Ukrainian Journal of Physical Optics 

Volume 22, Issue 2, 2021
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
25-km long transmission and real-time detection of 5-GBd/s optical QPSK data using external phase-error compensation

Trong-Thuy Ha, Yong-Yuk Won and Dongsun Seo

Department of Electronics, Myongji University, Yongin, Gyonggido 17058, Korea sdsphoto@mju.ac.kr 

Download this article

Abstract. We suggest a simple new method for tracking and compensating phase errors. It enables detecting directly optical quadrature-phase shift-keying (QPSK) data after their transmission over more than 10 km, which is far beyond the coherent lengths of typical laser sources. The phase error is extracted by taking the power difference between the in-phase and quadrature-phase signals of the random QPSK data. This error is compensated by simply applying the error signal to a phase modulator located in front of a local oscillator for coherent detection. This direct phase-error compensation enables real-time detection of the QPSK data with no digital signal-processing techniques. As an experimental proof, we demonstrate for the first time a successful transmission of 5 GBd/s QPSK data through a 25-km long standard single-mode fibre. We also show that our phase-error compensation idea can be extended to transmission of wavelength-division multiplexed QPSK data.

Keywords: coherent optical communications, phase-error compensation, quadrature-phase shift keying, optical phase-locked loop

UDC: 535.41+621.391
Ukr. J. Phys. Opt. 22 92-100
doi: 10.3116/16091833/22/2/92/2021
Received: 05.02.2021

Анотація. Запропоновано простий новий метод відстеження та компенсації фазових помилок. Він дає змогу прямо детектувати дані після їхньої оптичної квадратурно-фазової маніпуляції (КФМ) та передачі на відстані понад 10 км, що набагато перевищують когерентну довжину типових лазерних джерел. Фазову помилку визначають, беручи різницю потужностей між сфазованим і квадратурно-фазованим сигналами для випадкових КФМ-даних. Цю помилку компенсують простим поданням сигналу помилки на фазовий модулятор, розташований перед локальним генератором для когерентного детектування. Така пряма компенсація фазової помилки дає змогу детектувати КФМ-дані в режимі реального часу без використання цифрових технологій обробки сигналів. Як експериментальний доказ дієвості методу, вперше продемонстровано успішну передачу КФМ-даних зі швидкістю 5 Гбод/с крізь стандартне одномодове волокно завдовжки 25 км. Показано також, що таку ідею компенсації фазових помилок можна поширити на передачу мультиплексованих КФМ-даних зі спектральним ущільненням.

Ключові слова: когерентний оптичний зв'язок, компенсація фазових помилок, квадратурно-фазова маніпуляція, оптична фазова автопідстройка
REFERENCES
  1. Kikuchi K, 2016. Fundamentals of coherent optical fiber communication. J. Lightwave Technol. 34: 157-179. doi:10.1109/JLT.2015.2463719
  2. Leven A, Kaneda N, Koc Ut-Va and Chen Y-K, 2007. Coherent receivers for practical optical communication systems. Conference on Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference, Anaheim, CA, USA, 1-3 doi:10.1109/OFC.2007.4348697
  3. Ip E, Lau A P T, Barros D J F and Kahn J M, 2008. Coherent detection in optical fiber systems. Opt. Express. 16: 753-791. doi:10.1364/OE.16.000753
  4. Colavolpe G, Foggi T, Foretieri E and Secondii M, 2011. Impact of phase noise and compensation techniques in coherent optical systems. J. Lightwave Technol. 29: 2790-2800. doi:10.1109/JLT.2011.2164237
  5. Aoyama K, Yoshioka R, Yokota N, Kobayashi W and Yasaka H, 2015. Optical negative feedback for linewidth reduction of semiconductor lasers. IEEE Photon. Technol. Lett. 27: 340-343. doi:10.1109/LPT.2014.2371074
  6. Ohtsu M and Kotajima S, 1985. Linewidth reduction of a semiconductor laser by electrical feedback. IEEE J. Quantum Electron. 21: 1905-1912. doi:10.1109/JQE.1985.1072610
  7. Tsukamoto S, Katoh K and Kikuchi K, 2006. Coherent demodulation of optical multilevel phase-shift-keying signals using homodyne detection and digital signal processing. IEEE Photon. Technol. Lett. 18: 1131-1133. doi:10.1109/LPT.2006.873921
  8. Gagnon D-S L Y, Tsukamoto S, Katoh K and Kikuchi K, 2006. Coherent detection of optical quadrature-phase-shift-keying signal with carrier phase estimation. J. Lightwave. Technol. 24: 12-21. doi:10.1109/JLT.2005.860477
  9. Xiang Zhou, Lynn E. Nelson, Peter Magill, Rejoy Isaac, Benyuan Zhu, David W Peckham, Peter I. Borel and Kenneth Carlson, 2013. High spectral efficiency 400 Gb/s transmission using PDM time-domain hybrid 32-64 QAM and training-assisted carrier recovery. J. Lightwave. Technol. 31: 999-1005. doi:10.1109/JLT.2013.2243643
  10. Li S A, Huang H, Pan Z, Yin R, Wang Y, Fang Y, Zhang Y, Bao C, Ren Y, Li Z and Yue Y, 2020. Enabling technology in high-baud-rate coherent optical communication systems. IEEE Access. 8: 111318-111329. doi:10.1109/ACCESS.2020.3003331
  11. Herzog F, Kudielka K, Eemi D and Bachtold W, 2005. Optical phase locked loop for transparent inter-satellite communications. Opt. Express. 13: 3816-3821. doi:10.1364/OPEX.13.003816
  12. Park H C, Lu M, Bloch E, Reed T, Griffith Z, Johansson L, Coldren L and Rodwell M, 2012. 40Gbit/s coherent optical receiver using a Costas loop. Opt. Express. 20: B197-B203. doi:10.1364/OE.20.00B197
  13. Liu Y, Tong S, Chang S, Song Y, Dong Y, Zhao X, Ani Z and Yui F, 2018. Design of a phase sensor applied in the optical phase-locked loop based on a high-speed coherent laser communication system. IEEE Access. 6: 22131-22139. doi:10.1109/ACCESS.2018.2828026
  14. Ha T T and Seo D, 2018. Direct demodulation of optical BPSK/QPSK signals without digital signal processing. Radioengineering. 27: 942-947. doi:10.13164/re.2018.0942
  15. Ha T T Won Y Y and Seo D, 2019. Spectral width reduction of a laser source by external phase noise compensation. Electron. Lett. 55: 703-704. doi:10.1049/el.2019.0523
  16. Tran T T, Song M J. Song M H and Seo D, 2019. Highly flat optical frequency comb generation based on pulse carving and sinusoidal phase modulation. Opt. Eng. 58: 076103. doi:10.1117/1.OE.58.7.076103
  17. Zhang J, Kim I H, Hong S J and Seo D S, 2011, High speed optical pulse train generation based on line-by-line spectral intensity coding. Ukr. J. Phys. Opt. 12: 117-126. doi:10.3116/16091833/12/3/117/2011
  18. Mazur M, Lorences-Riesgo A, Schroder J, Andrekson P A and Karlsson M, 2018. 10 Tb/s PM-64QAM self-homodyne comb-based superchannel transmission with 4% shared pilot tone overhead. J. Lightwave Technol. 36: 3176-3184. doi:10.1109/JLT.2018.2820166
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics