Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

Performance Evaluation of Highly Nonlinear Fiber (HNLF) Based Optical Phase Conjugation (OPC) in Long Haul Transmission of 640 Gbps 16-QAM CO-OFDM

Performance Evaluation of Highly Nonlinear Fiber (HNLF) Based Optical Phase Conjugation (OPC) in... Article  Performance Evaluation of Highly Nonlinear Fiber (HNLF)  Based Optical Phase Conjugation (OPC) in Long Haul   Transmission of 640 Gbps 16‐QAM CO‐OFDM  Jingjing Wang, Yongtao Du, Chunhao Liang, Zhong Li and Jing Fang *  Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations & Shandong Provincial Key  Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University,  Jinan 250358, China; wjj@sdnu.edu.cn (J.W.); 2018020582@stu.sdnu.edu.cn (Y.D.); cliang@dal.ca (C.L.);  107036@sdnu.edu.cn (Z.L.)  *  Correspondence: fangjing@sdnu.edu.cn  Abstract: This paper presents the quantitative measurement through an experimental test of 640  Gbps 16‐QAM coherent‐optical orthogonal frequency‐division multiplexing (CO‐OFDM) over 800  km  optical  fiber  with  mid‐link  optical  phase  conjugation  (OPC)  using  highly  nonlinear  fiber  (HNLF). The first focus is the OPC parameter optimization, including the optimization of HNLF  length  and  signal/pump  power  that  inputs  into  OPC.  Four  different  HNLFs,  as  the  illustrative  examples,  are  investigated.  The  second  focus  is  to  investigate  the  effects  of  fiber  dispersion,  nonlinearity, and amplified spontaneous emission (ASE) noise on the long‐haul transmission of 16‐ QAM CO‐OFDM signal, and the OPC compensation efficiency. The performance evaluation focuses  on the conversion efficiency (CE), received signal constellation, Q‐factor improvement, and bit error  rate (BER) at the receiver end. Such end‐to‐end performance evaluation is important because the 16‐ QAM CO‐OFDM signal status is heterogeneous and the mitigation of transmission impairments to  Citation: Wang, J.; Du, Y.; Liang, C.;  Li, Z.; Fang, J. Performance   the  signal  is  still  unclear.  The  OPC  parametric  optimization  is  achieved  experimentally  using  Evaluation of Highly Nonlinear   commercially available HNLFs with different scenarios and the numerical results are interpreted in  Fiber (HNLF) Based Optical Phase   conjunction with simulations.  Conjugation (OPC) in Long Haul  Transmission of 640 Gbps 16‐QAM  Keywords: 16‐QAM CO‐OFDM; optical phase conjugation (OPC); four‐wave mixing (FWM); high  CO‐OFDM. Photonics 2021, 8, 45.  nonlinear fiber (HNLF); OPC parameter  https://doi.org/10.3390/  photonics8020045  Received: 23 January 2021  1. Introduction  Accepted: 8 February 2021  The optical network demands to have a transmission capacity of over 1000 Gbps, so  Published: 10 February 2021  coherent‐optical  orthogonal  frequency‐division  multiplexing  (CO‐OFDM)  as  an  Publisher’s Note: MDPI stays  advanced  modulation  scheme  is  currently  under  investigation  to  support  both  high  neutral with regard to jurisdictional  spectral efficiency and long transmission distance. The advantage of CO‐OFDM includes  claims in published maps and  seamlessly multiplexed sub‐carriers which not only offer a high spectral efficiency but  institutional affiliations.  also enable efficient channel estimation and dynamic allocation of carrier number and  data  rate  at  negligible  hardware  cost.  In  2016,  Ellis  et  al.  demonstrated  a  single‐ wavelength 400 Gbps OFDM experimental system [1]. However, due to the relatively high  peak‐to‐average power ratio, the long‐haul transmission of CO‐OFDM is constrained by  Copyright: © 2021 by the authors.  self‐phase  modulation  (SPM),  cross‐phase  modulation  (XPM),  and  four‐wave‐mixing  Licensee MDPI, Basel, Switzerland.  (FWM), which become significant under a high signal launched power [2]. From this point  This article is an open access article  of view, if high launched power is used to improve the optical signal‐to‐noise ratio (OSNR)  distributed under the terms and  and transmission distance, the nonlinear mitigation is indispensable.  conditions of the Creative Commons  There are many approaches of nonlinear compensation available in the literature.  Attribution (CC BY) license  Bharath  et al.  proposed  an  adaptive  modulation technique  to  mitigate  fiber  nonlinear  (http://creativecommons.org/licenses effects [3]. Optical phase conjugation (OPC) is an approach for nonlinear compensation in  /by/4.0/).  Photonics 2021, 8, 45. https://doi.org/10.3390/photonics8020045  www.mdpi.com/journal/photonics  Photonics 2021, 8, 45  2  of  9  long  haul  transmission  over  optical  fiber,  where  the  signal  formats  and  bit  rates  are  heterogeneous and agnostic [4,5]. OPC based on FWM benefits from the uniqueness of  signal‐transparent,  multichannel‐adaptive,  wide  bandwidth,  and  effective  in  simultaneous compensation of linear dispersion and nonlinear impairments [6,7]. OPC  combined  with  wavelength  division  multiplexing  (WDM)  to  transmit  intensity‐ modulated and phase‐modulated signals were tested in the laboratory [6]. Likewise, OPC  is  also  utilized  in  a  long‐haul  transmission  based  on  multichannel  and  agnostic  modulation‐format/bitrate  operations  [7–9].  Recently,  CO‐OFDM  has  become  increasingly popular owing to its capability to retrieve complex signals [10,11]. Whilst  considering long  haul transmission, linear dispersion and nonlinear effect in  fiber  can  distort  the  signal  [11,12].  There  are  a  number  of  digital  OPC  solutions,  including  a  semiconductor optical amplifier (SOA) [13], periodically‐poled lithium‐niobate (PPLN)‐ based guard‐band‐less optical phase conjugation [14], and silicon waveguide‐based OPC  [15]. However, such OPC solutions are inefficient for multiple sub‐channel operations in  real‐time  due  to  the  limited  available  bandwidth  of  the  components.  Besides,  the  nonlinear distortion compensation requires a large computing resource.  In practice, mid‐link OPC, also named mid‐span spectral inversion (MSSI), is utilized  to enhance the transmission quality over long haul fiber [1], where the key element for  optical phase conjugation is HNLF [2] through XPM and FWM effects. For example, mid‐ link OPC compensation is employed in 2   , 4   , and 8     28 Gbps PM‐QPSK over 100  km  fiber  [8]  and  3     20  Gbps  PAM4  over  360  km  fiber  [9].  The  numerical  results  demonstrate that OPC compensates 90% of the signal nonlinear interference, equivalent  to  2.3  dB  Q‐factor  gain  [10].  Furthermore,  mid‐link  OPC  implemented  by  wavelength  shift‐free  technique  [11]  shows  that  0.7  dB  gain  in  Q‐factor  can  be  obtained  in  the  transmission of 8     200 Gb/s polarization division multiplexed 16‐QAM over 1.6 Tb/s  fiber for 800 km. Regarding to WDM employed in long haul fiber transmission, a 64‐QAM  signal over 400 km is equipped with mid‐link OPC [16]. The numerical results show that  Q‐factor gain up to 2.5 dB can be achieved.  Nonlinear  distortion  mitigation  in  OPC  can  also  be  implemented  by  introducing  backward‐pumped  Raman  amplifier  that  allows  a  lower  input  signal  power  of  2  dB  compared with direct transmission. Dual‐order Raman based mid‐link OPC was tested in  a 256 Gb/s dual‐polarization 16‐QAM transmission over 2     50.4 km single‐mode fiber  (SMF) [17], in which the performance evaluation in Q‐factor achieved 7 dB reduction in  nonlinear threshold and 5 dB optimum launch power, respectively. H. Hu presented an  experimental test of 8    32 Gbaud PDM 16‐QAM sub‐channels over a 912 km WDM link  with  OPC  based  on  500  m  HNLF,  [18],  in  which  3  dB  nonlinear  threshold  gain  was  achieved comparing to the case of no OPC. However, the effect of HNLF length was not  discussed  [18]. L.B. Du  reported an experimental test of a 604.7 Gb/s 16‐QAM OFDM  rather than CO‐OFDM over 800 km fiber with mid‐link [19], in which 4.8 dB Q‐factor  improvement was achieved comparing to the case of no OPC. In [20], 4‐QAM CO‐OFDM  with multiple OPC  sections  was studied using an analytical model, in which  the  BER  improvements  were  investigated  for  dispersion  unmanaged  (DU)  and  dispersion  managed (DM) system, respectively.  This paper presents a case study of multiple 16‐QAM super sub‐channels over 800  km CO‐OFDM link with mid‐link OPC using HNLF. When 16‐QAM CO‐OFDM signal,  including carrier frequency and bandwidth, is given, the investigation focuses on OPC  parametric optimization, including the optimization of HNLF length and signal/pump  power that inputs into OPC, where four different HNLFs, as illustrative examples, are  considered. Furthermore, the investigation focuses on the effects of fiber dispersion, fiber  nonlinearity, and ASE noise on the transmission of 16‐QAM CO‐OFDM signal and the  compensation efficiency of using mid‐link OPC with different HNLFs. The performance  evaluation focuses on the transmission quality of 16‐QAM CO‐OFDM with mid‐link OPC,  including conversion efficiency, the received signal constellation, Q‐factor gain, and BER  at  the  receiver  end.  This  is  important  because  16‐QAM  CO‐OFDM  signal  status  is    Photonics 2021, 8, 45  3  of  9  heterogeneous  and  the  mitigation  of  transmission  impairments  to  the  signal  is  still  unclear. On the other hand, the case study of 16‐QAM CO‐OFDM with mid‐link OPC  presented in this paper is different comparing to [17–19], which focus on OPC with OPSK  [17],  WDM  link  [18],  and  OFDM  link  [19],  respectively.  Although  the  performance  evaluation in [20] focused on BER versus the signal launch power but without considering  of HNLF length and transmission distance.  2. Experiment Setup  Figure  1  shows  a  diagram  of  experimental  640  Gbps  16‐QAM  CO‐OFDM  transmission  over  800  km  fiber  with  a  mid‐link  OPC.  Likewise,  the  same  optical  simulation  system  as  the  laboratory  experimental  system  described  in  Figure  1  is  implemented on the “OPTISYSTEM 15.0” optical simulation platform [21].  Figure 1. A diagram of 16‐QAM coherent‐optical orthogonal frequency‐division multiplexing  (CO‐OFDM) transmission with mid‐link optical phase conjunction (OPC) compensation.  In  the  transmitter,  two  signal  streams  are  loaded  into  two  parallel  arbitrary  waveform generators (AWG, M8195A: Keysight, Penang, Malaysia) running at 64 GS/s  and modulated with a pair of parallel dual‐drive Mach–Zehnder modulators (MZM) with  opposite  polarity,  respectively.  The  signal  laser  has  193.1  THz  (1552.52  nm)  central  frequency and 0.3 MHz linewidths. At the output of MZM, there are in‐phase optical 16‐ QAM and quadrature‐phase optical 16‐QAM, respectively, in which each signal stream is  composed  of  80  sub‐carriers.  Two  optical  16‐QAM  signal  streams,  orthogonal  to  each  other, are coupled into a 16‐QAM CO‐OFDM stream at a bit rate of 640 Gbps. The detailed  parameters of the experiment are shown in Table 1.  Table 1. The experiment parameters.  Parameters  Value  Bit rate  640 Gbps  Maximum possible sub‐carriers  128  Number of sub‐carriers  80  Number of prefix points  10  Number of training symbols  10  Number of pilot symbols  6  The fiber link is implemented by 16 spans of 50 km standard single‐mode fiber SMF‐ 28e+  (SSMF,  Corning)  and  an  erbium‐doped  fiber  amplifier  (EDFA,  AEDFA‐18‐B‐FA:  Amonics, Hong Kong, China) of 10 dB gain per span. Variable optical attenuators (VOAs,  VOAA‐15‐40‐S/FA: OptoQuest, Saitama Prefecture, Japan) are employed at the input of  each fiber span to ensure the optical signal power symmetry throughout the system [16].  Band‐pass filter (BPF, WSS‐1000s: Finisar, Sydney, Australia) with bandwidth 0.32 nm is  used  to  minimize  the  amplified  spontaneous  emission  (ASE)  noise.  Alternatively,  a    Photonics 2021, 8, 45  4  of  9  dispersion  compensated  fiber  (DCF)  with  group  velocity  dispersion  (GVD)  of −98  ps// nm km   and  attenuation  of  0.16  dB / km   is  implemented  as  a  bypass  route  to  evaluate the effect of fiber nonlinearity on 16‐QAM CO‐OFDM signal without OPC, where  an EDFA to provide 20 dB gain in signal power and an optical BPF of 0.32 nm to minimize  the ASE noise are included for comparing with the case of using OPC under the same  conditions.  The mid‐link OPC has two inputs, including dual pump laser signals at 193.14 THz  (1552.20 nm) and the 16‐QAM CO‐OFDM signal at 193.1 THz (1552.52 nm). A polarization  beam  combiner  (PBC)  provides  orthogonal  polarization  for  the  pumps  to  achieve  polarization‐insensitive operation. To  prevent useless idles  generated  by two different  pump  frequencies,  two  pumps  with  the  same frequency  of 193.14  THz are  utilized  to  improve the phase conjugation efficiency and polarization insensitivity [4]. The optical  phase conjugation occurs at a center frequency 193.18 THz (1551.88 nm) based on FWM  which benefits from HNLF [13]:   2    (1) con pump sig At the receiver end, the 16‐QAM CO‐OFDM signal into 90° hybrid coherent detection  which consisting of a Kylia optical hybrid and balanced photodiodes to down‐convert the  optical  signal.  A  real‐time  sampling  oscilloscope  (DSO‐X  92804A  Infiniium:  Agilent,  Penang, Malaysia) running at 80 GS/s was used as the analog to digital converter (ADC).  Clearly, when 16‐QAM CO‐OFDM signal is given, the design of OPC involves the  selection of HNLF length and the optimization of signal power and pump signal power  that inputs into OPC, which are highly related to the characteristics of HNLF. Hence four  different types of HNLFs, as illustrative examples, are considered to study how to select  suitable OPC parameters based on the HNLF characteristics. As shown in Table 2, four  types of HNLFs, denoted by IDs A to D, are considered, where A represents dispersion‐ flattened  HNLF  (DF‐HNLF),  B  is  a  standard  HNLF,  C  is  HNLF  with  stable  phase‐ matching for improved nonlinear efficiency (HNLF‐SPINE), and D is specified HNLF‐ SPINE  with  a  lower  value  of  fourth‐order  fiber  dispersion  coefficients.  Note  that  the  dispersion parameters are measured by an Agilent 86037C dispersion test set [22].  Table 2. Four types of highly nonlinear fiber (HNLF) are considered for OPC.  HNLF  A  B  C  D  [] nm 1541.3  1546.7  1542.9  1545.4  Sp[/s nm km]  0.0074  0.017  0.072  0.07  [/ dB km] 0.76  0.74  0.83  0.47  nm[/W]  30.467  31.989  27.392  18.951  11 [/ Wkm ]  10.8  11.3  9.7  6.7  3. Optical Phase Conjunction (OPC) Parametric Optimization  Figures 2 and 3 illustrate the measured conversion efficiency and BERs at the receiver  end versus the signal power and the pump signal power input into OPC, respectively.  The conversion efficiency is defined as the power ratio of the resulting phase conjugate  signal to the transmitted signal.  It is  well‐known that the control of signal power and  pump  signal  power  at  the  input  of  OPC  is  an  important  approach  to  eliminate  the  nonlinear distortion such as SPM and pump stimulated Brillouin scattering (SBS) [23].  Figure  2  shows  that  the  balance  of  BER  and  conversion  efficiency  at  the  receiver  end  requires the input signal power of OPC to be −2.5, −3.3, −2.4, and 1.7 dBm for HNLF A–D,  respectively. Likewise, Figure 3 shows that the balance of BER and conversion efficiency  at the receiver end requires the pump signal power to be 23, 23, 23, and 21 dBm for HNLF  A–D, respectively.    Photonics 2021, 8, 45  5  of  9     (a)  (b)     (c)  (d)  Figure 2. Measured conversion efficiency in square symbol line and bit error rates (BERs) in  triangle symbol line versus the signal power input into OPC. (a) HNLF A; (b) HNLF B; (c) HNLF  C; (d) HNLF D.  (a)  (b)  (c)  (d)  Figure 3. Measured conversion efficiency in square symbol line and BERs in triangle symbol line  versus the pump signal power input into OPC. (a) HNLF A; (b) HNLF B; (c) HNLF C; (d) HNLF  D.      Photonics 2021, 8, 45  6  of  9  4. Performance Evaluation  Figure 4 illustrates a comparison of Q‐factor versus HNLF length for HNLF A–D,  which are obtained by simulations using “OPTISYSTEM 15.0” [21]. On other hand, Q‐ factor can be calculated from the measured BER using equation (2), which is provided by  [11].  Q() dB 20lg[ 2 erfcinv(2 BER)]  (2) Note  that  the  numerical  results  illustrated  in  Figure  4  are  obtained  under  the  conditions that the input signal power and the pump signal power of OPC are set to the  optimum values obtained by Figures 2 and 3 for HNLF A–D, respectively. Figure 4 shows  that the HNLF length corresponding to the optimum Q‐factor value for HNLF A–D is 550,  500, 750, and 800 m, respectively. Equation (3) shows that the deterioration power of OPC  is sensitive to HNLF length [2].  24 2 3 PN 3(L)PP   (3) deterioration SC pump SC 2n  where,  N is  the  number  of  sub‐carriers,    is  the  non‐linearity  factor  in  the  SC  A 0 eff HNLF, L is the length of HNLF,  P   is the pump signal power,    is the power of a  pump SC single sub‐carrier.  Figure 4. A comparison of Q‐factor versus HNLFs length.  Figure 5 illustrates the received 16‐QAM signal constellation diagrams at the receiver  end for different scenarios, where received OSNR is set up to 34 dB. The aim is to evaluate  the OPC compensation capability. It is known that fiber nonlinear effect, dispersion effect,  and ASE noise accumulated within the transmission bandwidth are the major interference  in optical transmission systems, especially in long haul transmission. After an optical BPF  of  0.32  nm  is  adapted  for  reducing  the  out‐band  ASE  noise  effect,  it  can  be  seen  that  constellation rotation obviously due to fiber nonlinearity in Figure 5a. The constellation  diagram of OPC with different HNLF scenarios as shown in Figure 5b–e demonstrates  that OPC can effectively compensate the fiber dispersion and nonlinearity. In contrast, as  shown in Figure 5a, although DCF is used for dispersion compensation, the constellation  points  are  still  scattered  compared  to  that  of  using  OPC.  It  clearly  demonstrates  that  dispersion compensation using OPC is better than that of using DCF [9].    Photonics 2021, 8, 45  7  of  9          (a) DCF compensation  (b) OPC using HNLF A  (c) OPC using HNLF B  (d) OPC using HNLF C  (e) OPC using HNLF D  Figure 5. Received 16‐QAM signal constellation diagram after 800 km transmission: (a) Dispersion compensation using  dispersion compensated fiber (DCF); (b) mid‐link OPC using 550 m HNLF A; (c) mid‐link OPC using 500 m HNLF B; (d)  mid‐link OPC using 750 m HNLF C; (e) mid‐link OPC using 800 m HNLF D.  Figure 6 shows Q‐factor versus OSNR for different HNLF scenarios. Table 3 presents  the numerical results of conversion efficiency, Q‐factor gain, and BER, where received  OSNR is 34 dB. It can be observed that the mid‐link OPC with 550 m HNLF A has Q‐factor  −4 of 9.8 dB, BER of 6.1 × 10  and conversion efficiency of −22 dB. In contrast, the mid‐link  −3 OPC with 800 m HNLF D has Q‐factor gain of 8.9 dB, BER of 2.7 × 10 , and conversion  efficiency of −22.6 dB. This can be explained by Equation (4), that the power spectrum of  OPC, denoted as P , is in direct proportion to the term ()  L   [2]  OPC PL ()  P P   (4) OPC pump SC The  mid‐link  OPC  improves  Q‐factor  of  3  dB  in  average  and  enhances  the  BER  performance nearly two orders magnitude comparing to the case of no OPC.  Figure 6. A comparison of Q‐factor gains versus optical signal‐to‐noise ratio (OSNR) after 800 km  transmission.  Table 3. A comparison of OPC performance at OSNR 34 dB.  Parameters  BER  Q [dB]  CE [dB]  -2 Without compensation  1.510   6.8 ‐  -2 With dispersion compensation fiber   7.2 ‐  110   -4 with mid‐link OPC using 550 m HNLF A  6.110   9.8 −22  -3 with mid‐link OPC using 500 m HNLF B  9.4 −22.4  1.610   -3 with mid‐link OPC using 750 m HNLF C  1.310   9.5 −20.6  -3 with mid‐link OPC using 800 m HNLF D  8.9 −22.6  2.710     Photonics 2021, 8, 45  8  of  9  5. Conclusions  This paper presents quantitative measurement through an experimental test of 640  Gbps 16‐QAM CO‐OFDM over 16    50 km optical fiber link with a mid‐link OPC, which  is implemented using FWM via HNLF. For a given 16‐QAM CO‐OFDM signal, the design  of OPC needs to focus on the selection of HNLF length and determine signal power and  pump signal power at the input of OPC, which are highly related to the characteristics of  HNLF. There are four different types of HNLFs investigated. The numerical results show  that for a given 16‐QAM CO‐OFDM signal at 193.1 THz (1552.52 nm), the optimum length  for HNLF A–D is 550, 500, 750, and 800 m, while the optimum signal power into OPC is  −2.5, −3.3, −2.4, and 1.7 dBm and the optimum pump power is 23, 23, 23, and 21 dBm,  respectively.  The  performance  evaluation  is  presented  in  terms  of  OPC  conversion  efficiency, Q‐factor improvement, received signal constellation, and BER at the receiver  end. It is important because 16‐QAM CO‐OFDM signal status is heterogeneous and the  mitigation of transmission impairment to the signal is still unclear. The study of received  16‐QAM  signal  constellation  diagrams  shows  that  OPC  plays  a  better  role  for  compensating fiber dispersion and nonlinearity effect comparing to the case of using DCF.  The numerical results show that mid‐link OPC using 550 m HNLF A provides Q‐factor of  −4 9.8 dB and BER of 6.1 × 10 , which has the Q‐factor improvement of 3 dB and nearly two  orders magnitude improvement in BER comparing to the case of no OPC. The evaluation  methodology presented in this paper provides useful information for OPC design.  Author Contributions: Data curation, J.W.; formal analysis, C.L., Z.L.; methodology, Y.D.; project  administration, J.W.; validation, C.L., Z.L.; writing—original draft, Y.D.; writing—review and  editing, J.W., Y.D., and J.F. All authors have read and agreed to the published version of the  manuscript.  Funding: This research received no external funding.  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Informed Consent Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: Data sharing is not applicable to this article.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.  References  1. Ellis,  A.D.;  Tan,  M.;  Iqbal,  M.A.;  Al‐Khateeb,  M.A.Z.;  Gordienko,  V.;  Saavedra  Mondaca,  G.;  Fabbri,  S.;  Stephens,  M.F.C.;  McCarthy,  M.E.;  Perentos,  A.;  et  al.  4  Tb/s  Transmission  Reach  Enhancement  Using  10  ×  400  Gb/s  Super‐Channels  and  Polarization  Insensitive  Dual  Band  Optical  Phase  Conjugation.  J.  Light.  Technol.  2016,  34,  1717–1723,  doi:10.1109/JLT.2016.2521430.  2. Morshed, M.; Du, L.B.; Lowery, A.J. Mid‐span spectral inversion for coherent optical OFDM systems: Fundamental limits to  performance. J. Light. Technol. 2013, 31, 58–66, doi:10.1109/JLT.2012.2227942.  3. Umasankar,  B.;  Jayalath,  A.D.S.;  Fernando,  X.  Adaptive  performance  improvement  of  OFDM  radio  over  fiber  systems.  In  Proceedings of the International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Montreal, QC, Canada, 30 July–2 August 2007;  pp. 611–614, doi:10.1109/ISSSE.2007.4294550.  4. Hu, H.; Jopson, R.M.; Gnauck, A.H.; Dinu, M.; Chandrasekhar, S.; Liu, X.; Xie, C.; Montoliu, M.; Randel, S.; McKinstrie, C.J.  Fiber nonlinearity compensation of an 8‐channel WDM PDM‐QPSK signal using multiple phase conjugations. In Proceedings  of the Optical Fiber Communication Conference OSA Technical Digest, San Francisco, CA, USA, 9–13 March 2014; pp. 8–10,  doi:10.1109/OFC.2014.6886584.  5. Liu, X.; Chraplyvy, A.R.; Winzer, P.J.; Tkach, R.W.; Chandrasekhar, S. Phase‐conjugated twin waves for communication beyond  the Kerr nonlinearity limit. Nat. Photonics 2013, 7, 560–568, doi:10.1038/nphoton.2013.109.  6. Temprana, E.; Myslivets, E.; Kuo, B.P.P.; Liu, L.; Ataie, V.; Alic, N.; Radic, S. Overcoming Kerr‐induced capacity limit in optical  fiber transmission. Science 2015, 348, 1445–1448, doi:10.1126/science.aab1781.  7. Olsson,  S.L.I.;  Corcoran,  B.;  Lundstrom,  C.;  Eriksson,  T.A.;  Karlsson,  M.;  Andrekson,  P.A.  Phase‐sensitive  amplified  transmission  links  for  improved  sensitivity  and  nonlinearity  tolerance.  J.  Light.  Technol.  2015,  33,  710–721,  doi:10.1109/JLT.2014.2367096.    Photonics 2021, 8, 45  9  of  9  8. Al‐Khateeb,  M.A.Z.;  McCarthy,  M.E.;  Sánchez,  C.;  Ellis,  A.D.  Nonlinearity  compensation  using  optical  phase  conjugation  deployed in discretely amplified transmission systems. Opt. Express 2018, 26, 23945, doi:10.1364/oe.26.023945.  9. Bottrill, K.R.H.; Taengnoi, N.; Parmigiani, F.; Richardson, D.J.; Petropoulos, P. PAM4 transmission over 360 km of fibre using  optical phase conjugation. OSA Contin. 2019, 2, 973, doi:10.1364/osac.2.000973.  10. Al‐Khateeb, M.A.Z.; Tan, M.; Iqbal, M.A.; Ali, A.; McCarthy, M.E.; Harper, P.; Ellis, A.D. Experimental demonstration of 72%  reach enhancement of 36Tbps optical transmission system using mid‐link optical phase conjugation. Opt. Express 2018, 26, 23960,  doi:10.1364/oe.26.023960.  11. Sackey, I.; Schmidt‐Langhorst, C.; Elschner, R.; Kato, T.; Tanimura, T.; Watanabe, S.; Hoshida, T.; Schubert, C. Waveband‐Shift‐ Free  Optical  Phase  Conjugator  for  Spectrally  Efficient  Fiber  Nonlinearity  Mitigation.  J.  Light.  Technol.  2018,  36,  1309–1317,  doi:10.1109/JLT.2018.2790799.  12. Solis‐Trapala, K.; Pelusi, M.; Tan, H.N.; Inoue, T.; Namiki, S. Optimized WDM Transmission Impairment Mitigation by Multiple  Phase Conjugations. J. Light. Technol. 2016, 34, 431–440, doi:10.1109/JLT.2015.2510701.  13. Sobhanan, A.; Karthik Vijay, A.M.; Lakshmi Narayanan, V.; David Koilpillai, R.; Venkitesh, D. Experimental analysis of noise  transfer in optical phase conjugation process in nonlinear SOA. In Proceedings of the Optical Fiber Communications Conference  and Exhibition (OFC), San Diego, CA, USA, 3–7 March 2019; Part F160, pp. 21–23.  14. Umeki, T.; Kazama, T.; Sano, A.; Shibahara, K.; Suzuki, K.; Abe, M.; Takenouchi, H.; Miyamoto, Y. Simultaneous nonlinearity  mitigation  in  92  ×  180‐Gbit/s  PDM‐16QAM  transmission  over  3840  km  using  PPLN‐based  guard‐band‐less  optical  phase  conjugation. Opt. Express 2016, 24, 16945, doi:10.1364/oe.24.016945.  15. Ayotte,  S.;  Xu,  S.;  Rong,  H.;  Cohen,  O.;  Paniccia,  M.J.  Dispersion  compensation  by  optical  phase  conjugation  in  silicon  waveguide. Electron. Lett. 2007, 43, 1037, doi:10.1049/el:20071506.  16. Yoshima, S.; Sun, Y.; Liu, Z.; Bottrill, K.R.H.; Parmigiani, F.; Richardson, D.J.; Petropoulos, P. Mitigation of Nonlinear Effects on  WDM QAM Signals Enabled by Optical Phase Conjugation with Efficient Bandwidth Utilization. J. Light. Technol. 2017, 35, 971– 978, doi:10.1109/JLT.2016.2623740.  17. Al‐Khateeb, M.; Tan, M.; Zhang, T.; Ellis, A.D. Combating Fiber Nonlinearity Using Dual‐Order Raman Amplification and OPC.  IEEE Photonics Technol. Lett. 2019, 31, 877–880, doi:10.1109/LPT.2019.2911131.  18. Hu, H.; Jopson, R.M.; Gnauck, A.H.; Randel, S.; Chandrasekhar, S. Fiber nonlinearity mitigation of WDM‐PDM QPSK/16‐QAM  signals  using  fiber‐optic  parametric  amplifiers  based  multiple  optical  phase  conjugations.  Opt.  Express  2017,  25,  1618,  doi:10.1364/oe.25.001618.  19. Du,  L.B.;  Morshed,  M.M.;  Lowery,  A.J.  Fiber  nonlinearity  compensation  for  OFDM  super‐channels  using  optical  phase  conjugation. Opt. Express 2012, 20, 19921, doi:10.1364/oe.20.019921.  20. Shoreh,  M.H.  Compensation  of  nonlinearity  impairments  in  coherent  optical  OFDM  systems  using  multiple  optical  phase  conjugate modules. J. Opt. Commun. Netw. 2014, 6, 549–558, doi:10.1364/JOCN.6.000549.  21. Due, B.N.; Van Dien, N.; Tan, H.N.; Nguyen‐The, Q. Nonlinearity compensation in DWDM metro systems using optical phase  conjugation. In Proceedings of the International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), Hanoi,  Vietnam, 17–19 October 2019; pp. 193–197, doi:10.1109/ATC.2019.8924529.  22. Lillieholm, M.; Galili, M.; Grüner‐Nielsen, L.; Oxenløwe, L.K. Detailed characterization of CW‐ and pulsed‐pump four‐wave  mixing in highly nonlinear fibers. Opt. Lett. 2016, 41, 4887, doi:10.1364/ol.41.004887.  23. Lu, G.‐W.; Sakamoto, T.; Kawanishi, T. Wavelength conversion of optical 64QAM through FWM in HNLF and its performance  optimization by constellation monitoring. Opt. Express 2014, 22, 15, doi:10.1364/oe.22.000015.  http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Photonics Multidisciplinary Digital Publishing Institute

Performance Evaluation of Highly Nonlinear Fiber (HNLF) Based Optical Phase Conjugation (OPC) in Long Haul Transmission of 640 Gbps 16-QAM CO-OFDM

Loading next page...
 
/lp/multidisciplinary-digital-publishing-institute/performance-evaluation-of-highly-nonlinear-fiber-hnlf-based-optical-hlsq48B1Zu

References (23)

Publisher
Multidisciplinary Digital Publishing Institute
Copyright
© 1996-2021 MDPI (Basel, Switzerland) unless otherwise stated Disclaimer The statements, opinions and data contained in the journals are solely those of the individual authors and contributors and not of the publisher and the editor(s). MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Terms and Conditions Privacy Policy
ISSN
2304-6732
DOI
10.3390/photonics8020045
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

Article  Performance Evaluation of Highly Nonlinear Fiber (HNLF)  Based Optical Phase Conjugation (OPC) in Long Haul   Transmission of 640 Gbps 16‐QAM CO‐OFDM  Jingjing Wang, Yongtao Du, Chunhao Liang, Zhong Li and Jing Fang *  Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations & Shandong Provincial Key  Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University,  Jinan 250358, China; wjj@sdnu.edu.cn (J.W.); 2018020582@stu.sdnu.edu.cn (Y.D.); cliang@dal.ca (C.L.);  107036@sdnu.edu.cn (Z.L.)  *  Correspondence: fangjing@sdnu.edu.cn  Abstract: This paper presents the quantitative measurement through an experimental test of 640  Gbps 16‐QAM coherent‐optical orthogonal frequency‐division multiplexing (CO‐OFDM) over 800  km  optical  fiber  with  mid‐link  optical  phase  conjugation  (OPC)  using  highly  nonlinear  fiber  (HNLF). The first focus is the OPC parameter optimization, including the optimization of HNLF  length  and  signal/pump  power  that  inputs  into  OPC.  Four  different  HNLFs,  as  the  illustrative  examples,  are  investigated.  The  second  focus  is  to  investigate  the  effects  of  fiber  dispersion,  nonlinearity, and amplified spontaneous emission (ASE) noise on the long‐haul transmission of 16‐ QAM CO‐OFDM signal, and the OPC compensation efficiency. The performance evaluation focuses  on the conversion efficiency (CE), received signal constellation, Q‐factor improvement, and bit error  rate (BER) at the receiver end. Such end‐to‐end performance evaluation is important because the 16‐ QAM CO‐OFDM signal status is heterogeneous and the mitigation of transmission impairments to  Citation: Wang, J.; Du, Y.; Liang, C.;  Li, Z.; Fang, J. Performance   the  signal  is  still  unclear.  The  OPC  parametric  optimization  is  achieved  experimentally  using  Evaluation of Highly Nonlinear   commercially available HNLFs with different scenarios and the numerical results are interpreted in  Fiber (HNLF) Based Optical Phase   conjunction with simulations.  Conjugation (OPC) in Long Haul  Transmission of 640 Gbps 16‐QAM  Keywords: 16‐QAM CO‐OFDM; optical phase conjugation (OPC); four‐wave mixing (FWM); high  CO‐OFDM. Photonics 2021, 8, 45.  nonlinear fiber (HNLF); OPC parameter  https://doi.org/10.3390/  photonics8020045  Received: 23 January 2021  1. Introduction  Accepted: 8 February 2021  The optical network demands to have a transmission capacity of over 1000 Gbps, so  Published: 10 February 2021  coherent‐optical  orthogonal  frequency‐division  multiplexing  (CO‐OFDM)  as  an  Publisher’s Note: MDPI stays  advanced  modulation  scheme  is  currently  under  investigation  to  support  both  high  neutral with regard to jurisdictional  spectral efficiency and long transmission distance. The advantage of CO‐OFDM includes  claims in published maps and  seamlessly multiplexed sub‐carriers which not only offer a high spectral efficiency but  institutional affiliations.  also enable efficient channel estimation and dynamic allocation of carrier number and  data  rate  at  negligible  hardware  cost.  In  2016,  Ellis  et  al.  demonstrated  a  single‐ wavelength 400 Gbps OFDM experimental system [1]. However, due to the relatively high  peak‐to‐average power ratio, the long‐haul transmission of CO‐OFDM is constrained by  Copyright: © 2021 by the authors.  self‐phase  modulation  (SPM),  cross‐phase  modulation  (XPM),  and  four‐wave‐mixing  Licensee MDPI, Basel, Switzerland.  (FWM), which become significant under a high signal launched power [2]. From this point  This article is an open access article  of view, if high launched power is used to improve the optical signal‐to‐noise ratio (OSNR)  distributed under the terms and  and transmission distance, the nonlinear mitigation is indispensable.  conditions of the Creative Commons  There are many approaches of nonlinear compensation available in the literature.  Attribution (CC BY) license  Bharath  et al.  proposed  an  adaptive  modulation technique  to  mitigate  fiber  nonlinear  (http://creativecommons.org/licenses effects [3]. Optical phase conjugation (OPC) is an approach for nonlinear compensation in  /by/4.0/).  Photonics 2021, 8, 45. https://doi.org/10.3390/photonics8020045  www.mdpi.com/journal/photonics  Photonics 2021, 8, 45  2  of  9  long  haul  transmission  over  optical  fiber,  where  the  signal  formats  and  bit  rates  are  heterogeneous and agnostic [4,5]. OPC based on FWM benefits from the uniqueness of  signal‐transparent,  multichannel‐adaptive,  wide  bandwidth,  and  effective  in  simultaneous compensation of linear dispersion and nonlinear impairments [6,7]. OPC  combined  with  wavelength  division  multiplexing  (WDM)  to  transmit  intensity‐ modulated and phase‐modulated signals were tested in the laboratory [6]. Likewise, OPC  is  also  utilized  in  a  long‐haul  transmission  based  on  multichannel  and  agnostic  modulation‐format/bitrate  operations  [7–9].  Recently,  CO‐OFDM  has  become  increasingly popular owing to its capability to retrieve complex signals [10,11]. Whilst  considering long  haul transmission, linear dispersion and nonlinear effect in  fiber  can  distort  the  signal  [11,12].  There  are  a  number  of  digital  OPC  solutions,  including  a  semiconductor optical amplifier (SOA) [13], periodically‐poled lithium‐niobate (PPLN)‐ based guard‐band‐less optical phase conjugation [14], and silicon waveguide‐based OPC  [15]. However, such OPC solutions are inefficient for multiple sub‐channel operations in  real‐time  due  to  the  limited  available  bandwidth  of  the  components.  Besides,  the  nonlinear distortion compensation requires a large computing resource.  In practice, mid‐link OPC, also named mid‐span spectral inversion (MSSI), is utilized  to enhance the transmission quality over long haul fiber [1], where the key element for  optical phase conjugation is HNLF [2] through XPM and FWM effects. For example, mid‐ link OPC compensation is employed in 2   , 4   , and 8     28 Gbps PM‐QPSK over 100  km  fiber  [8]  and  3     20  Gbps  PAM4  over  360  km  fiber  [9].  The  numerical  results  demonstrate that OPC compensates 90% of the signal nonlinear interference, equivalent  to  2.3  dB  Q‐factor  gain  [10].  Furthermore,  mid‐link  OPC  implemented  by  wavelength  shift‐free  technique  [11]  shows  that  0.7  dB  gain  in  Q‐factor  can  be  obtained  in  the  transmission of 8     200 Gb/s polarization division multiplexed 16‐QAM over 1.6 Tb/s  fiber for 800 km. Regarding to WDM employed in long haul fiber transmission, a 64‐QAM  signal over 400 km is equipped with mid‐link OPC [16]. The numerical results show that  Q‐factor gain up to 2.5 dB can be achieved.  Nonlinear  distortion  mitigation  in  OPC  can  also  be  implemented  by  introducing  backward‐pumped  Raman  amplifier  that  allows  a  lower  input  signal  power  of  2  dB  compared with direct transmission. Dual‐order Raman based mid‐link OPC was tested in  a 256 Gb/s dual‐polarization 16‐QAM transmission over 2     50.4 km single‐mode fiber  (SMF) [17], in which the performance evaluation in Q‐factor achieved 7 dB reduction in  nonlinear threshold and 5 dB optimum launch power, respectively. H. Hu presented an  experimental test of 8    32 Gbaud PDM 16‐QAM sub‐channels over a 912 km WDM link  with  OPC  based  on  500  m  HNLF,  [18],  in  which  3  dB  nonlinear  threshold  gain  was  achieved comparing to the case of no OPC. However, the effect of HNLF length was not  discussed  [18]. L.B. Du  reported an experimental test of a 604.7 Gb/s 16‐QAM OFDM  rather than CO‐OFDM over 800 km fiber with mid‐link [19], in which 4.8 dB Q‐factor  improvement was achieved comparing to the case of no OPC. In [20], 4‐QAM CO‐OFDM  with multiple OPC  sections  was studied using an analytical model, in which  the  BER  improvements  were  investigated  for  dispersion  unmanaged  (DU)  and  dispersion  managed (DM) system, respectively.  This paper presents a case study of multiple 16‐QAM super sub‐channels over 800  km CO‐OFDM link with mid‐link OPC using HNLF. When 16‐QAM CO‐OFDM signal,  including carrier frequency and bandwidth, is given, the investigation focuses on OPC  parametric optimization, including the optimization of HNLF length and signal/pump  power that inputs into OPC, where four different HNLFs, as illustrative examples, are  considered. Furthermore, the investigation focuses on the effects of fiber dispersion, fiber  nonlinearity, and ASE noise on the transmission of 16‐QAM CO‐OFDM signal and the  compensation efficiency of using mid‐link OPC with different HNLFs. The performance  evaluation focuses on the transmission quality of 16‐QAM CO‐OFDM with mid‐link OPC,  including conversion efficiency, the received signal constellation, Q‐factor gain, and BER  at  the  receiver  end.  This  is  important  because  16‐QAM  CO‐OFDM  signal  status  is    Photonics 2021, 8, 45  3  of  9  heterogeneous  and  the  mitigation  of  transmission  impairments  to  the  signal  is  still  unclear. On the other hand, the case study of 16‐QAM CO‐OFDM with mid‐link OPC  presented in this paper is different comparing to [17–19], which focus on OPC with OPSK  [17],  WDM  link  [18],  and  OFDM  link  [19],  respectively.  Although  the  performance  evaluation in [20] focused on BER versus the signal launch power but without considering  of HNLF length and transmission distance.  2. Experiment Setup  Figure  1  shows  a  diagram  of  experimental  640  Gbps  16‐QAM  CO‐OFDM  transmission  over  800  km  fiber  with  a  mid‐link  OPC.  Likewise,  the  same  optical  simulation  system  as  the  laboratory  experimental  system  described  in  Figure  1  is  implemented on the “OPTISYSTEM 15.0” optical simulation platform [21].  Figure 1. A diagram of 16‐QAM coherent‐optical orthogonal frequency‐division multiplexing  (CO‐OFDM) transmission with mid‐link optical phase conjunction (OPC) compensation.  In  the  transmitter,  two  signal  streams  are  loaded  into  two  parallel  arbitrary  waveform generators (AWG, M8195A: Keysight, Penang, Malaysia) running at 64 GS/s  and modulated with a pair of parallel dual‐drive Mach–Zehnder modulators (MZM) with  opposite  polarity,  respectively.  The  signal  laser  has  193.1  THz  (1552.52  nm)  central  frequency and 0.3 MHz linewidths. At the output of MZM, there are in‐phase optical 16‐ QAM and quadrature‐phase optical 16‐QAM, respectively, in which each signal stream is  composed  of  80  sub‐carriers.  Two  optical  16‐QAM  signal  streams,  orthogonal  to  each  other, are coupled into a 16‐QAM CO‐OFDM stream at a bit rate of 640 Gbps. The detailed  parameters of the experiment are shown in Table 1.  Table 1. The experiment parameters.  Parameters  Value  Bit rate  640 Gbps  Maximum possible sub‐carriers  128  Number of sub‐carriers  80  Number of prefix points  10  Number of training symbols  10  Number of pilot symbols  6  The fiber link is implemented by 16 spans of 50 km standard single‐mode fiber SMF‐ 28e+  (SSMF,  Corning)  and  an  erbium‐doped  fiber  amplifier  (EDFA,  AEDFA‐18‐B‐FA:  Amonics, Hong Kong, China) of 10 dB gain per span. Variable optical attenuators (VOAs,  VOAA‐15‐40‐S/FA: OptoQuest, Saitama Prefecture, Japan) are employed at the input of  each fiber span to ensure the optical signal power symmetry throughout the system [16].  Band‐pass filter (BPF, WSS‐1000s: Finisar, Sydney, Australia) with bandwidth 0.32 nm is  used  to  minimize  the  amplified  spontaneous  emission  (ASE)  noise.  Alternatively,  a    Photonics 2021, 8, 45  4  of  9  dispersion  compensated  fiber  (DCF)  with  group  velocity  dispersion  (GVD)  of −98  ps// nm km   and  attenuation  of  0.16  dB / km   is  implemented  as  a  bypass  route  to  evaluate the effect of fiber nonlinearity on 16‐QAM CO‐OFDM signal without OPC, where  an EDFA to provide 20 dB gain in signal power and an optical BPF of 0.32 nm to minimize  the ASE noise are included for comparing with the case of using OPC under the same  conditions.  The mid‐link OPC has two inputs, including dual pump laser signals at 193.14 THz  (1552.20 nm) and the 16‐QAM CO‐OFDM signal at 193.1 THz (1552.52 nm). A polarization  beam  combiner  (PBC)  provides  orthogonal  polarization  for  the  pumps  to  achieve  polarization‐insensitive operation. To  prevent useless idles  generated  by two different  pump  frequencies,  two  pumps  with  the  same frequency  of 193.14  THz are  utilized  to  improve the phase conjugation efficiency and polarization insensitivity [4]. The optical  phase conjugation occurs at a center frequency 193.18 THz (1551.88 nm) based on FWM  which benefits from HNLF [13]:   2    (1) con pump sig At the receiver end, the 16‐QAM CO‐OFDM signal into 90° hybrid coherent detection  which consisting of a Kylia optical hybrid and balanced photodiodes to down‐convert the  optical  signal.  A  real‐time  sampling  oscilloscope  (DSO‐X  92804A  Infiniium:  Agilent,  Penang, Malaysia) running at 80 GS/s was used as the analog to digital converter (ADC).  Clearly, when 16‐QAM CO‐OFDM signal is given, the design of OPC involves the  selection of HNLF length and the optimization of signal power and pump signal power  that inputs into OPC, which are highly related to the characteristics of HNLF. Hence four  different types of HNLFs, as illustrative examples, are considered to study how to select  suitable OPC parameters based on the HNLF characteristics. As shown in Table 2, four  types of HNLFs, denoted by IDs A to D, are considered, where A represents dispersion‐ flattened  HNLF  (DF‐HNLF),  B  is  a  standard  HNLF,  C  is  HNLF  with  stable  phase‐ matching for improved nonlinear efficiency (HNLF‐SPINE), and D is specified HNLF‐ SPINE  with  a  lower  value  of  fourth‐order  fiber  dispersion  coefficients.  Note  that  the  dispersion parameters are measured by an Agilent 86037C dispersion test set [22].  Table 2. Four types of highly nonlinear fiber (HNLF) are considered for OPC.  HNLF  A  B  C  D  [] nm 1541.3  1546.7  1542.9  1545.4  Sp[/s nm km]  0.0074  0.017  0.072  0.07  [/ dB km] 0.76  0.74  0.83  0.47  nm[/W]  30.467  31.989  27.392  18.951  11 [/ Wkm ]  10.8  11.3  9.7  6.7  3. Optical Phase Conjunction (OPC) Parametric Optimization  Figures 2 and 3 illustrate the measured conversion efficiency and BERs at the receiver  end versus the signal power and the pump signal power input into OPC, respectively.  The conversion efficiency is defined as the power ratio of the resulting phase conjugate  signal to the transmitted signal.  It is  well‐known that the control of signal power and  pump  signal  power  at  the  input  of  OPC  is  an  important  approach  to  eliminate  the  nonlinear distortion such as SPM and pump stimulated Brillouin scattering (SBS) [23].  Figure  2  shows  that  the  balance  of  BER  and  conversion  efficiency  at  the  receiver  end  requires the input signal power of OPC to be −2.5, −3.3, −2.4, and 1.7 dBm for HNLF A–D,  respectively. Likewise, Figure 3 shows that the balance of BER and conversion efficiency  at the receiver end requires the pump signal power to be 23, 23, 23, and 21 dBm for HNLF  A–D, respectively.    Photonics 2021, 8, 45  5  of  9     (a)  (b)     (c)  (d)  Figure 2. Measured conversion efficiency in square symbol line and bit error rates (BERs) in  triangle symbol line versus the signal power input into OPC. (a) HNLF A; (b) HNLF B; (c) HNLF  C; (d) HNLF D.  (a)  (b)  (c)  (d)  Figure 3. Measured conversion efficiency in square symbol line and BERs in triangle symbol line  versus the pump signal power input into OPC. (a) HNLF A; (b) HNLF B; (c) HNLF C; (d) HNLF  D.      Photonics 2021, 8, 45  6  of  9  4. Performance Evaluation  Figure 4 illustrates a comparison of Q‐factor versus HNLF length for HNLF A–D,  which are obtained by simulations using “OPTISYSTEM 15.0” [21]. On other hand, Q‐ factor can be calculated from the measured BER using equation (2), which is provided by  [11].  Q() dB 20lg[ 2 erfcinv(2 BER)]  (2) Note  that  the  numerical  results  illustrated  in  Figure  4  are  obtained  under  the  conditions that the input signal power and the pump signal power of OPC are set to the  optimum values obtained by Figures 2 and 3 for HNLF A–D, respectively. Figure 4 shows  that the HNLF length corresponding to the optimum Q‐factor value for HNLF A–D is 550,  500, 750, and 800 m, respectively. Equation (3) shows that the deterioration power of OPC  is sensitive to HNLF length [2].  24 2 3 PN 3(L)PP   (3) deterioration SC pump SC 2n  where,  N is  the  number  of  sub‐carriers,    is  the  non‐linearity  factor  in  the  SC  A 0 eff HNLF, L is the length of HNLF,  P   is the pump signal power,    is the power of a  pump SC single sub‐carrier.  Figure 4. A comparison of Q‐factor versus HNLFs length.  Figure 5 illustrates the received 16‐QAM signal constellation diagrams at the receiver  end for different scenarios, where received OSNR is set up to 34 dB. The aim is to evaluate  the OPC compensation capability. It is known that fiber nonlinear effect, dispersion effect,  and ASE noise accumulated within the transmission bandwidth are the major interference  in optical transmission systems, especially in long haul transmission. After an optical BPF  of  0.32  nm  is  adapted  for  reducing  the  out‐band  ASE  noise  effect,  it  can  be  seen  that  constellation rotation obviously due to fiber nonlinearity in Figure 5a. The constellation  diagram of OPC with different HNLF scenarios as shown in Figure 5b–e demonstrates  that OPC can effectively compensate the fiber dispersion and nonlinearity. In contrast, as  shown in Figure 5a, although DCF is used for dispersion compensation, the constellation  points  are  still  scattered  compared  to  that  of  using  OPC.  It  clearly  demonstrates  that  dispersion compensation using OPC is better than that of using DCF [9].    Photonics 2021, 8, 45  7  of  9          (a) DCF compensation  (b) OPC using HNLF A  (c) OPC using HNLF B  (d) OPC using HNLF C  (e) OPC using HNLF D  Figure 5. Received 16‐QAM signal constellation diagram after 800 km transmission: (a) Dispersion compensation using  dispersion compensated fiber (DCF); (b) mid‐link OPC using 550 m HNLF A; (c) mid‐link OPC using 500 m HNLF B; (d)  mid‐link OPC using 750 m HNLF C; (e) mid‐link OPC using 800 m HNLF D.  Figure 6 shows Q‐factor versus OSNR for different HNLF scenarios. Table 3 presents  the numerical results of conversion efficiency, Q‐factor gain, and BER, where received  OSNR is 34 dB. It can be observed that the mid‐link OPC with 550 m HNLF A has Q‐factor  −4 of 9.8 dB, BER of 6.1 × 10  and conversion efficiency of −22 dB. In contrast, the mid‐link  −3 OPC with 800 m HNLF D has Q‐factor gain of 8.9 dB, BER of 2.7 × 10 , and conversion  efficiency of −22.6 dB. This can be explained by Equation (4), that the power spectrum of  OPC, denoted as P , is in direct proportion to the term ()  L   [2]  OPC PL ()  P P   (4) OPC pump SC The  mid‐link  OPC  improves  Q‐factor  of  3  dB  in  average  and  enhances  the  BER  performance nearly two orders magnitude comparing to the case of no OPC.  Figure 6. A comparison of Q‐factor gains versus optical signal‐to‐noise ratio (OSNR) after 800 km  transmission.  Table 3. A comparison of OPC performance at OSNR 34 dB.  Parameters  BER  Q [dB]  CE [dB]  -2 Without compensation  1.510   6.8 ‐  -2 With dispersion compensation fiber   7.2 ‐  110   -4 with mid‐link OPC using 550 m HNLF A  6.110   9.8 −22  -3 with mid‐link OPC using 500 m HNLF B  9.4 −22.4  1.610   -3 with mid‐link OPC using 750 m HNLF C  1.310   9.5 −20.6  -3 with mid‐link OPC using 800 m HNLF D  8.9 −22.6  2.710     Photonics 2021, 8, 45  8  of  9  5. Conclusions  This paper presents quantitative measurement through an experimental test of 640  Gbps 16‐QAM CO‐OFDM over 16    50 km optical fiber link with a mid‐link OPC, which  is implemented using FWM via HNLF. For a given 16‐QAM CO‐OFDM signal, the design  of OPC needs to focus on the selection of HNLF length and determine signal power and  pump signal power at the input of OPC, which are highly related to the characteristics of  HNLF. There are four different types of HNLFs investigated. The numerical results show  that for a given 16‐QAM CO‐OFDM signal at 193.1 THz (1552.52 nm), the optimum length  for HNLF A–D is 550, 500, 750, and 800 m, while the optimum signal power into OPC is  −2.5, −3.3, −2.4, and 1.7 dBm and the optimum pump power is 23, 23, 23, and 21 dBm,  respectively.  The  performance  evaluation  is  presented  in  terms  of  OPC  conversion  efficiency, Q‐factor improvement, received signal constellation, and BER at the receiver  end. It is important because 16‐QAM CO‐OFDM signal status is heterogeneous and the  mitigation of transmission impairment to the signal is still unclear. The study of received  16‐QAM  signal  constellation  diagrams  shows  that  OPC  plays  a  better  role  for  compensating fiber dispersion and nonlinearity effect comparing to the case of using DCF.  The numerical results show that mid‐link OPC using 550 m HNLF A provides Q‐factor of  −4 9.8 dB and BER of 6.1 × 10 , which has the Q‐factor improvement of 3 dB and nearly two  orders magnitude improvement in BER comparing to the case of no OPC. The evaluation  methodology presented in this paper provides useful information for OPC design.  Author Contributions: Data curation, J.W.; formal analysis, C.L., Z.L.; methodology, Y.D.; project  administration, J.W.; validation, C.L., Z.L.; writing—original draft, Y.D.; writing—review and  editing, J.W., Y.D., and J.F. All authors have read and agreed to the published version of the  manuscript.  Funding: This research received no external funding.  Institutional Review Board Statement: Not applicable.  Informed Consent Statement: Not applicable.  Data Availability Statement: Data sharing is not applicable to this article.  Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest.  References  1. Ellis,  A.D.;  Tan,  M.;  Iqbal,  M.A.;  Al‐Khateeb,  M.A.Z.;  Gordienko,  V.;  Saavedra  Mondaca,  G.;  Fabbri,  S.;  Stephens,  M.F.C.;  McCarthy,  M.E.;  Perentos,  A.;  et  al.  4  Tb/s  Transmission  Reach  Enhancement  Using  10  ×  400  Gb/s  Super‐Channels  and  Polarization  Insensitive  Dual  Band  Optical  Phase  Conjugation.  J.  Light.  Technol.  2016,  34,  1717–1723,  doi:10.1109/JLT.2016.2521430.  2. Morshed, M.; Du, L.B.; Lowery, A.J. Mid‐span spectral inversion for coherent optical OFDM systems: Fundamental limits to  performance. J. Light. Technol. 2013, 31, 58–66, doi:10.1109/JLT.2012.2227942.  3. Umasankar,  B.;  Jayalath,  A.D.S.;  Fernando,  X.  Adaptive  performance  improvement  of  OFDM  radio  over  fiber  systems.  In  Proceedings of the International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Montreal, QC, Canada, 30 July–2 August 2007;  pp. 611–614, doi:10.1109/ISSSE.2007.4294550.  4. Hu, H.; Jopson, R.M.; Gnauck, A.H.; Dinu, M.; Chandrasekhar, S.; Liu, X.; Xie, C.; Montoliu, M.; Randel, S.; McKinstrie, C.J.  Fiber nonlinearity compensation of an 8‐channel WDM PDM‐QPSK signal using multiple phase conjugations. In Proceedings  of the Optical Fiber Communication Conference OSA Technical Digest, San Francisco, CA, USA, 9–13 March 2014; pp. 8–10,  doi:10.1109/OFC.2014.6886584.  5. Liu, X.; Chraplyvy, A.R.; Winzer, P.J.; Tkach, R.W.; Chandrasekhar, S. Phase‐conjugated twin waves for communication beyond  the Kerr nonlinearity limit. Nat. Photonics 2013, 7, 560–568, doi:10.1038/nphoton.2013.109.  6. Temprana, E.; Myslivets, E.; Kuo, B.P.P.; Liu, L.; Ataie, V.; Alic, N.; Radic, S. Overcoming Kerr‐induced capacity limit in optical  fiber transmission. Science 2015, 348, 1445–1448, doi:10.1126/science.aab1781.  7. Olsson,  S.L.I.;  Corcoran,  B.;  Lundstrom,  C.;  Eriksson,  T.A.;  Karlsson,  M.;  Andrekson,  P.A.  Phase‐sensitive  amplified  transmission  links  for  improved  sensitivity  and  nonlinearity  tolerance.  J.  Light.  Technol.  2015,  33,  710–721,  doi:10.1109/JLT.2014.2367096.    Photonics 2021, 8, 45  9  of  9  8. Al‐Khateeb,  M.A.Z.;  McCarthy,  M.E.;  Sánchez,  C.;  Ellis,  A.D.  Nonlinearity  compensation  using  optical  phase  conjugation  deployed in discretely amplified transmission systems. Opt. Express 2018, 26, 23945, doi:10.1364/oe.26.023945.  9. Bottrill, K.R.H.; Taengnoi, N.; Parmigiani, F.; Richardson, D.J.; Petropoulos, P. PAM4 transmission over 360 km of fibre using  optical phase conjugation. OSA Contin. 2019, 2, 973, doi:10.1364/osac.2.000973.  10. Al‐Khateeb, M.A.Z.; Tan, M.; Iqbal, M.A.; Ali, A.; McCarthy, M.E.; Harper, P.; Ellis, A.D. Experimental demonstration of 72%  reach enhancement of 36Tbps optical transmission system using mid‐link optical phase conjugation. Opt. Express 2018, 26, 23960,  doi:10.1364/oe.26.023960.  11. Sackey, I.; Schmidt‐Langhorst, C.; Elschner, R.; Kato, T.; Tanimura, T.; Watanabe, S.; Hoshida, T.; Schubert, C. Waveband‐Shift‐ Free  Optical  Phase  Conjugator  for  Spectrally  Efficient  Fiber  Nonlinearity  Mitigation.  J.  Light.  Technol.  2018,  36,  1309–1317,  doi:10.1109/JLT.2018.2790799.  12. Solis‐Trapala, K.; Pelusi, M.; Tan, H.N.; Inoue, T.; Namiki, S. Optimized WDM Transmission Impairment Mitigation by Multiple  Phase Conjugations. J. Light. Technol. 2016, 34, 431–440, doi:10.1109/JLT.2015.2510701.  13. Sobhanan, A.; Karthik Vijay, A.M.; Lakshmi Narayanan, V.; David Koilpillai, R.; Venkitesh, D. Experimental analysis of noise  transfer in optical phase conjugation process in nonlinear SOA. In Proceedings of the Optical Fiber Communications Conference  and Exhibition (OFC), San Diego, CA, USA, 3–7 March 2019; Part F160, pp. 21–23.  14. Umeki, T.; Kazama, T.; Sano, A.; Shibahara, K.; Suzuki, K.; Abe, M.; Takenouchi, H.; Miyamoto, Y. Simultaneous nonlinearity  mitigation  in  92  ×  180‐Gbit/s  PDM‐16QAM  transmission  over  3840  km  using  PPLN‐based  guard‐band‐less  optical  phase  conjugation. Opt. Express 2016, 24, 16945, doi:10.1364/oe.24.016945.  15. Ayotte,  S.;  Xu,  S.;  Rong,  H.;  Cohen,  O.;  Paniccia,  M.J.  Dispersion  compensation  by  optical  phase  conjugation  in  silicon  waveguide. Electron. Lett. 2007, 43, 1037, doi:10.1049/el:20071506.  16. Yoshima, S.; Sun, Y.; Liu, Z.; Bottrill, K.R.H.; Parmigiani, F.; Richardson, D.J.; Petropoulos, P. Mitigation of Nonlinear Effects on  WDM QAM Signals Enabled by Optical Phase Conjugation with Efficient Bandwidth Utilization. J. Light. Technol. 2017, 35, 971– 978, doi:10.1109/JLT.2016.2623740.  17. Al‐Khateeb, M.; Tan, M.; Zhang, T.; Ellis, A.D. Combating Fiber Nonlinearity Using Dual‐Order Raman Amplification and OPC.  IEEE Photonics Technol. Lett. 2019, 31, 877–880, doi:10.1109/LPT.2019.2911131.  18. Hu, H.; Jopson, R.M.; Gnauck, A.H.; Randel, S.; Chandrasekhar, S. Fiber nonlinearity mitigation of WDM‐PDM QPSK/16‐QAM  signals  using  fiber‐optic  parametric  amplifiers  based  multiple  optical  phase  conjugations.  Opt.  Express  2017,  25,  1618,  doi:10.1364/oe.25.001618.  19. Du,  L.B.;  Morshed,  M.M.;  Lowery,  A.J.  Fiber  nonlinearity  compensation  for  OFDM  super‐channels  using  optical  phase  conjugation. Opt. Express 2012, 20, 19921, doi:10.1364/oe.20.019921.  20. Shoreh,  M.H.  Compensation  of  nonlinearity  impairments  in  coherent  optical  OFDM  systems  using  multiple  optical  phase  conjugate modules. J. Opt. Commun. Netw. 2014, 6, 549–558, doi:10.1364/JOCN.6.000549.  21. Due, B.N.; Van Dien, N.; Tan, H.N.; Nguyen‐The, Q. Nonlinearity compensation in DWDM metro systems using optical phase  conjugation. In Proceedings of the International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), Hanoi,  Vietnam, 17–19 October 2019; pp. 193–197, doi:10.1109/ATC.2019.8924529.  22. Lillieholm, M.; Galili, M.; Grüner‐Nielsen, L.; Oxenløwe, L.K. Detailed characterization of CW‐ and pulsed‐pump four‐wave  mixing in highly nonlinear fibers. Opt. Lett. 2016, 41, 4887, doi:10.1364/ol.41.004887.  23. Lu, G.‐W.; Sakamoto, T.; Kawanishi, T. Wavelength conversion of optical 64QAM through FWM in HNLF and its performance  optimization by constellation monitoring. Opt. Express 2014, 22, 15, doi:10.1364/oe.22.000015. 

Journal

PhotonicsMultidisciplinary Digital Publishing Institute

Published: Feb 10, 2021

There are no references for this article.