inherently equidistant in frequency and that they can be controlled by just two parameters  the center frequency and the free spectral range (FSR). This avoids frequency control of individual tones and the need for guard bands between neighboring WDM channels. In addition, the inherent phase relationship between the tones of a frequency comb facilitates joint digital signal processing of the received WDM signals, which may reduce receiver complexity and even enable compensation of nonlinear channel impairments.
Among the various comb generators, chip-scale devices are key for future WDM transceivers, which require compact footprint and that are amenable to cost-efficient mass production. These devices can be exploited not only as multi-wavelength light sources at the WDM transmitter side, but also as multi-wavelength local oscillators (LO) for parallel coherent reception of WDM signals. This thesis hence investigates three concepts for chip-scale frequency comb generators with a special emphasis on the performance of the devices in massively parallel WDM. These device concepts comprise gain-switched laser diodes (GSLD), quantum-dash mode-locked laser diodes (QD-MLLD), and microresonator-based Kerr-comb generators. The focus is on data transmission experiments, which investigate the suitability of different comb sources and which have been published in the international journals Nature and Optics Express [J1]-[J4].
Chapter 1 gives a general introduction to the topic of optical communications and wavelength-division multiplexing (WDM). In this context, we explain the advantage of using of optical frequency combs as light sources for WDM data transmission and reception. Some content in this chapter is adapted from a book chapter [B1] with the appropriate changes to fit the structure and notation of this thesis.
In Chapter 2, a basic introduction to optical communication systems with emphasis on high-capacity links that rely on WDM and coherent modulation formats is given. We also introduce photonic integration as a key element for building compact and low-cost WDM transceivers. The chapter gives an overview of different chip-scale optical frequency comb generators that lend themselves as multi-wavelength light sources for such transceivers. The chapter further formulates basic requirements on optical frequency comb generators for WDM application. A comparative discussion of the different chip-scale comb generators along with a summary of selected WDM data transmissions demonstrated with the devices concludes the chapter.
Chapter 3 discusses coherent WDM transmission and reception using a GSLD. The comb generation technique and the experimental setup are introduced. The receiver comb was actively synchronized to the transmitter comb using a closed-loop control. The work represents the first demonstration of terabit/s coherent WDM transmission using a pair of synchronized frequency combs  one as a multi-wavelength source at the transmitter and the other as a multi-wavelength LO at the receiver.
Chapter 4 explores the potential of QD-MLLD as multi-wavelength light sources for WDM data transmission. These comb generators are particularly attractive due to their compact size and simple operation. However, the generated comb lines exhibit high phase noise, which limited earlier WDM transmission demonstrations with these devices to 16QAM. The experiments described in this chapter show that QD-MLLD can support WDM transmission with modulation formats beyond 16QAM if external-cavity optical feedback is used to reduce the phase noise of the comb lines. In the experiments, a reduction of the intrinsic linewidth by approximately two orders of magnitude is demonstrated, thus enabling 32QAM WDM transmission. This allows to transmit a 12 Tbit/s data stream over a 75 km-long fiber at a net spectral efficiency of 7.5 bit/s/Hz, which is the highest spectral efficiency reported for QD-MLLD.
Chapter 5 presents coherent WDM transmission and reception using QD-MLLD. The scalability advantages of QD-MLLD for massively parallel WDM links is exploited not only at the transmitter as in Chapter 4, but also at the receiver. A data stream with a line rate of 4.1 Tbit/s could be transmitted over a distance of 75 km using a pair of QD-MLLD with similar free spectral ranges (FSR) – one device to generate the optical carriers for the WDM transmitter, and the other device to provide the required LO tones for coherent WDM reception.
Chapter 6 describes WDM data transmission and reception experiments using microresonator-based Kerr-comb generators. The demonstration relies on so-called dissipative Kerr solitons (DKS) that are generated in integrated optical microresonators and that lead to a strictly periodic sequence of short optical pulses in the time domain, corresponding to a broadband frequency comb that is well suited for WDM transmission. Using DKS combs, a data stream with a line rate of 55.0 Tbit/s is transmitted over a 75 km-long fiber. At the time of publication, this represented the highest data rate achieved with any chip-scale frequency comb source. The result shows the potential of the comb sources for WDM transmission. In addition, coherent reception of 93 WDM channels using a DKS comb as a multi-wavelength LO is demonstrated with a data rate of 37.2 Tbit/s transmitted across a 75 km long fiber.
Chapter 7 summarizes the work and gives an outlook on the application of the investigated comb generators in future WDM systems.