Dynamically reconfigurable long-reach PONs for high capacity access

Fibre-to-the-Premises (FTTP) is currently seen as the ultimate in high-speed transmission technologies for delivering ubiquitous bandwidth to customers. However, as the deployment of network infrastructure requires a substantial investment, the main obstacle to fibre deployment is that of financial viability. With this in mind, a logical strategy to offset network costs is to optimise the infrastructure in order to capture a greater amount of customers over larger areas with increased sharing of network resources. This approach prompted the design of a long-reach passive optical network (LR-PON) in which the physical reach and split of a conventional PON is significantly increased through the use of intermediate optical amplification. In particular, the LR-PON architecture effectively integrates the metro and access networks enabling the majority of local exchange sites to be bypassed resulting in a substantial reduction in field equipment requirements and power consumption. Furthermore, the extension in physical reach and split can be coupled with an increased information capacity through the use of time- and wavelength division multiplexing (TWDM) which serve to exploit the large bandwidth capabilities offered by single-mode fibre. In this project, reconfigurable TWDM LR-PON architectures which dynamically exploit the wavelength domain are proposed, assembled and characterised in order to establish an economically viable ‘open access’ environment that is capable of concurrently supporting multiple operators offering converged services (residential, business and mobile) to support diverse customer requirements and locations. The main investigations in this work address the key physical layer challenges within such wavelength-agile networks. In particular, a range of experimental analysis has been carried out in order to realise the critical component technologies which include low-cost, 10G-capable, wavelength-tuneable transmitters for mass-market residential deployment and the development of gain-stabilised optical amplifier nodes to support the targeted physical reach (≥ 100km) and split (≥ 512). Finally, the feasibility of the proposed dynamically reconfigurable LR-PON configurations as a flexible and cost-effective solution for future access networks is verified through full-scale network demonstrations using an experimental laboratory test-bed

Investigation of wavelength tunable laser modules for use in future optically switched dense wavelength division multiplexed networks

This thesis investigates the use of fast wavelength tunable laser modules in future optically switched dense wavelength division multiplexed networks (DWDM). The worldwide demand for increasingly greater broadband access has thus far been satisfied by the use of DWDM networks, enabled by the development of the erbium doped amplifier. However as this demand continues to grow electronic switching at network nodes will become a limiting factor, creating a potential bandwidth mismatch between the fibre capacities and switching capacity. Optical switching has been proposed to overcome this electronic bottleneck and fully utilize the enormous bandwidth offered by fibre. Fast tunable lasers (TLs) are a key technology in this area, enabling fast wavelength switching. Experimental work involving the fast wavelength switching of sampled grating distributed Bragg reflector TL modules is presented. Spurious mode generation during wavelength tuning is shown to cause severe cross-channel interference on other data channels in a DWDM test bed. Bit error rate (BER) results demonstrate that a integrated semiconductor optical amplifier can greatly reduce system degradation caused by asynchronous switching of multiple TLs. This is achieved by optically blanking the laser output during channel transition for a period of 60 ns. Immediately after the blanking period a wavelength drift due to the TL module wavelength locking is found to cause cross channel interference and introduce an error floor >1 e-4 on the BER performance characteristic of an adjacent channel in a 12.5 GHz spaced DWDM network. This drift is characterised, using a selfheterodyne and a filter based approach – Error free performance is subsequently demonstrated by using an extended blanking period of 260 ns or by using subcarrier multiplexing transmission and phase selective demodulation before detection. A DWDM optical label switching system, utilizing 40 Gbit/s payload data with low data rate labels placed on a 40 GHz sub-carrier and using TL transmitters is presented. Channel performance is monitored on a static channel as a second data channel is tuned into an adjacent channel on a 100 GHz spaced grid. Error free performance is demonstrated only for the channel payload – Time resolved BER results in agreement with the TL wavelength drift are measured and demonstrate a detrimental influence of the drift on the sub-carrier label performance

Study and application of spectral monitoring techniques for optical network optimization

One of the possible ways to address the constantly increasing amount of heterogeneous and variable internet traffic is the evolution of the current optical networks towards a more flexible, open, and disaggregated paradigm. In such scenarios, the role played by Optical Performance Monitoring (OPM) is fundamental. In fact, OPM allows to balance performance and specification mismatches resulting from the disaggregation adoption and provides the control plane with the necessary feedback to grant the optical networks an adequate automation level. Therefore, new flexible and cost-effective OPM solutions are needed, as well as novel techniques to extract the desired information from the monitored data and process and apply them. In this dissertation, we focus on three aspects related to OPM. We first study a monitoring data plane scheme to acquire the high resolution signal optical spectra in a nonintrusive way. In particular, we propose a coherent detection based Optical Spectrum Analyzer (OSA) enhanced with specific Digital Signal Processing (DSP) to detect spectral slices of the considered optical signals. Then, we identify two main placement strategies for such monitoring solutions, enhancing them using two spectral processing techniques to estimate signal- and optical filter-related parameters. Specifically, we propose a way to estimate the Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise or its related Optical Signal-to-Noise (OSNR) using optical spectra acquired at the egress ports of the network nodes and the filter central frequency and 3/6 dB bandwidth, using spectra captured at the ingress ports of the network nodes. To do so, we leverage Machine Learning (ML) algorithms and the function fitting principle, according to the considered scenario. We validate both the monitoring strategies and their related processing techniques through simulations and experiments. The obtained results confirm the validity of the two proposed estimation approaches. In particular, we are able to estimate in-band the OSNR/ASE noise within an egress monitor placement scenario, with a Maximum Absolute Error (MAE) lower than 0.4 dB. Moreover, we are able to estimate the filter central frequency and 3/6 dB bandwidth, within an ingress optical monitor placement scenario, with a MAE lower than 0.5 GHz and 0.98 GHz, respectively. Based on such evaluations, we also compare the two placement scenarios and provide guidelines on their implementation. According to the analysis of specific figures of merit, such as the estimation of the Signal-to-Noise Ratio (SNR) penalty introduced by an optical filter, we identify the ingress monitoring strategy as the most promising. In fact, when compared to scenarios where no monitoring strategy is adopted, the ingress one reduced the SNR penalty estimation by 92%. Finally, we identify a potential application for the monitored information. Specifically, we propose a solution for the optimization of the subchannel spectral spacing in a superchannel. Leveraging convex optimization methods, we implement a closed control loop process for the dynamical reconfiguration of the subchannel central frequencies to optimize specific Quality of Transmission (QoT)-related metrics. Such a solution is based on the information monitored at the superchannel receiver side. In particular, to make all the subchannels feasible, we consider the maximization of the total superchannel capacity and the maximization of the minimum superchannel subchannel SNR value. We validate the proposed approach using simulations, assuming scenarios with different subchannel numbers, signal characteristics, and starting frequency values. The obtained results confirm the effectiveness of our solution. Specifically, compared with the equally spaced subchannel scenario, we are able to improve the total and the minimum subchannel SNR values of a four subchannel superchannel, of 1.45 dB and 1.19 dB, respectively.Una de las posibles formas de hacer frente a la creciente cantidad de tráfico heterogéneo y variable de Internet es la evolución de las actuales redes ópticas hacia un paradigma más flexible, abierto y desagregado. En estos escenarios, el papel que desempeña el modulo óptico de monitorización de prestaciones (OPM) es fundamental. De hecho, el OPM permite equilibrar los desajustes de rendimiento y especificación, los cuales surgen con la adopción de la desagregación; del mismo modo el OPM también proporciona al plano de control la realimentación necesaria para otorgar un nivel de automatización adecuado a las redes ópticas. En esta tesis, nos centramos en tres aspectos relacionados con el OPM. En primer lugar, estudiamos un esquema de monitorización para adquirir, de forma no intrusiva, los espectros ópticos de señales de alta resolución. En concreto, proponemos un analizador de espectro óptico (OSA) basado en detección coherente y mejorado con un específico procesado digital de señal (DSP) para detectar cortes espectrales de las señales ópticas consideradas. A continuación, presentamos dos técnicas de colocación para dichas soluciones de monitorización, mejorándolas mediante dos técnicas de procesamiento espectral para estimar los parámetros relacionados con la señal y el filtro óptico. Específicamente, proponemos un método para estimar el ruido de emisión espontánea amplificada (ASE), o la relación de señal-ruido óptica (OSNR), utilizando espectros ópticos adquiridos en los puertos de salida de los nodos de la red. Del mismo modo, estimamos la frecuencia central del filtro y el ancho de banda de 3/6 dB, utilizando espectros capturados en los puertos de entrada de los nodos de la red. Para ello, aprovechamos los algoritmos de Machine Learning (ML) y el principio de function fitting, según el escenario considerado. Validamos tanto las estrategias de monitorización como las técnicas de procesamiento mediante simulaciones y experimentos. Se puede estimar en banda el ruido ASE/OSNR en un escenario de colocación de monitores de salida, con un Maximum Absolute Error (MAE) inferior a 0.4 dB. Además, se puede estimar la frecuencia central del filtro y el ancho de banda de 3/6 dB, dentro de un escenario de colocación de monitores ópticos de entrada, con un MAE inferior a 0.5 GHz y 0.98 GHz, respectivamente. A partir de estas evaluaciones, también comparamos los dos escenarios de colocación y proporcionamos directrices sobre su aplicación. Según el análisis de específicas figuras de mérito, como la estimación de la penalización de la relación señal-ruido (SNR) introducida por un filtro óptico, demostramos que la estrategia de monitorización de entrada es la más prometedora. De hecho, utilizar un sistema de monitorización de entrada redujo la estimación de la penalización del SNR en un 92%. Por último, identificamos una posible aplicación para la información monitorizada. En concreto, proponemos una solución para la optimización del espaciado espectral de los subcanales en un supercanal. Aprovechando los métodos de optimización convexa, implementamos un proceso cíclico de control cerrado para la reconfiguración dinámica de las frecuencias centrales de los subcanales con el fin de optimizar métricas específicas relacionadas con la calidad de la transmisión (QoT). Esta solución se basa en la información monitorizada en el lado del receptor del supercanal. Validamos el enfoque propuesto mediante simulaciones, asumiendo escenarios con un diferente número de subcanales, distintas características de la señal, y diversos valores de la frecuencia inicial. Los resultados obtenidos confirman la eficacia de nuestra solución. Más específicatamente, en comparación con el escenario de subcanales igualmente espaciados, se pueden mejorar los valores totales y minimos de SNR de los subcanales de un supercanal de cuatro subcanales, de 1.45 dB y 1.19 dB, respectivamentePostprint (published version

Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described.[ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC).[CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es presePiqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264TESI