Field-Trial of a high-budget, filterless, lambda-to-the-user, UDWDM-PON enabled by an innovative class of low-cost coherent transceivers

©2017 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.We experimentally demonstrate an innovative ultradense wavelength division multiplexing (UDWDM) passive optical networks (PON) that implements the full ¿-to-the-user concept in a filterless distribution network. Key element of the proposed system is a novel class of coherent transceivers, purposely developed with a nonconventional technical approach. Indeed, they are designed and realized to avoid D/A-A/D converter stages and digital signal processing in favor of simple analog processing so that they match system, cost, and power consumption requirements of the access networks without sacrificing the overall performance. These coherent transceivers target different use case scenarios (residential, business, fixed, wireless) still keeping perfect compatibility and co-existence with legacy infrastructures installed to support gray, time division multiplexed PON systems. Moreover, the availability of coherent transceivers of different cost/performance ratios allows for deployments of different quality service grades. In this paper, we report the successful field trial of the proposed systems in a testbed where 14 UDWDM channels (and one legacy E-PON system) are transmitted simultaneously in a dark-fiber network deployed in the city of Pisa (Italy), delivering real-time and/or test traffic. The trial demonstrated filterless operations (each remote node selects individually its own UDWDM channel on a fine 6.25-GHz grid), real-time GbE transmissions (by using either fully analog or light digital signal processing), multirate transmission (1.25 and 10 Gb/s), high optical distribution network loss (18-40 dB) as well as a bidirectional channel monitoring system.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

First demonstration and field trial on multi-user UDWDM-PON full duplex PSK-PSK with single monolithic integrated dual-output-DFB-SOA based ONUs

© 2016 [2016 Optical Society of America.]. One print or electronic copy may be made for personal use only. Systematic reproduction and distribution, duplication of any material in this paper for a fee or for commercial purposes, or modifications of the content of this paper are prohibited.We demonstrate a monolithically integrated dual-output DFB-SOA, and conduct the field trial on a multi-user bidirectional coherent ultradense wavelength division multiplexing-passive optical network (UDWDM-PON). To the best of our knowledge, this is the first achievement of simplified single integrated laser-based neighboring coherent optical network units (ONUs) with a 12.5 GHz channel spaced ultra-dense access network, including both downstream and upstream, taking the benefits of low footprint and low-temperature dependence.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

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

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

Ultrafast wavelength jumping and wavelength adjustment with low current using monolithically integrated FML for long-reach UDWDM-PON

Ultrafast wavelength jumping at optical network units (ONUs) for an access network with frequency modulated lasers (FMLs) is demonstrated. This FML consists of an intracavity tunable phase section and filtering gain section. It provides a total of 4.2 nm tuning range with fast wavelength jumping (2.2 nm in 1 µs) and fast adjustment (1.3 nm in 1.8 ns), providing a candidate for the fast tuning ONU for coherent ultradense wavelength-division multiplexing passive optical networks (WDM-PONs).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Integrated Optical-Wireless Interface and Detection

This chapter elaborates on the beneficial aspects and hardware implementations of incorporating ultradense WDM-PONs (UDWDM-PONs) with hybrid optical-wireless fronthaul links and fiber to the home applications. Simulation results on the synthesis of a low-cost and low-energy consumption optoelectronic unit within the future 5G base stations (BS) are presented. In addition, an advanced neural network is investigated capable of compensating for the linear and nonlinear effects induced by semiconductor optical amplifiers (SOA)

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

Simplified carrier recovery for intradyne optical PSK receivers in udWDM-PON

©2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.We present an optimized carrier recovery architecture based on differential detection for coherent optical receivers that substantially reduces the required DSP hardware resources, aimed at cost-effective transceivers for access networks applications. The proposed architecture shares the 1-symbol complex correlation required for differential phase detection within both the frequency estimation and the phase recovery blocks of the receiver DSP, thus lowering the energy consumption of the digital coherent receiver and increasing the tolerance against fast wavelength drifts of the lasers. We prototyped the proposed carrier recovery in a commercial field-programmable gate array (FPGA) for real-time evaluation with differential phase shift keying (DPSK) data at 1.25 Gb/s. The optical transmission system implemented direct-phase modulation of commercial DFB lasers, 25 km of single-mode fiber, and a coherent intradyne receiver with low-cost optical front-end based on 3×3 coupler and three photodiodes providing phase-diversity operation. Results show high performance in real time for DPSK, achieving -55 dBm sensitivity at BER = 10 -3 in a 6.25 GHz spaced ultra-dense wavelength-division multiplexing grid, high tolerance to optical phase noise, and enhanced mitigation of the fast wavelength drifts from lasers enabled by feedforward DSP correction and feed-back local oscillator automatic tuning.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Doutoramento em Engenharia Electrotécnica/TelecomunicaçõesEste trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.This work investigates novel methodologies and models for Next-Generation Optical Access Networks (NG-OAN). The work is divided into four main topics of research: network design, numerical models for fiber nonlinear effects, impact of fiber nonlinear effects and network optimization. The used case optical access network is designed to cope with high user density over extended reach, i.e. support large number of users ( 1000) with high speed dedicated connections ( 1 Gb/s) in a narrow bandwidth ( 25 nm) distributed up to 100 km. The scenarios rely on Ultra-Dense Wavelength-Division Multiplexing Passive Optical Networks (UDWDM-PON) employing coherent transceivers in the network terminals. The network is evaluated for various transmission rates using advanced modulation formats, transmitters and receivers specifications, user bandwidth requirements and coexistence with legacy Passive Optical Network (PON) technologies. Numerical models based on Volterra Series Transfer Function (VSTF) are demonstrated for both the analysis of fiber nonlinear effects and evaluation of the overall network performance. It is presented the power and transmission ranges that Volterra series provides accurate results, compared to the reference model Split-Step Fourier (SSF) (experimentally validated), for the overall network performance. Moreover, an algorithm is proposed to provide fast numerical calculations of the series by avoiding zero intensity signal frequency components. The VSTF model is extended to identify the sole effect of the most relevant fiber nonlinearities in UDWDM-PON network scenarios: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) and Four-Wave Mixing (FWM). Numerical simulations are performed to identify the impact of each nonlinear effect, SPM, XPM and FWM, on the performance of coherent UDWDMPON transporting either M-ary PSK (Phase-Shift Keying) or M-ary QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulated channels. The analysis is extended to different lengths of Standard Single-Mode Fibers (SSMF), power per channel and bit rate per channel. From that, analytic expressions are extrapolated to find the evolution of SPM, XPM and FWM with power and transmission distance for NG-AON scenarios. The performance of the network is optimized by mitigating some of the FWM crosstalk (unequally spaced channels), which in this case is the most relevant fiber nonlinear effect. The directions for further performance improvements are pointed out for scenarios in which XPM is enhanced, i.e. networks transporting QAM signaling. The solution in this case is based on digital signal processing techniques

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 /