Directly Phase Modulated Transmitters and Coherent Recivers for Future Passive Optical Networks (PON)

En los últimos años, el tráfico de dato transmitido en las redes ópticas de acceso ha crecido exponencialmente debido a nuevos servicios como pueden ser la computación en la nube, el video online, la realidad virtual y aumentada, el internet de las cosas (IoT) y la convergencia entre las redes ópticas y redes inalámbricas en el paradigma del 5G. Estos nuevos servicios endurecen los requerimientos de las redes ópticas de acceso, como pueden ser unas tasas de datos más altas, un mayor alcance y un mayor número de usuarios. Para abordar estos requerimientos, esta tesis ha investigado, desarrollado y analizado nuevas tecnologías para transmisores y receptores orientadas a los dos tipos de redes ópticas de acceso que la comunidad científica ha identificado como posibles candidatas. Estos dos tipos de redes ópticas son las redes uDWDM y las redes TWDM como las redes NG-PON2 y sus evoluciones.Las redes uDWDM están basadas en la transmisión de tasas de datos relativamente bajas, por debajo de 2.5 Gbps, que son dedicadas en su totalidad a los usuarios finales. Estas tasas de datos relativamente bajas son multiplexadas en longitud de onda usando intervalos frecuenciales estrechos, del orden de 12.5 GHz o 6.25 GHz. En esta tesis, los transmisores modulados directamente en fase se han propuesto como posibles candidatos para estas redes uDWDM. En concreto, se han propuesto un DFB modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; un RSOA bombeado por un VCSEL y modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; y un VCSEL modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1.25 Gbps y 2.5 Gbps. Estas señales moduladas directamente en fase son recibidas con un receptor heterodino con un único fotodiodo (PD) para mantener el coste tan bajo como sea posible. La combinación de estos transmisores modulados directamente en fase con el receptor heterodino con un único PD ha sido probada como unos candidatos muy prometedores para las redes ópticas de acceso basadas en redes uDWDM. Estas combinaciones proveen sensibilidades que varían entre -39.5 dBm y -52 dBm, que se traducen en balances de potencia que van desde 38.5 dB a 51 dB y por lo tanto en ratios de división o número de usuarios de entre 128 y 1024 después de una transmisión de 50 km a través de fibra monomodo estándar (SSMF).Además, los links de 1 Gbps formados por la modulación directa de DFBs o de RSOAs bombeados por VCSELs y el receptor heterodino con un único PD son usados como enlace de subida en canales bidireccionales. Estos enlaces de subida son combinados con enlaces de bajada basados en Nyquist-DPSK generada con un MZM y recibidos con un receptor heterodino de un único PD. Como parte de análisis de los canales bidireccionales, se ha analizado el estudio de la viabilidad del uso de LOs de bajo coste, como DFBs o VCSELs, en los receptores heterodinos con un único PD. Estos canales bidireccionales son también unos candidatos prometedores para las futuras redes uDWDM, ya que en esta tesis se ha probado que pueden proveer enlaces full-duplex de 1 Gbps usando intervalos frecuenciales tan pequeños como 6.25 GHz o 5 GHz. Estos canales bidireccionales tienen balances de potencia que van desde 37 dB a 42 dB y tienen posibles ratios de división de 128 o 256 después de una transmisión de 50 km a través de SSMF.Esta tesis también ha investigado y desarrollado receptores quasicoherentes para redes NG-PON2 y sus evoluciones. Este tipo de redes están basadas en altas tasas de datos, como 10 Gbps para redes NG-PON2 y 25 Gbps para las futuras evoluciones de NG-PON2, en entornos multi longitud de onda donde los usuarios son multiplexados en tiempo y longitud de onda (TWDM). El receptor quasicoherente usa la amplificación coherente gracias a la recepción heterodina y por tanto la sensibilidad del receptor es mejorada en comparación con los esquemas de detección directa. El receptor quasicoherente es independiente a la polarización, lo cual es una característica importante para los receptores coherentes. Además, el receptor quasicoherente permite seleccionar el canal de trabajo sin la necesidad de filtros ópticos y es un receptor independiente de la longitud de onda debido a que el canal de trabajo se puede elegir ajustando la longitud de onda del LO. El receptor quasicoherente de 10 Gbps muestra una sensibilidad -35.2 dBm y por tanto permite un balance de potencias de 35.64 dB y un ratio de división de 128 después de una transmisión de 40 km a través de SSMF.La combinación del receptor quasicoherente con un ecualizador FFE/DFE permite combatir la dispersión cromática de la banda C y conseguir un link de 25 Gbps con un alcance de 20 km a través de SSMF. El receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE muestra una mejor sensibilidad de -30.5 dBm con el llamado ecualizador de altas prestaciones, lo que lleva a un balance de potencias de25 dB. Si se utilizada el llamado ecualizador de baja complejidad, la sensibilidad cae a -27 dBm y el balance de potencias cae a 23 dBm. En ambos casos, el receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE permite un ratio de división de 32 después de una transmisión de 20 km a través de SSMF.En conclusión, esta tesis ha presentado transmisores (DFB, RSOA y VCSEL) modulados directamente en fase combinados con un receptor heterodino con un único PD como potenciales candidatos para las redes uDWDM. Esta tesis también ha presentados los receptores quasicoherentes como unos candidatos muy prometedores para las redes NG-PON2 y sus futuras evoluciones.<br /

WDM/TDM PON bidirectional networks single-fiber/wavelength RSOA-based ONUs layer 1/2 optimization

This Thesis proposes the design and the optimization of a hybrid WDM/TDM PON at the L1 (PHY) and L2 (MAC) layers, in terms of minimum deployment cost and enhanced performance for Greenfield NGPON. The particular case of RSOA-based ONUs and ODN using a single-fibre/single-wavelength is deeply analysed. In this WDM/TDM PON relevant parameters are optimized. Special attention has been given at the main noise impairment in this type of networks: the Rayleigh Backscattering effect, which cannot be prevented. To understand its behaviour and mitigate its effects, a novel mathematical model for the Rayleigh Backscattering in burst mode transmission is presented for the first time, and it has been used to optimize the WDM/TDM RSOA based PON. Also, a cost-effective, simple design SCM WDM/TDM PON with rSOA-based ONU, was optimized and implemented. This prototype was successfully tested showing high performance, robustness, versatility and reliability. So, the system is able to give coverage up to 1280 users at 2.5 Gb/s / 1.25 Gb/s downstream/upstream, over 20 Km, and being compatible with the GPON ITU-T recommendation. This precedent has enabled the SARDANA network to extend the design, architecture and capabilities of a WDM/TDM PON for a long reach metro-access network (100 km). A proposal for an agile Transmission Convergence sub-layer is presented as another relevant contribution of this work. It is based on the optimization of the standards GPON and XG-PON (for compatibility), but applied to a long reach metro-access TDM/WDM PON rSOA-based network with higher client count. Finally, a proposal of physical implementation for the SARDANA layer 2 and possible configurations for SARDANA internetworking, with the metro network and core transport network, are presented

A review of gallium nitride LEDs for multi-gigabit-per-second visible light data communications

The field of visible light communications (VLC) has gained significant interest over the last decade, in both fibre and free-space embodiments. In fibre systems, the availability of low cost plastic optical fibre (POF) that is compatible with visible data communications has been a key enabler. In free-space applications, the availability of hundreds of THz of the unregulated spectrum makes VLC attractive for wireless communications. This paper provides an overview of the recent developments in VLC systems based on gallium nitride (GaN) light-emitting diodes (LEDs), covering aspects from sources to systems. The state-of-the-art technology enabling bandwidth of GaN LEDs in the range of >400 MHz is explored. Furthermore, advances in key technologies, including advanced modulation, equalisation, and multiplexing that have enabled free-space VLC data rates beyond 10 Gb/s are also outlined

Next generation optical access networks and coexistence with legacy PONs

Nowadays, Fiber-to-the-Home is one of the most promising solutions to provide broadband services in access networks. However, the fiber is inefficiently used as most of the deployed systems are still based on Time Division Multiplexing Passive Optical Networks (TDM-PONs) providing shared transmission capacities up to 2.5 Gb/s down and 1.25 Gb/s up, among multiple users. Research on high-speed electronics and Wavelength Division Multiplexing (WDM) has allowed the emergence of what is known as the second generation PON (NG-PON2), which specify aggregated capacities up to 40 Gb/s, stacking four channels at symmetric data rates of 10 Gb/s each, for residential scenarios. Nevertheless, the capacity per channel is still shared between multiple users due to the use of TDM. Moreover, the optical spectrum efficiency is low because channels are widely spaced (50 to 100 GHz). In addition, the sensitivity, reach and number of users is limited as consequence of using direct detection (DD) systems. In consequence, and due to the increase in bandwidth demands of new multimedia applications, it is necessary to propose solutions that cope with this tendency and, even more important, that can coexist with legacy systems, being one of the major requirements of network operators to guarantee a smooth and non-disruptive technology migration. In this thesis, a breakthrough technology such as Ultra-Dense WDM (UDWDM) that allows to allocate a large number of channels spaced only by a few GHz is used. This approach consent to envision the concept of Wavelength-to-the-User, where each costumer can be served with dedicated bandwidth links. The key technologies are based on coherent systems, with inherent wavelength selectivity and improved sensitivity compared to DD systems, thanks to the booster action of a tunable local oscillator (LO) laser. Because of cost is the main constraint in access networks, especially at the customer premises equipment (Optical Network Unit - ONU), in this thesis, a new class of coherent transceivers, based on low-cost direct modulated lasers and simplified receiver schemes, are proposed and experimentally tested. Moreover, the issue of coexistence is investigated through theoretical studies and real-time implementations, demonstrating full compatibility with legacy systems. Between the proposed solutions, a simple technique to adjust digitally the direct phase modulation of a distributed feedback (DFB) laser is presented to support flexible transmission rates. Next, several multilevel phase modulation formats for achieving higher transmission rates and better spectral efficiency are experimentally compared. Subsequently, the topic of photonic integration is addressed, demonstrating for the first time an 8-ary hybrid amplitude and phase modulated transmitter (Tx), by using a low-cost, small-footprint and energy efficient dual electro-absorption modulated laser (DEML). Finally, two novel proposals, to reduce the complexity of heterodyne and intradyne detection, are provided to face the typical issue of complexity and high-cost of coherent systems. The former explores the possibility of using only one DFB laser as LO and Tx at the ONU. The later demonstrates for the first time, a novel phase time diversity technique alternating phase modulation at each complex component (in-phase - I and quadrature - Q) achieving a 10 Gb/s' transmission with polarization independence.En la actualidad, la Fibra hasta el Hogar es una de las soluciones más prometedoras para proporcionar servicios de banda ancha en las redes de acceso. Sin embargo, la fibra se usa de manera poco eficiente, ya que la mayoría de los sistemas implementados todavía están basados en redes ópticas pasivas de multiplexación por división en el tiempo (TDM-PON) que brindan capacidades de transmisión compartidas entre múltiples usuarios de hasta 2.5 Gb/s y 1.25 Gb/s. La investigación en electrónica de alta velocidad y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) ha permitido el surgimiento de lo hoy se conoce como PON de segunda generación (NG-PON2), que especifica capacidades agregadas de hasta 40 Gb/s, apilando cuatro canales a velocidades de datos simétricas de 10 Gb/s cada uno, para escenarios residenciales. Sin embargo, la capacidad por canal todavía se comparte entre múltiples usuarios debido al uso de TDM. Además, la eficiencia en el uso del espectro óptico es baja porque los canales están muy separados (50 a 100 GHz). Asimismo, la sensibilidad, el alcance y el número de usuarios están limitados debido al uso de sistemas de detección directa. En consecuencia, y debido al aumento de las demandas de ancho de banda de las nuevas aplicaciones multimedia, es necesario proponer soluciones que respondan a esta tendencia y, lo que es más importante, que puedan coexistir con sistemas heredados, siendo uno de los principales requisitos de los operadores de red para garantizar una migración de tecnología fluida y sin interrupciones. En esta tesis, se utiliza una tecnología de vanguardia, como la multiplexación por división ultra densa de longitud de onda (UDWDM) que permite distribuir un gran número de canales espaciados solo por unos pocos GHz. Este enfoque permite vislumbrar el concepto de longitud de onda para el usuario, donde cada cliente puede usar enlaces de ancho de banda dedicados. Las tecnologías clave están basadas en los sistemas coherentes, con selectividad de longitud de onda inherente y sensibilidad mejorada en comparación con los sistemas de detección directa, gracias al efecto de amplificación óptica de un láser oscilador local (LO) sintonizable. Debido a que el costo es la principal restricción en las redes de acceso, especialmente del equipo en las instalaciones del cliente (unidad de red óptica - ONU), en ésta tesis, una nueva clase de transceptores coherentes, basados en láseres de bajo coste modulados directamente y esquemas de recepción simplificados, son propuestos y probados experimentalmente. Además, el problema de la coexistencia es investigado a través de estudios teóricos y experimentos en tiempo real, demostrando compatibilidad total con los sistemas heredados. Entre las soluciones propuestas, se presenta una técnica simple para ajustar digitalmente la modulación de fase directa de un láser de retroalimentación distribuida (DFB), y admitir velocidades de transmisión flexibles. Acto seguido, se comparan experimentalmente varios formatos multinivel de modulación de fase, para lograr tasas de transmisión más altas y una mejor eficiencia espectral. Posteriormente, se aborda el tema de la integración fotónica, demostrando por primera vez un transmisor (Tx) con modulación híbrida de fase y amplitud de ocho puntos, mediante el uso de un dispositivo pequeño, de bajo coste y eficiente energéticamente, como lo es el láser dual de electro-absorción modulada (DEML). Finalmente, se presentan dos propuestas novedosas para reducir la complejidad de la detección heterodina e intradina, afrontando el problema típico de la complejidad y alto coste de los sistemas coherentes. La primera explora la posibilidad de usar solo un láser DFB en la ONU, como LO y Tx. La segunda, demuestra por primera vez, una nueva técnica de diversidad fase en el tiempo, que alterna la modulación de fase en cada componente del plano complejo (fase-I y cuadratura-Q) logrando una transmisión de 10 Gb / s / λ con independencia de polarizació

Next generation optical access networks and coexistence with legacy PONs

Nowadays, Fiber-to-the-Home is one of the most promising solutions to provide broadband services in access networks. However, the fiber is inefficiently used as most of the deployed systems are still based on Time Division Multiplexing Passive Optical Networks (TDM-PONs) providing shared transmission capacities up to 2.5 Gb/s down and 1.25 Gb/s up, among multiple users. Research on high-speed electronics and Wavelength Division Multiplexing (WDM) has allowed the emergence of what is known as the second generation PON (NG-PON2), which specify aggregated capacities up to 40 Gb/s, stacking four channels at symmetric data rates of 10 Gb/s each, for residential scenarios. Nevertheless, the capacity per channel is still shared between multiple users due to the use of TDM. Moreover, the optical spectrum efficiency is low because channels are widely spaced (50 to 100 GHz). In addition, the sensitivity, reach and number of users is limited as consequence of using direct detection (DD) systems. In consequence, and due to the increase in bandwidth demands of new multimedia applications, it is necessary to propose solutions that cope with this tendency and, even more important, that can coexist with legacy systems, being one of the major requirements of network operators to guarantee a smooth and non-disruptive technology migration. In this thesis, a breakthrough technology such as Ultra-Dense WDM (UDWDM) that allows to allocate a large number of channels spaced only by a few GHz is used. This approach consent to envision the concept of Wavelength-to-the-User, where each costumer can be served with dedicated bandwidth links. The key technologies are based on coherent systems, with inherent wavelength selectivity and improved sensitivity compared to DD systems, thanks to the booster action of a tunable local oscillator (LO) laser. Because of cost is the main constraint in access networks, especially at the customer premises equipment (Optical Network Unit - ONU), in this thesis, a new class of coherent transceivers, based on low-cost direct modulated lasers and simplified receiver schemes, are proposed and experimentally tested. Moreover, the issue of coexistence is investigated through theoretical studies and real-time implementations, demonstrating full compatibility with legacy systems. Between the proposed solutions, a simple technique to adjust digitally the direct phase modulation of a distributed feedback (DFB) laser is presented to support flexible transmission rates. Next, several multilevel phase modulation formats for achieving higher transmission rates and better spectral efficiency are experimentally compared. Subsequently, the topic of photonic integration is addressed, demonstrating for the first time an 8-ary hybrid amplitude and phase modulated transmitter (Tx), by using a low-cost, small-footprint and energy efficient dual electro-absorption modulated laser (DEML). Finally, two novel proposals, to reduce the complexity of heterodyne and intradyne detection, are provided to face the typical issue of complexity and high-cost of coherent systems. The former explores the possibility of using only one DFB laser as LO and Tx at the ONU. The later demonstrates for the first time, a novel phase time diversity technique alternating phase modulation at each complex component (in-phase - I and quadrature - Q) achieving a 10 Gb/s' transmission with polarization independence.En la actualidad, la Fibra hasta el Hogar es una de las soluciones más prometedoras para proporcionar servicios de banda ancha en las redes de acceso. Sin embargo, la fibra se usa de manera poco eficiente, ya que la mayoría de los sistemas implementados todavía están basados en redes ópticas pasivas de multiplexación por división en el tiempo (TDM-PON) que brindan capacidades de transmisión compartidas entre múltiples usuarios de hasta 2.5 Gb/s y 1.25 Gb/s. La investigación en electrónica de alta velocidad y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) ha permitido el surgimiento de lo hoy se conoce como PON de segunda generación (NG-PON2), que especifica capacidades agregadas de hasta 40 Gb/s, apilando cuatro canales a velocidades de datos simétricas de 10 Gb/s cada uno, para escenarios residenciales. Sin embargo, la capacidad por canal todavía se comparte entre múltiples usuarios debido al uso de TDM. Además, la eficiencia en el uso del espectro óptico es baja porque los canales están muy separados (50 a 100 GHz). Asimismo, la sensibilidad, el alcance y el número de usuarios están limitados debido al uso de sistemas de detección directa. En consecuencia, y debido al aumento de las demandas de ancho de banda de las nuevas aplicaciones multimedia, es necesario proponer soluciones que respondan a esta tendencia y, lo que es más importante, que puedan coexistir con sistemas heredados, siendo uno de los principales requisitos de los operadores de red para garantizar una migración de tecnología fluida y sin interrupciones. En esta tesis, se utiliza una tecnología de vanguardia, como la multiplexación por división ultra densa de longitud de onda (UDWDM) que permite distribuir un gran número de canales espaciados solo por unos pocos GHz. Este enfoque permite vislumbrar el concepto de longitud de onda para el usuario, donde cada cliente puede usar enlaces de ancho de banda dedicados. Las tecnologías clave están basadas en los sistemas coherentes, con selectividad de longitud de onda inherente y sensibilidad mejorada en comparación con los sistemas de detección directa, gracias al efecto de amplificación óptica de un láser oscilador local (LO) sintonizable. Debido a que el costo es la principal restricción en las redes de acceso, especialmente del equipo en las instalaciones del cliente (unidad de red óptica - ONU), en ésta tesis, una nueva clase de transceptores coherentes, basados en láseres de bajo coste modulados directamente y esquemas de recepción simplificados, son propuestos y probados experimentalmente. Además, el problema de la coexistencia es investigado a través de estudios teóricos y experimentos en tiempo real, demostrando compatibilidad total con los sistemas heredados. Entre las soluciones propuestas, se presenta una técnica simple para ajustar digitalmente la modulación de fase directa de un láser de retroalimentación distribuida (DFB), y admitir velocidades de transmisión flexibles. Acto seguido, se comparan experimentalmente varios formatos multinivel de modulación de fase, para lograr tasas de transmisión más altas y una mejor eficiencia espectral. Posteriormente, se aborda el tema de la integración fotónica, demostrando por primera vez un transmisor (Tx) con modulación híbrida de fase y amplitud de ocho puntos, mediante el uso de un dispositivo pequeño, de bajo coste y eficiente energéticamente, como lo es el láser dual de electro-absorción modulada (DEML). Finalmente, se presentan dos propuestas novedosas para reducir la complejidad de la detección heterodina e intradina, afrontando el problema típico de la complejidad y alto coste de los sistemas coherentes. La primera explora la posibilidad de usar solo un láser DFB en la ONU, como LO y Tx. La segunda, demuestra por primera vez, una nueva técnica de diversidad fase en el tiempo, que alterna la modulación de fase en cada componente del plano complejo (fase-I y cuadratura-Q) logrando una transmisión de 10 Gb / s / λ con independencia de polarizaciónPostprint (published version

Terabit indoor laser-based wireless communications : LiFi 2.0 for 6G

This paper provides a summary of available technologies required for implementing indoor laser-based wireless networks capable of achieving aggregate data-rates of terabits per second as widely accepted as a sixth generation (6G) key performance indicator. The main focus of this paper is on the technologies supporting the near infrared region of the optical spectrum. The main challenges in the design of the transmitter and receiver systems and communication/networking schemes are identified and new insights are provided. This paper also covers the previous and recent standards as well as industrial applications for optical wireless communications (OWC) and LiFi

Advanced DSP Techniques for High-Capacity and Energy-Efficient Optical Fiber Communications

The rapid proliferation of the Internet has been driving communication networks closer and closer to their limits, while available bandwidth is disappearing due to an ever-increasing network load. Over the past decade, optical fiber communication technology has increased per fiber data rate from 10 Tb/s to exceeding 10 Pb/s. The major explosion came after the maturity of coherent detection and advanced digital signal processing (DSP). DSP has played a critical role in accommodating channel impairments mitigation, enabling advanced modulation formats for spectral efficiency transmission and realizing flexible bandwidth. This book aims to explore novel, advanced DSP techniques to enable multi-Tb/s/channel optical transmission to address pressing bandwidth and power-efficiency demands. It provides state-of-the-art advances and future perspectives of DSP as well