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

Redes ópticas de acesso de nova geração : tecnologias e economia

Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica - TelecomunicaçõesThe work presented herein, studies Next Generation Optical Access Networks (NG-OAN) economically (e.g. energy consumption) and technologically (e.g. rate, reach and dedicated/shared bandwidth). The work is divided into four main topics: energy efficiency in optical access architectures, novel spectrally efficient Long-Reach Passive Optical Networks (LR-PON), crosstalk impacts in heterogeneous and homogenous access networks and hybrid optical wireless transmissions. We investigate the impact of user profiles, optical distribution network topologies and equipment characteristics on resource sharing and power consumption in LR-PON. To have a clear vision on the energy consumption evolution of each part of NG-OAN, a model is proposed to evaluate the energy efficiency of optical access technologies. A spectrally efficient bidirectional Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing (UDWDM) PON architecture is developed using Nyquist shaped 16-ary quadrature amplitude modulation, offering up to 10 Gb/s service capabilities per user or wavelength. Performance of this system in terms of receiver sensitivity and nonlinear tolerance under different network transmission capacity conditions are experimentally optimized. In bi-directional transmis-sion, using frequency up/down-shifting of Nyquist pulse shaped signal from optical carrier, a full bandwidth allocation and easy maintenance of UDWDM networks as well as reduction of Rayleigh back-scattering are achieved. Moreover, self-homodyne detection is used to relax the laser linewidth requirement and digital signal processing complexity at the optical network unit. Simplified numerical model to estimate the impact of Raman crosstalk of multi-system next generation PONs in video overlay is proposed. Coexistence of considered G.98X ITU-T series and coherent multi-wavelength systems is considered and assessed. Additionally, the performances of bidirectional hybrid optical wireless coherent PONs over different optical distribution network power budgets and hybrid splitting ratios are evaluated.O trabalho aqui apresentado estuda redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN) nas vertentes económica (consumo de energia) e tecnológica (taxa, alcance e largura de banda dedicada/partilhada). O trabalho está dividido em quatro grandes temas de investigação: a eficiência energética em arquiteturas de acesso ótico, as redes óticas passivas de longo alcance (LR-PON) com nova eficiência espetral, o impacto da diafonia em redes de acesso heterogéneas e homogéneas e as transmissões ópticas híbridas com tecnologias sem fio. Investiga-se o impacto dos perfis dos utilizadores, as tipologias da rede de distribuição ótica, as características do equipamento de partilha de recursos e o consumo de energia em LR-PON. Para se ter uma visão clara sobre o consumo de energia de cada parte das NG-OAN, é proposto um modelo para avaliar a eficiência energética das tecnologias de acesso óticas. Desenvolve-se uma arquitetura PON bi-direcional com elevada eficiência espetral, recorrendo a multiplexagem por divisão de comprimento de onda ultra-densa (UDWDM), modulação de amplitude em quadratura com formato de impulso de Nyquist, oferecendo até 10 Gb/s por utilizador/comprimento de onda. O desempenho deste sistema em termos de sensibilidade do recetor e da tolerância à resposta não linear do canal de comunicação, sob diferentes condições de transmissão, é avaliado experimentalm-ente. Em transmissão bi-direcional, utilizando desvio de frequência (cima/baixo) do impulso com formato de Nyquist relativo à portadora ótica conseguiu-se uma alocação de largura de banda completa e uma manutenção mais simplificada de redes UDWDM, bem como a redução do espalhamento de Rayleigh. Além disso, a deteção auto-homodina é usada para relaxar o requisito de largura de linha do laser e a complexidade do processamento digital de sinal nas unidades da rede ótica. Propõe-se um modelo numérico simplificado para estimar o impacto da diafonia de Raman em sistemas PON de próxima geração, com sobreposição do sinal de vídeo. É analisada a coexistência da série G.98X ITU-T e são considerados e avaliados sistemas coerentes multi-comprimento de onda. Adicionalmente avaliam-se os desempenhos de PONs bi-direcionais híbridas, considerando tecnologia coerente e propagação por espaço livre, para diferentes balanços de potência e taxas de repartição na rede ótica de distribuição

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 /

Tecnologias coerentes para redes ópticas flexíveis

Next-generation networks enable a broad range of innovative services with the best delivery by utilizing very dense wired/wireless networks. However, the development of future networks will require several breakthroughs in optical networks such as high-performance optical transceivers to support a very-high capacity optical network as well as optimization of the network concept, ensuring a dramatic reduction of the cost per bit. At the same time, all of the optical network segments (metro, access, long-haul) need new technology options to support high capacity, spectral efficiency and data-rate flexibility. Coherent detection offers an opportunity by providing very high sensitivity and supporting high spectral efficiency. Coherent technology can still be combined with polarization multiplexing. Despite the increased cost and complexity, the migration to dual-polarization coherent transceivers must be considered, as it enables to double the spectral efficiency. These dual-polarization systems require an additional digital signal processing (DSP) subsystem for polarization demultiplexing. This work seeks to provide and characterize cost-effective novel coherent transceivers for the development of new generation practical, flexible and high capacity transceivers for optical metro-access and data center interconnects. In this regard, different polarization demultiplexing (PolDemux) algorithms, as well as adaptive Stokes will be considered. Furthermore, low complexity and modulation format-agnostic DSP techniques based on adaptive Stokes PolDemux for flexible and customizable optical coherent systems will be proposed. On this subject, the performance of the adaptive Stokes algorithm in an ultra-dense wavelength division multiplexing (U-DWDM) system will be experimentally evaluated, in offline and real-time operations over a hybrid optical-wireless link. In addition, the efficiency of this PolDemux algorithm in a flexible optical metro link based on Nyquist pulse shaping U-DWDM system and hybrid optical signals will be assessed. Moreover, it is of great importance to find a transmission technology that enables to apply the Stokes PolDemux for long-haul transmission systems and data center interconnects. In this work, it is also proposed a solution based on the use of digital multi-subcarrier multiplexing, which improve the performance of long-haul optical systems, without increasing substantially, their complexity and cost.As redes de telecomunicações futuras permitirão uma ampla gama de serviços inovadores e com melhor desempenho. No entanto, o desenvolvimento das futuras redes implicará vários avanços nas redes de fibra ótica, como transcetores óticos de alto desempenho capazes de suportar ligações de muito elevada capacidade, e a otimização da estrutura da rede, permitindo uma redução drástica do custo por bit transportado. Simultaneamente, todos os segmentos de rede ótica (metropolitanas, acesso e longo alcance) necessitam de novas opções tecnológicas para suportar uma maior capacidade, maior eficiência espetral e flexibilidade. Neste contexto, a deteção coerente surge como uma oportunidade, fornecendo alta sensibilidade e elevada eficiência espetral. A tecnologia de deteção coerente pode ainda ser associada à multiplexação na polarização. Apesar de um potencial aumento ao nível do custo e da complexidade, a migração para transcetores coerentes de dupla polarização deve ser ponderada, pois permite duplicar a eficiência espetral. Esses sistemas de dupla polarização requerem um subsistema de processamento digital de sinal (DSP) adicional para desmultiplexagem da polarização. Este trabalho procura fornecer e caracterizar novos transcetores coerentes de baixo custo para o desenvolvimento de uma nova geração de transcetores mais práticos, flexíveis e de elevada capacidade, para interconexões óticas ao nível das futuras redes de acesso e metro. Assim, serão analisados diferentes algoritmos para a desmultiplexagem da polarização, incluindo uma abordagem adaptativa baseada no espaço de Stokes. Além disso, são propostas técnicas de DSP independentes do formato de modulação e de baixa complexidade baseadas na desmultiplexagem de Stokes adaptativa para sistemas óticos coerentes flexíveis. Neste contexto, o desempenho do algoritmo adaptativo de desmultiplexagem na polarização baseado no espaço de Stokes é avaliado experimentalmente num sistema U-DWDM, tanto em análises off-line como em tempo real, considerando um percurso ótico hibrido que combina um sistema de transmissão suportado por fibra e outro em espaço livre. Foi ainda analisada a eficiência do algoritmo de desmultiplexagem na polarização numa rede ótica de acesso flexível U-DWDM com formatação de pulso do tipo Nyquist. Neste trabalho foi ainda analisada a aplicação da técnica de desmultiplexagem na polarização baseada no espaço de Stokes para sistemas de longo alcance. Assim, foi proposta uma solução de aplicação baseada no uso da multiplexagem digital de múltiplas sub-portadoras, tendo-se demonstrado uma melhoria na eficiência do desempenho dos sistemas óticos de longo alcance, sem aumentar significativamente a respetiva complexidade e custo.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Optical frequency comb source for next generation access networks

The exponential growth of converged telecommunication services and the increasing demands for video rich multimedia applications have triggered the vast development of optical access technology to resolve the capacity bottleneck at metropolitan-access aggregations. To further enhance overall performance, next generation optical access networks will require highly efficient wavelength division multiplexing (WDM) technology beyond the capability of current standard time division multiplexed (TDM) systems. The successful implementation of future-proof WDM access networks depends on advancements in high performance transmission schemes as well as economical and practical electronic/photonic devices. This thesis focuses on an investigation of the use of optical frequency comb sources, and spectrally efficient modulation formats, in high capacity WDM based optical access networks. A novel injected gain switched comb generation technique which deliver simplicity, reliability, and cost effectiveness has been proposed and verified through experimental work. In addition, a detailed characterization of the optical comb source has been undertaken with special attention on the phase noise property of the comb lines. The potential of the injected gain switched comb source is then demonstrated in a digital coherent receiver based long reach WDM access scenario, which intends to facilitate 10 - 40 Gbit/s data delivery per channel . Furthermore, an optical scalar transmission scheme enabling the direct detection of higher order modulation format signals has been proposed and experimentally investigated

Novel optical transmitters for high speed optical networks

The objective of this thesis is to investigate the performance of novel optical transmitter lasers for use in high speed optical networks. The laser technology considered is the discrete mode laser diode (DMLD) which is designed to achieve single wavelength operation by etching features on the surface of the ridge waveguide. This leads to a simplified manufacturing process by eliminating the regrowth step used in conventional approaches, presenting an economic approach to high volume manufacture of semiconductor lasers. Two application areas are investigated in this work. The bit rate in next generation access networks is moving to 10 Gbit/s. This work characterises the performance of DMLDs designed for high speed operation with the objective of identifying the limitations and improving performance to meet the specifications for uncooled operation at 10 Gbit/s. With the deployment of advanced modulation formats the phase noise of the laser source has become an important parameter, particularly for higher order formats. DMLDs were developed for narrow linewidth operation. The linewidth of these devices was characterised and a value as low as 70 kHz was demonstrated. Transmission experiments were also carried out using a coherent transmission test bed and the performance achieve is compared with that of an external cavity laser

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