Forward Error Correcting Codes for 100 Gbit/s Optical Communication Systems

Abstract

Denne PhD afhandling omhandler design og anvendelse af fejlkorrigerende koder (Forward Error Correction – FEC) i optisk højhastighedskommunikation med transmissionshastigheder på 100 Gb/s og derover. Med den konstant voksende internettrafik er FEC blevet betragtet som en vigtig og cost-effektiv metode til forbedring af transmissionskvaliteten (quality of transmission – QoT) med henblik på at imødekomme de voksende krav til ”quality of service” (QoS). De videnskabelige resultater der præsenteres i denne afhandling tackler tre grundlægende problemer. For det første er det nødvendigt at studere fejlkorrigerende koder for at opnå det høje ”coding gain (CG)” der er brug for med en 100 Gb/s optisk forbindelse. For det andet spiller hardwareløsninger med lav kompleksitet og lavt energiforbrug en vigtig rolle i næste genrations energi-effektive netværk. For det tredje kræves en samlet undersøgelse af kommunikationssystemer med FEC da fordelingen af transmissionsfejl afgøres af mange forskellige faktorer som fx ulineariteter i langdistance fiberoptiske forbindelser, krydstale i WDM systemer og så videre.Fejlkorrektion med produktkoder er undersøgt såvel teoretisk som eksperimentelt. Den iterativ dekodningsmetode der er anvendt til fejlkorrigerende koder i en produktkode struktur kan effektivt reducere bitfejlsandsynligheden (Bit Error Rate – BER). Forslag til dekodning ud over de teoretiske grænser (Beyond Bound Decoding – BBD) og adaptive dekodningsalgoritmer bliver præsenteret. BBD er en udvidelse der kan anvendes i visse tilfælde for yderligere at reducere BER.Transmission med FEC for kort datacenter links præsenteres. Ved hjælp af FEC og billige Vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) kan man opnå rå datahastigheder på 100 Gb/s, hvilket demonstrerer mulighederne for at konstruere et højhastigheds kortrækkende link med billige elementer.Integration af FEC i WDM link for metronetværk bliver også præsenteret. Den eksperimentelle ydeevne af FEC både i det lineære og det ulineære områder demonstreres med dual polarisation 16QAM og transmission over 741 km med WDM baseret på kohærent detektion og en rå datahastighed på 88,8 Gb/s. FEC kan kompensere i begge områder, men analyse af transmissionskanalen viser støj der ikke er additiv hvis Gaussisk. Desuden ændrer et tættere grid i WDM kurveformerne for de eksperimentelle resultater så der kræves en kraftigere fejlkorrigerende kode.Endelig præsenteres en ”proof-of-the-concept” hardware implementering. Trade-off mellem kodelængde, CG og kompleksitet kræver yderligere overvejelse af FEC system for visse anvendelser. Det adaptive kodningssystem der præsenteres er et af de få publicerede forskningsresultater der muliggør effektiv brug af båndbredde når transmissionskanalen påvirkes af mange forskellige faktorer.Som konklusion indeholder denne afhandling forslag til fejlkorrigerende koder med eksperimentelle resultater og hardwareimplementering. Det påviste høje coding gain, fleksibilitet, robusthed og mulighed for skalering understreger den vigtige rolle for FEC tekniker i næste generations højhastighed, stor kapacitet, høj ydeevne og energieffektive fiber-optiske data transmissions netværk.This PhD thesis addresses the design and application of forward error correction (FEC) in high speed optical communications at the speed of 100 Gb/s and beyond. With the ever growing internet traffic, FEC has been considered as a strong and cost-effective way to improve the quality of transmission (QoT) to meet the increasing demand on the quality of service (QoS). The scientific content presented in this thesis tackles three major research problems. Firstly, the study of FEC codes becomes essential to get a high coding gain (CG) suited for 100 Gb/s optical fiber links. Secondly, low-complexity low-power-consumption FEC hardware implementation plays an important role in the next generation energy efficient networks. Thirdly, a joint research is required for FEC integrated applications as the error distribution in channels relies on many factors such as non-linearity in long distance optical fiber links, cross-talks in wavelength division multiplexing (WDM) setups and so on.FEC with a product code structure has been investigated theoretically and experimentally. The iterative decoding method applied to FEC codes in a product code structure can effectively reduce the bit error rate (BER). Proposals on beyond bound decoding (BBD) and adaptive FEC algorithms are also presented. BBD is an add-on in some cases to help with the further reduction of the BER.FEC aided transmission in a short distance data center link is presented. With the help of FEC and a low cost vertical-cavity surfaceemitting laser (VCSEL), 100 Gb/s raw data rate is achieved, which demonstrates the possibility of building a high speed short-range link with cheap elements. FEC integration in a WDM metropolitan transmission link is also presented. The experimental performance of FEC in both linear and nonlinear regimes is demonstrated in a dual polarization (DP) 16-ary quadrature amplitude modulation (16QAM) and coherent detection based WDM transmission over 741 km at a raw data rate of 88.8 Gb/s. FEC can compensate in both regimes, but the channel analysis does not show an additive white Gaussian noise (AWGN) channel. Besides, a denser WDM grid changes the shape of the BER curve based on the analysis of the experimental results, which requires a stronger FEC code.Furthermore, a proof-of-the-concept hardware implementation is presented. The tradeoff between the code length, the CG and the complexity requires more consideration in the FEC code choice in a certain application. The presented adaptive FEC is one of the few published research results to enable the efficient bandwidth usage as the transmission channels can be affected by many factors.In conclusion, the results presented in this thesis consist of proposals on FEC codes and their associated experimental demonstration and hardware implementation. The demonstrated high CG, flexibility, robustness and scalability reveal the important role of FEC techniques in the next generation high-speed, high-capacity, high performance and energy-efficient fiber-optic data transmission networks