Optical communications for long-haul, short-reach, and chip-scale distances enabled by digital signal processing

This thesis covers three topics of optical communications. First, we address long-haul fiberoptic coherent systems and propose a solution to two specific problems: polarization recovery and fiber nonlinearity. Second, we study silicon photonic devices for passive all-optical signal processing and active optical signal modulation enabling dense integration of photonics with advanced microelectronics. Finally, we address the need for faster short-reach transceivers in intra- and inter-data center networks by proposing novel modulation formats, digital signal processing algorithms, and transceiver architectures for Stokes vector modulation and demodulation. The thesis covers a large range of optical transmission distances, from long-haul to chip-scale photonics including short-reach optics for data center networks, all enabled by digital signal processing at both the transmitter and receiver. In the case of long-haul fiber-optic coherent systems, we propose a blind and fast algorithm allowing recovering the state of polarization of any Dual-Polarization square M-ary Quadrature Amplitude Modulation (DP-MQAM) format. The algorithm allows a significant reduction of the convergence time for any polarization orientation at the receiver compared to the traditional blind derotation method. We also propose a complex modulation format being a power constrained version of the Dual-Polarization-8QAM format and we analytically and experimentally demonstrate greater tolerance to nonlinear effects. For chip-scale photonic devices, the thesis contains a thorough study of wavelength multicasting using the parametric process of four-wave-mixing in a silicon-on-insulator photonic waveguide where we demonstrate a 1-to-6 multicast of a 16QAM signal and study the impact on performance of the input and output fiber-chip couplers. We also characterize the performance of the first silicon Mach-Zehnder intensity modulator enabling 112 Gb/s using 8-level intensity modulation for CMOS integrated interconnects. Finally, for optical communications targeting data center applications covering the range of 0.5 to 10 km, we present novel transceivers, modulation formats, and digital signal processing schemes for next generation single wavelength high-speed pluggables. We demonstrate the first transmission of 112 Gb/s over 10 km of single mode fiber in a silicon photonics modulator using 4-level pulse amplitude modulation (PAM), compliant with IEEE©'s new physical specifications of 56 Gbaud signaling and PAM-4 format. The thesis also reports the first demonstration of a 300 Gb/s transceiver enabled by digital to analog and analog to digital converters and novel digital signal processing algorithms where we modulate 6 bits of information per symbol on a single laser source and demodulate with a direct detection Stokes-vector receiver.We conclude this thesis with a summary of the research presented and possible future research to follow those addressed in this work.Cette thèse couvre trois aspects des communications optiques. Premièrement, nous abordons les systèmes cohérent de fibre optique à longue portée et nous proposons une solution à deux problèmes specifiques: le recouvement de la polarization au receveur et l'effet nonlinéaire dans une fibre optiqe. Deuxièmement, nous étudions les dispositifs fabriqués en silicium sur isolant pour le traitement passif de signaux optiques et la modulation active de signaux optiques permettant une intégration compacte de dispositifs photoniques avec des circuits micro-electronique avancés. Finalement, nous abordons le besoin grandissant de transcepteurs plus rapide dans les réseaux interne des centres de données et les réseaux entre centres de données. Nous proposons de nouveaux formats de modulation, des algorithms de traitement de signaux numériques et des architectures de transcepteurs pour modulation et demodulation en vecteurs Stokes. Cette thèse couvre un large éventail de distances de transmission optique, des systèmes cohérent à longue portée aux dispositif photonique sur puces, en passant par les optiques de courte portée pour les réseaux de centres de données, tous supportés par du traitement de signal numérique à l'émetteur et au récepteur.Pour les sysèmes à fibre optique de longue portée, nous proposons un algorithm aveugle et rapide permettant de recouvrir l'état de polarization de n'importe quel format carré de modulation en phase et en amplitude multiplexé sur deux polarizations (DP-MQAM). L'algorithme permet une réduction significative du temps de convergence peu importe l'orientation de la polarization au receveur, lorsque comparé à la méthode traditionnelle de dérotation aveugle de polarization. Nous proposons également un format de modulation complex étant une vesion contrainte en puissance du format de modulation DP-8QAM. Nous démontrons analytiquement et expérimentalement une tolérance accrue aux effets nonlinéaire de la fibre optique.En ce qui a trait aux dispositifs photonique sur puces, cette thèse contient une étude approfondie de la pluri-diffusion d'une longueur d'onde dans un guide d'onde photonique en silicium sur isolant à l'aide du processus parametric qu'est le mélange à quatre ondes. Nous démontrons une pluri-diffusion de la longueur d'onde de une à six copies, où cette dernière est modulée en format 16QAM. Nous étudions également l'impact sur la performance du couplage d'entrée et de sortie de la puce. Ensuite, nous caractérisons la performance du premier modulateur Mach-Zehnder sur silicium permettant la transmission de 112 Gb/s pour les prochaines générations de systèmes modulés en intensité avec détection directe.Finalement, dans la catégorie des communications optiques pour centres de données couvrant une distance entre 0.5 et 10 km, nous présentons de nouveaux transcepteurs, de nouveaux formats de modulations et de nouveaux traitements de signaux numériques pour les prochaines générations de ‘connectables' à haut débit. Nous démontrons la première transmission à 112 Gb/s sur 10 km de fibre à mode unique utilisant une modulation en amplitude à 4 niveaux à l'aide d'un modulateur Mach-Zehnder en photonique sur silicium. En dernier lieu, cette thèse expose la première demonstration d'un transcepteur à 300 Gb/s propulsé par des algorithmes de traitement de signaux numériques et des convertiseurs numériques-analogiques et analogiques-numériques. Nous modulons 6 bits d'information par symbol utilisant un seul laser source et démodulons à l'aide d'un receveur Stokes en détection directe.Nous terminons cette thèse par un résumé des travaux présentés et une ouverture sur de futures recherches pour poursuivre celles abordées dans cet ouvrage