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

Photonic devices for next generation fiber-to-the-home access network

It would be unaffordable if the WDM-PON technologies were directly applied for massive deployment. Hence, the potential WDM-PON is to be integrated and improved in order to adapt it for NGPON and the future 5G. The UDWDM-PON can be considered as an ultimate solution for the next-generation access network capable of providing unlimited bandwidth for each user, thanks to the coherent detection. Plenty of scientists have believed that it is crucial to increase the operating speed and maximum reach of WDM-PON, while it has no sense if people achieve them without a ordable cost. In order to apply them cost-effciently, the system should require colorless ONUs and bidirectional systems. It is desired that the whole system use modulators on a low bias consumption, even limit the number of amplifiers. However, for bidirectional transmission the backscattering effects would limit the performance if we want to reuse the carrier from OLT. So, we should design a method to separate the wavelength between upstream and downstream. The traditional UDWDM-PON uses 2 laser at ONU, in this thesis, the single-DFB based ONUs are presented with integrated devices. What is the most plausible configuration? The photonic devices such as RSOA, DEML, FML with advanced configurations are presented in this thesis with different applications. The proposed thesis includes these parts: key devices for WDM-PON and the chirp parameters of these integrated photonic devices are measured, the polarization independent RSOA with different applications is also included, demonstration of dual output DEML with bidirectional coherent UDWDM-PON transmission, mitigating residual AM of DEML for phase modulation, and fast tuning for the UDWDM channel via FML are described.Por sus altos requerimientos técnicos, sería inasumible aplicar las tecnologías WDM-PON directamente para el despliegue masivo de Fiber-to-the-Home de nueva generación. Por lo tanto, el potencial se WDM-PON se debe integrar y mejorar con el fin de adaptarlo para NGPON y el futuro 5G. Hoy dia, operadores, usuarios y científicos, ven crucial augmentar la velocitat de funcionament y el alcance de las redes de acceso PON, si bien no tiene sentido conseguirlo con un coste inasequible. El UDWDM-PON puede considerarse como una solución definitiva para la red de acceso de próxima generación, capaz de proporcionar ancho de banda ilimitado para cada usuario, gracias a la detección coherente, por lo que en esta tesis se aborda su realización con un coste e integración prácticos. Con el fin de aplicarlos de manera rentable, el sistema debería exigir a las ONU que sean idénticas, si láseres preseleccionados o incoloros, y ser bidireccionales. Se desea que el conjunto de moduladores del sistema tengan en un bajo consumo, e incluso limitar el número de amplificadores. Sin embargo, para la transmisión bidireccional los efectos de retrodispersión limitarían el rendimiento si queremos volver a utilizar la portadora generada en la OLT. Por lo tanto, debemos diseñar un método para separar la longitud de onda en las transmisiones de bajada y de retorno del usuario a la central. El tradicional UDWDM-PON utiliza 2 láseres en la ONU; en esta tesis, las ONUs usan dispositivos integrados basados en un sólo DFB. ¿Cuál es la configuración más plausible? Los dispositivos fotónicos como RSOA, DEML, FML con configuraciones avanzadas se presentan en esta tesis con diferentes aplicaciones, que resuelven distintos problemas técnicos. La tesis incluye las siguientes partes: análisis y medida de dispositivos fotónicos clave para WDM-PON con modulación de fase, la independencia a la polarización de RSOA con diferentes aplicaciones, demostración de DEML con doble salida para transmisión bidireccional coherente UDWDM-PON, mitigación de AM residual de DEML para la modulación de fase, y la sintonía rápida de canal de UDWDM a través de FML.Postprint (published version

Dynamically reconfigurable optical access network

This dissertation presents the research results on a fiber-optic high-bitrate access network which enables dynamic bandwidth allocation as a response to varying subscribers' demands and bandwidth needs of emerging services. The motivation of the research is given in Chapter 1 "Introduction" together with a brief comparative discussion on currently available and future access networks. The idea of wavelength reconfigurability in the last-mile networks is described as a solution for more efficient bandwidth utilization and a subject of the Broadband Photonics project. Chapter 2 "Wavelength-flexible WDM/TDM access network - architecture" provides a comprehensive description of the proposed solution with each network element being analyzed in terms of its functionalities. This includes a colorless optical network unit and a reconfigurable optical add/drop multiplexer. An estimation of power budget is followed by the choice of wavelength set and network control and management layer overview. In Chapter 3 "Reflective transceiver module for ONU" after discussing different communication schemes and modulation formats three approaches to a colorless high-bitrate transmitter are analyzed in detail. This includes experiment and simulation results on a reflective semiconductor optical amplifier, reflective electro-absorption modulator and a Michelson-interferometer modulator. The Chapter is concluded with a comparative discussion. Chapter 4 "Reconfigurable optical add/drop multiplexer" discusses another key element in the proposed network architecture which is an integrated structure of micro-ring resonators providing wavelength reconfigurability. The measured characteristics assess the applicability of the device able to support unicast and multicast transmission. A range of possible sources of signal degradation in the access links are analyzed in Chapter 5 "Transmission and network impairments in the access network". An estimation of potential power penalties resulting from such impairments in the proposed system follow afterwards. Special attention is paid to optical in-band crosstalk penalties and improvement methods in Chapter 6 "Interferometric crosstalk in the access network with an RSOA". This subject is treated extensively with the support of mathematical considerations and experimental results. Proof-of-concept experiments of the proposed network architecture are presented in Chapter 7 "Reconfigurable WDM/TDM access network - experiments". The results of bidirectional transmission of high-bitrate WDM signals in different wavelength allocation schemes are discussed in detail. From there, by means of simulations the behavior of a full-scale network is assessed. In Chapter 8 "Migration towards WDM/TDM access network" the migration scenario from currently deployed fiber-optic access networks towards the novel solution is proposed. Afterwards, a short dispute on the economics of last-mile fiber technologies is included. Finally, the work is concluded and potential future research ideas based on this thesis are given in Chapter 9 "Conclusions and further work"

Overview of high-speed TDM-PON beyond 50 Gbps per wavelength using digital signal processing [Invited Tutorial]

The recent evolution of passive optical network standards and related research activities for physical layer solutions that achieve bit rates well above 10 Gbps per wavelength (lambda) is discussed. We show that the advancement toward 50, 100, and 200 Gbps/lambda will certainly require a strong introduction of advanced digital signal processing (DSP) technologies for linear, and maybe nonlinear, equalization and for forward error correction. We start by reviewing in detail the current standardization activities in the International Telecommunication Union and the Institute of Electrical and Electronics Engineers, and then we present a comparison of the DSP approaches for traditional direct detection solutions and for future coherent detection approaches. (c) 2022 Optica Publishing Grou

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

Characterization and design of coherent optical OFDM transmission systems based on Hartley Transform

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement.Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red.Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa

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

Key Signal Processing Technologies for High-speed Passive Optical Networks

With emerging technologies such as high-definition video, virtual reality, and cloud computing, bandwidth demand in the access networks is ever-increasing. Passive optical network (PON) has become a promising architecture thanks to its low cost and easy management. IEEE and ITU-T standard organizations have been standardizing the next-generation PON, targeting on increasing the single-channel capacity from 10 Gb/s to 25, 50, and 100 Gb/s as the solution to address the dramatic increase of bandwidth demand. However, since the access network is extremely cost-sensitive, many research problems imposed in the physical layer of PON need to be addressed in a cost-efficient way, which is the primary focus of this thesis. Utilizing the low-cost 10G optics to build up high-speed PON systems is a promising approach, where signal processing techniques are key of importance. Two categories of signal processing techniques have been extensively investigated, namely optical signal processing (OSP) and digital signal processing (DSP). Dispersion-supported equalization (DSE) as a novel OSP scheme is proposed to achieve bit-rate enhancement from 10 Gb/s to 25 Gb/s based on 10G class of optics. Thanks to the bandwidth improved by DSE, the non-return-zero on-off keying which is the simplest modulation format is able to be adopted in the PON system without complex modulation or DSP. Meanwhile, OSP is also proposed to work together with DSP enabling 50G PON while simplifying the DSP complexity. Using both DSE and simple feed-forward equalizer is able to support 50 Gb/s PAM-4 transmission with 10G optics. For C-band 50 Gb/s transmission, injection locking techniques as another OSP approach is proposed to compress the directly modulated laser chirp and increase system bandwidth in the optical domain where a doubled capacity from 25 Gb/s to 50 Gb/s over 20 km fiber can be built on top of 10G optics. For DSP, we investigated the advantages of neural network (NN) on the mitigation of the time-varying nonlinear semiconductor optical amplifier pattern effect. In order to reduce the expense caused by the high computation complexity of NN, a pre- equalizer is introduced at the central office that allows cost sharing for all connected access users. In order to push the PON system line rate to 100 Gb/s, a joint nonlinear Tomlinson- Harashima precoding-Volterra algorithm is proposed to compensate for both linear and nonlinear distortions where 100 Gb/s PAM-4 transmission over 20 km fiber with 15 GHz system bandwidth can be achieved