Radio over fiber enabling PON fronthaul in a two-tiered cloud

Avec l’avènement des objets connectés, la bande passante nécessaire dépasse la capacité des interconnections électriques et interface sans fils dans les réseaux d’accès mais aussi dans les réseaux coeurs. Des systèmes photoniques haute capacité situés dans les réseaux d’accès utilisant la technologie radio sur fibre systèmes ont été proposés comme solution dans les réseaux sans fil de 5e générations. Afin de maximiser l’utilisation des ressources des serveurs et des ressources réseau, le cloud computing et des services de stockage sont en cours de déploiement. De cette manière, les ressources centralisées pourraient être diffusées de façon dynamique comme l’utilisateur final le souhaite. Chaque échange nécessitant une synchronisation entre le serveur et son infrastructure, une couche physique optique permet au cloud de supporter la virtualisation des réseaux et de les définir de façon logicielle. Les amplificateurs à semi-conducteurs réflectifs (RSOA) sont une technologie clé au niveau des ONU(unité de communications optiques) dans les réseaux d’accès passif (PON) à fibres. Nous examinons ici la possibilité d’utiliser un RSOA et la technologie radio sur fibre pour transporter des signaux sans fil ainsi qu’un signal numérique sur un PON. La radio sur fibres peut être facilement réalisée grâce à l’insensibilité a la longueur d’onde du RSOA. Le choix de la longueur d’onde pour la couche physique est cependant choisi dans les couches 2/3 du modèle OSI. Les interactions entre la couche physique et la commutation de réseaux peuvent être faites par l’ajout d’un contrôleur SDN pour inclure des gestionnaires de couches optiques. La virtualisation réseau pourrait ainsi bénéficier d’une couche optique flexible grâce des ressources réseau dynamique et adaptée. Dans ce mémoire, nous étudions un système disposant d’une couche physique optique basé sur un RSOA. Celle-ci nous permet de façon simultanée un envoi de signaux sans fil et le transport de signaux numérique au format modulation tout ou rien (OOK) dans un système WDM(multiplexage en longueur d’onde)-PON. Le RSOA a été caractérisé pour montrer sa capacité à gérer une plage dynamique élevée du signal sans fil analogique. Ensuite, les signaux RF et IF du système de fibres sont comparés avec ses avantages et ses inconvénients. Finalement, nous réalisons de façon expérimentale une liaison point à point WDM utilisant la transmission en duplex intégral d’un signal wifi analogique ainsi qu’un signal descendant au format OOK. En introduisant deux mélangeurs RF dans la liaison montante, nous avons résolu le problème d’incompatibilité avec le système sans fil basé sur le TDD (multiplexage en temps duplexé).With the advent of IoT (internet of things) bandwidth requirements triggered by aggregated wireless connections have exceeded the fundamental limitation of copper and microwave based wireless backhaul and fronthaul networks. High capacity photonic fronthaul systems employing radio over fiber technology has been proposed as the ultimate solution for 5G wireless system. To maximize utilization of server and network resources, cloud computing and storage based services are being deployed. In this manner, centralized resources could be dynamically streamed to the end user as requested. Since on demand resource provision requires the orchestration between the server and network infrastructure, a smart photonic (physical layer)PHY enabled cloud is foreseen to support network virtualization and software defined network. RSOAs (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) are being investigated as key enablers of the colorless ONU(Optical Network Unit) solution in PON (Passive Optical Network). We examine the use of an RSOA in radio over fiber systems to transport wireless signals over a PON simultaneously with digital data. Radio over fiber systems with flexible wavelength allocation could be achieved thanks to the colorless operation of the RSOA and wavelength reuse technique. The wavelength flexibility in optical PHY are inline with the paradigm of software defined network (SDN) in OSI layer 2/3. The orchestration between optical PHY and network switching fabric could be realized by extending the SDN controller to include optical layer handlers. Network virtualization could also benefit from the flexible optical PHY through dynamic and tailored optical network resource provision. In this thesis, we investigate an optical PHY system based on RSOA enabling both analog wireless signal and digital On-Off Keying (OOK) transportation within WDM (Wavelength Division Multiplexing) PON architecture. The RSOA has been characterized to show its potential ability to handle high dynamic range analog wireless signal. Then the RF and IF radio over fiber scheme is compared with its pros and cons. Finally we perform the experiment to shown a point to point WDM link with full duplex transmission of analog WiFi signal with downlink OOK signal. By introducing two RF mixer in the uplink, we have solved the incompatible problem with TDD (Time Division Duplex) based wireless system

Enhanced PON Infrastructure Enabled by Silicon Photonics

Les systèmes de courte portée et de détection directe sont le dernier/premier kilomètre de la fourniture des services Internet d'aujourd'hui. Deux cas d'application sont abordés dans cette thèse, l'un concerne l'amélioration des performances des services Internet par la Fibre-To-TheHome ou les réseaux optiques passifs (PONs). L'autre est le radio access network (RAN) pour le fronthaul. Notre objectif pour RAN est de superposer les signaux 5G sur une infrastructure PON. Nous démontrons expérimentalement la génération d'un signal de répartition multiplexée de fréquences orthogonales (OFDM) à bande latérale unique en utilisant un modulateur IQ sur puce basé sur les photoniques au silicium à micro-anneau. Il s'agit d'une solution à coût bas permettant aux PONs d'augmenter les débits de données grâce à l'utilisation d'OFDM. Nous avons généré un signal OFDM à large bande avec un ratio de suppression de bande latérale de plus de 18 dB. Afin de confirmer la robustesse de la dispersion chromatique (CD), nous transmettons le signal généré OFDM SSB dans plus de 20 km de fibre de monomode standard. Aucun fading induit par la CD n'a été observé et le taux d'erreur sur les bits était bon. Nous proposons une solution de photoniques au silicium pour un réseau optique passif afin de mitiger l'interférence de battement signal-signal (SSBI) dans la transmission OFDM, et de récupérer une partie des porteuses de la liaison descendante pour une utilisation dans la liaison montante. Le sous-système recrée les interférences à une entrée du détecteur équilibré ; le signal de données corrompu par SSBI est à la deuxième entrée. L'annulation se produit via la soustraction dans la détection équilibrée. Comme notre solution de photoniques au silicium (SiP) ne peut pas filtrer les signaux idéalement, nous examinons un facteur d'échelle introduit dans la détection équilibrée qui peut balancer les effets de filtrage non idéaux. Nous montrons expérimentalement l'annulation de l'interférence donne de bonnes performances même avec une porteuse faible, soit pour un ratio porteuse/signal ultra bas de 0 dB. Bien que notre solution soit sensible aux effets de la température, notre démonstration expérimentale montre que le réglage de la fréquence résonante peut dériver jusqu'à 12 GHz de la valeur ciblée et présenter toujours de bonnes performances. Nous effectuons des simulations extensives du schéma d'annulation SSBI proposé, et suggérons une diverse conception polarisée pour le sous-système SiP. Nous examinons via la simulation la vulnérabilité à la variation de température et introduisons une nouvelle métrique de performance : Q-facteur minimum garanti. Nous nous servons de cette métrique pour évaluer la robustesse d'annulation SSBI contre la dérive de fréquence induite par les changements de température. Nous maximisons l'efficacité spectrale sous différentes conditions du système en balayant les paramètres de conception contrôlables. Finalement, les résultats de la simulation du système fournissent des indications sur la conception du résonateur micro-anneau, ainsi que sur le choix de la bande de garde et du format de modulation pour obtenir la plus grande efficacité spectrale. Finalement, nous nous concentrons sur la superposition des signaux 5G sur une infrastructure PON pour RAN. Nous expérimentalement validons un sous-système photonique au silicium conçu pour les réseaux optiques passifs avec réutilisation de porteuses et compatibilité radiosur-fibre (RoF) analogique 5G. Le sous-système permet la détection simultanée des signaux RoF et du signal PON transmis dans une seule tranche assignée de longueur d'onde. Tout en maintenant une qualité suffisante de détection des signaux RoF et PON, il n'y a que la puissance minimale de la porteuse qui est extraite pour chaque détection, ce qui conserve ainsi la puissance de la porteuse pour la modulation de liaison montante. Nous réalisons une suppression efficace du signal de liaison descendante en laissant une porteuse propre et forte pour la remodulation. Nous démontrons expérimentalement le signal RoF de liaison montante via un modulateur à micro-anneau. Nous avons détecté avec succès un signal à large bande de 8 GHz et cinq signaux RoF de 125 MHz simultanément. Et deux signaux RoF de 125 MHz sont remodulés sur la même porteuse. Le signal RoF de liaison montante généré est de 13 dB de plus que les signaux de liaison descendante, ce qui indique leur robustesse contre la diaphonie des signaux résiduels de la liaison descendante.Short reach, direct detection systems are the last/first mile of today's internet service provision. Two use cases are addressed in this thesis, one is for enhancing performance of Internet services on fiber-to-the-home or passive optical networks (PON). The other is radio access networks (RAN) for fronthaul. Our focus for RAN is to overlay 5G signals on a PON infrastructure. We experimentally demonstrate the generation of a single-sideband orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal using an on-chip silicon photonics microring-based IQ modulator. This is a low cost solution enabling PONs to increase data rates through the use of OFDM. We generated a wideband OFDM signal with over 18 dB sideband suppression ratio. To confirm chromatic dispersion (CD) robustness, we transmit the generated SSB OFDM signal over 20 km of standard single mode fiber. No CD-induced fading was observed and bit error rate was good. We propose a silicon photonics solution for a passive optical network to mitigate signal-signal beat interference (SSBI) in OFDM transmission, and to recuperate a part of the downlink carrier for use in the uplink. The subsystem recreates the interference at one balanced detector input; the data signal corrupted with SSBI is at the second input. Cancellation occurs via subtraction in the balanced detection. As our silicon photonics (SiP) solution cannot filter the signals ideally, we examine a scaling factor to be introduced to the balanced detection that can trade-off the non-ideal filtering effects. We show experimentally that the interference is cancelled, allowing good performance even with a weak carrier, that is, for ultra low carrier to signal ratio of 0 dB. Although our solution is sensitive to temperature effects, our experimental demonstration shows the tuning of the resonant frequency can drift by as much as 12 GHz from the targeted value and still provide good performance. We perform extensive simulations of the proposed SSBI cancellation scheme, and suggest a polarization diverse design for the SiP subsystem. We examine via simulation the vulnerability to temperature variation and introduce a new performance metric: minimum guaranteed Qfactor. We use this metric to evaluate the SSBI cancellation robustness against the frequency drift induced by temperature changes. We maximize the spectral efficiency under different system conditions by sweeping the controllable design parameters. Finally the system simulation results provide guidance on the microring resonator design, as well as choice of guard band and modulation format to achieve the highest spectral efficiency. Finally, we turn to focus on overlay 5G signals on a PON infrastructure for RAN. We experimentally validate a silicon photonic subsystem designed for passive optical networks with carrier reuse and 5G analog radio-over-fiber (RoF) compatibility. The subsystem enables the simultaneous detection of RoF signals and a PON signal transmitted in a single assigned wavelength slot. While maintaining sufficient quality of RoF and PON signal detection, only the minimum carrier power is leached off for each detection, thus conserving carrier power for uplink modulation. We realize effective downlink signal suppression to leave a clean and strong carrier for remodulation. We demonstrate experimentally the RoF uplink signal via a micro ring modulator. We successfully detected an 8 GHz broadband signal and five 125 MHz RoF signals simultaneously. And two 125 MHz radio over fiber signals are remodulated onto the same carrier. The generated uplink RoF signal is 13 dB over the downlink signals, indicating their robustness against the crosstalk from residual downlink signals

A remodulation scheme for wavelength-division multiplexing passive optical network using time-interleaved differential phase shift keying modulation format.

Li, Pulan.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2011.Includes bibliographical references (p. 60-66).Abstracts in English and Chinese.Chapter Chapter 1 --- Introduction --- p.1Chapter 1.1 --- Overview of wavelength division multiplexed passive optical network (WDM-PON) and colorless optical network unit (ONU) --- p.1Chapter 1.2 --- Implementation of colorless ONU --- p.4Chapter 1.3 --- Rayleigh backscattering in WDM-PON --- p.6Chapter 1.4 --- Motivation of this thesis --- p.9Chapter 1.5 --- Outline of this thesis --- p.11Chapter Chapter 2 --- Previous works of remodulation for WDM-PON --- p.12Chapter 2.1 --- Introduction --- p.12Chapter 2.2 --- Devices utilized by colorless ONU in remodulation schemes --- p.13Chapter 2.2.1 --- Injection-locked Fabry-Perot laser diode at ONU --- p.13Chapter 2.2.2 --- Reflective semiconductor optical amplifier --- p.15Chapter 2.2.3 --- Reflective electro-absorption modulator and semiconductor optical amplifier (REAM-SOA) --- p.17Chapter 2.3 --- Modulation methods in remodulation schemes --- p.18Chapter 2.4 --- Summary --- p.23Chapter Chapter 3 --- A remodulation scheme based on time-interleaved DPSK modulation format --- p.25Chapter 3.1 --- Introduction --- p.25Chapter 3.2 --- Operation principle: time-interleaving technology for phase-modulated signal --- p.27Chapter 3.3 --- System architecture --- p.28Chapter 3.4 --- Experimental results and discussion --- p.31Chapter 3.5 --- Effect of timing misalignment on proposed remodulation scheme --- p.33Chapter 3.6 --- Summary --- p.35Chapter Chapter 4 --- Enhanced Tolerance to Rayleigh Backscattering in Remodulation Scheme Using Time-Interleaved DPSK Format --- p.37Chapter 4.1 --- Introduction --- p.37Chapter 4.2 --- Studies on Rayleigh backscattering suppression in optical domain --- p.39Chapter 4.2.1 --- RB suppression in carrier-distributed schemes --- p.39Chapter 4.2.2 --- RB suppression in remodulation schemes --- p.40Chapter 4.2 --- Experimental setup and results --- p.42Chapter 4.3 --- Discussion on RB suppression effect of the proposed scheme --- p.46Chapter 4.3.1 --- Theoretical study and simulation results --- p.46Chapter 4.3.2 --- Experimental demonstration of spectral relationship between signals and RB crosstalk --- p.49Chapter 4.4 --- Summary --- p.53Chapter Chapter 5 --- Conclusion and Future Works --- p.55Chapter 5.1 --- Conclusion of this thesis --- p.55Chapter 5.2 --- Future works --- p.57List of Publications --- p.59Bibliography --- p.6

Analog radio over fiber solutions for multi-band 5g systems

This study presents radio over fiber (RoF) solutions for the fifth-generation (5G) of wireless networks. After the state of the art and a technical background review, four main contributions are reported. The first one is proposing and investigating a RoF technique based on a dual-drive Mach-Zehnder modulator (DD-MZM) for multi-band mobile fronthauls, in which two radiofrequency (RF) signals in the predicted 5G bands individually feed an arm of the optical modulator. Experimental results demonstrate the approach enhances the RF interference mitigation and can prevail over traditional methods. The second contribution comprises the integration of a 5G transceiver, previously developed by our group, in a passive optical network (PON) using RoF technology and wavelength division multiplexing (WDM) overlay. The proposed architecture innovates by employing DD-MZM and enables to simultaneously transport baseband and 5G candidate RF signals in the same PON infrastructure. The proof-of-concept includes the transmission of a generalized frequency division multiplexing (GFDM) signal generated by the 5G transceiver in the 700 MHz band, a 26 GHz digitally modulated signal as a millimeter-waves 5G band, and a baseband signal from an gigabit PON (GPON). Experimental results demonstrate the 5G transceiver digital performance when using RoF technology for distributing the GFDM signal, as well as Gbit/s throughput at 26 GHz. The third contribution is the implementation of a flexible-waveform and multi-application fiber-wireless (FiWi) system toward 5G. Such system includes the FiWi transmission of the GFDM and filtered orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM) signals at 788 MHz, toward long-range cells for remote or rural mobile access, as well as the recently launched 5G NR standard in microwave and mm-waves, aiming enhanced mobile broadband indoor and outdoor applications. Digital signal processing (DSP) is used for selecting the waveform and linearizing the RoF link. Experimental results demonstrate the suitability of the proposed solution to address 5G scenarios and requirements, besides the applicability of using existent fiber-to-the-home (FTTH) networks from Internet service providers for implementing 5G systems. Finally, the fourth contribution is the implementation of a multi-band 5G NR system with photonic-assisted RF amplification (PAA). The approach takes advantage of a novel PAA technique, based on RoF technology and four-wave mixing effect, that allows straightforward integration to the transport networks. Experimental results demonstrate iv uniform and stable 15 dB wideband gain for Long Term Evolution (LTE) and three 5G signals, distributed in the frequency range from 780 MHz to 26 GHz and coexisting in the mobile fronthaul. The obtained digital performance has efficiently met the Third-Generation Partnership Project (3GPP) requirements, demonstrating the applicability of the proposed approach for using fiber-optic links to distribute and jointly amplify LTE and 5G signals in the optical domain.Agência 1Este trabalho apresenta soluções de rádio sobre fibra (RoF) para aplicações em redes sem fio de quinta geração (5G), e inclui quatro contribuições principais. A primeira delas refere-se à proposta e investigação de uma técnica de RoF baseada no modulador eletroóptico de braço duplo, dual-drive Mach-Zehnder (DD-MZM), para a transmissão simultânea de sinais de radiofrequência (RF) em bandas previstas para redes 5G. Resultados experimentais demonstram que o uso do DD-MZM favorece a ausência de interferência entre os sinais de RF transmitidos. A segunda contribuição trata da integração de um transceptor de RF, desenvolvido para aplicações 5G e apto a prover a forma de onda conhecida como generalized frequency division multiplexing (GFDM), em uma rede óptica passiva (PON) ao utilizar RoF e multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). A arquitetura proposta permite transportar, na mesma infraestrutura de rede, sinais em banda base e de radiofrequência nas faixas do espectro candidatas para 5G. A prova de conceito inclui a distribuição conjunta de três tipos de sinais: um sinal GFDM na banda de 700 MHz, proveniente do transceptor desenvolvido; um sinal digital na frequência de 26 GHz, assumindo a faixa de ondas milimétricas; sinais em banda base provenientes de uma PON dedicada ao serviço de Internet. Resultados experimentais demonstram o desempenho do transceptor de RF ao utilizar a referida arquitetura para distribuir sinais GFDM, além de taxas de transmissão de dados da ordem de Gbit/s na faixa de 26 GHz. A terceira contribuição corresponde à implementação de um sistema fibra/rádio potencial para redes 5G, operando inclusive com o padrão ―5G New Radio (5G NR)‖ nas faixas de micro-ondas e ondas milimétricas. Tal sistema é capaz de prover macro células na banda de 700 MHz para aplicações de longo alcance e/ou rurais, utilizando sinais GFDM ou filtered orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM), assim como femto células na banda de 26 GHz, destinada a altas taxas de transmissão de dados para comunicações de curto alcance. Resultados experimentais demonstram a aplicabilidade da solução proposta para redes 5G, além da viabilidade de utilizar redes ópticas pertencentes a provedores de Internet para favorecer sistemas de nova geração. Por fim, a quarta contribuição trata da implementação de um sistema 5G NR multibanda, assistido por amplificação de RF no domínio óptico. Esse sistema faz uso de um novo método de amplificação, baseado no efeito não linear da mistura de quatro ondas, que vi permite integração direta em redes de transporte envolvendo rádio sobre fibra. Resultados experimentais demonstram ganho de RF igual a 15 dB em uma ampla faixa de frequências (700 MHz até 26 GHz), atendendo simultaneamente tecnologias de quarta e quinta geração. O desempenho digital obtido atendeu aos requisitos estabelecidos pela 3GPP (Third-Generation Partnership Project), indicando a aplicabilidade da solução em questão para distribuir e conjuntamente amplificar sinais de RF em enlaces de fibra óptica

Technique de réutilisation de longueur d'onde optique dans des applications RoF basée sur les RSOA pour des communications bidirectionnelles OOK et OFDM

Le présent mémoire vise le domaine des télécommunications optiques et de la radio sur fibre (RoF). Il a pour objectif de proposer une technique de réutilisation de longueur d’onde optique afin de transmettre un signal sans-fil 802.11a en amont et un signal numérique OOK en aval dans la même bande passante. Cette technique se base sur les amplificateurs à semiconducteur réfléchissant (RSOA). Ce composant permet l’effacement du signal numérique arrivant par la saturation de son amplificateur qui sera ensuite réutilisé comme modulateur de fréquence radio (RF) pour retourner un signal sans-fil 802.11a dans une bande pouvant chevaucher le signal effacé. Par l’entremise des articles qui sont publiés et relatés dans ce mémoire, une étude exhaustive de la technique de saturation du RSOA aux fins de re-modulation ainsi que des performances obtenues en laboratoire y est présentée. Trois formats de modulations QPSK, 16QAM et 64QAM y seront testés. L’évaluation des performances sera réalisée à l’aide des paramètres suivants : le taux d’erreur binaire (BER), le facteur de qualité (Q), la norme du vecteur d’erreur (EVM), la distance de propagation atteinte dans la fibre, la vitesse de transmission et l’indice de modulation (MI). Cette technique peut être utilisée pour un signal sans-fil 802.11a d’une antenne jusqu’à une centrale par fibre optique, et ce, jusqu’à 80 km avec un format de modulation QPSK. Il est également possible de transmettre du 64QAM jusqu’à 40 km tout en gardant une bonne performance en sens opposé. Il a été également possible de conclure expérimentalement qu’il est possible de multiplexer plusieurs signaux sans-fil sur 20 km dans la bande RF du RSOA en coexistence avec un signal numérique en sens opposé. Cela ouvre des portes sur de nouvelles recherches d’architectures où les coûts, la consommation de puissance et le traitement de signaux sont plus centralisés et à bas prix

60 GHz photonic millimeter-wave communication systems

Currently available copper-based Internet access technologies like xDSL and DOCSIS cover data transmission speeds in the range of some 10 Mb/s. With new applications, an increase in bandwidth demand up to the Gb/s-range is expected for the next years. Therefore, an evolution of access networks by gradual replacement of copper-based by fiber-optic infrastructure is presently ongoing. A similar development can be predicted for wireless access technology operating within the classical microwave range. Due to regulatory requirements and a lack of bandwidth alternatives need to be developed in the millimeter-wave band. In this regard, the frequency range around 60 GHz has a special importance due to a worldwide available unlicensed spectrum of several GHz of bandwidth. In this context, the integration of wireless networks in fiber-optic networks by the fiber-optic transport of the radio signal (radio-over-fiber, RoF) is of particular importance. Besides the low-loss optical transport of a 60 GHz radio signal RoF technology furthermore allows to shift complexity from base stations to a central office by a centralized provision of the millimeter-wave carrier. This work deals with the modeling, realization and characterization of 60 GHz RoF systems providing data rates within the multi-Gb/s range. On the theoretical side, a system model has been developed comprising relevant electrical and optical noise sources and the transmission properties of fiber-optic and wireless links as well. This allows for instance to make reliable predictions of the expected system performance in the run-up to RoF system planning and thus to identify optimization potential. Using innovative approaches and technologies, 12.5 Gb/s data transmission has been realized via fiber and wirelessly for the first time over technical relevant distances. Also, if compared to conventional RoF systems the dispersion-limited fiber-optic range has been multiplied. Another RoF system in the frame of this work aimed for an uncompressed HDTV transmission, for instance for video conferencing with high resolution (1080p) and extremely low latency (telemedicine). The wireless transmission of an uncompressed HDTV signal has been successfully demonstrated. Including the previously achieved results and experiences, the system complexity has been significantly reduced