0.596 Pb/s S, C, L-Band Transmission in a 125μm Diameter 4-Core Fiber using a Single Wideband Comb Source

We demonstrate 596.4 Tb/s over a standard cladding diameter fiber with 4 single-mode cores, using a single wideband optical comb source to provide 25 GHz spaced carriers over 120 nm range across S, C and L bands

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

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

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

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

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

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

Capacity limits of crosstalk-limited multi-core fiber systems

Space division multiplexing (SDM) is mainly seen as a way to increase data throughput and handle the fact that the data capacity of single mode single core fiber (SMSCF) is reaching its limit. Transmissions with capacities in the order of petabit per second have already been demonstrated using multi-core fibers (MCFs) with single mode transmission in each core. The performance of these systems is limited by the intercore crosstalk (ICXT). This dissertation analyzes the impact of the ICXT as a constraining element of the capacity of coherent detection optical communication networks that use the flexible grid over the C-band. The total capacity of the link, which is given by the number of cores allowed of a weakly-coupled (WC) MCF for each modulation format, is imposed by the maximum mean ICXT power acceptable for the connection. Link impairments such as the wavelength dependence of ICXT power over the transmission band and the nonlinear interference (NLI) noise due to MCF non-linear effects are also considered in the analysis. The total data capacities for metro networks, regional networks and long-distance networks are assessed for a W-profile MCF supported communication links. Considering the impairments of the link as the wavelength dependence of ICXT power over the transmission band and the NLI effects, the total capacities of 483.84 Tb/s by 32-QAM, 430 Tb/s by 32-QAM and 206.08 Tb/s by 4-QAM are achieved for the metro (represented with a link distance of 50 km), regional (represented with a link distance of 500 km) and long-distance networks (represented with a link distance of 5000 km), respectively.A multiplexagem por divisão no espaço usando fibras ópticas multi-núcleo tem sido extensivamente proposta para conseguir transmissão de capacidade ultra-elevada e lidar com o facto de que fibra composta por um núcleo estar perto de atingir o seu limite. Já foram demonstradas transmissões com capacidades na ordem dos petabit por segundo usando fibras multi-núcleo. O desempenho destes sistemas, é, no limite, imposto pela diafonia entre núcleos e por isso é feita uma análise da diafonia em sistemas coerentes que utilizam a grelha flexível na banda C. A capacidade do sistema é dada pelo número de núcleos permitidos nas fibras multi-núcleo fracamente acopladas para cada formato de modulação que é imposta pela potência média máxima da diafonia entre núcleos para uma dada distância. Os constrangimentos da ligação, como a dependência do comprimento de onda da potência da diafonia entre núcleos na banda de transmissão e o efeito da interferência não linear, são considerados. A capacidade de redes metropolitanas, regionais e de longa distância são avaliadas para as fibras multi-núcleo de perfil fracamente acopladas. Considerando os constrangimentos da ligação como a dependência do comprimento de onda da potência da diafonia entre núcleos na banda de transmissão e os efeitos não lineares, a capacidade total de 483.84 Tb/s usando o formato de modulação 32-QAM , 430 Tb/s usando o formato de modulação 32-QAM e 206.08 Tbs/s e usando o formato de modulação 4-QAM é alcançada para as redes metropolitanas (50 km), regionais (500 km) e de longa distância (5000 km), respectivamente

Redes ópticas passivas avançadas e de cobertura estendida

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesA grande procura por largura de banda acompanhada pelas preocupações económicas tornaram as Redes Ópticas Passivas o foco das operadoras de telecomunicações. A intensificação dos trabalhos nesta área levou à criação de vários standards e intensificou a investigação na área. Ao longo deste trabalho os requisitos definidos na norma EPON e GPON foram analisados bem como algumas das futuras alternativas. Seguiu-se a caracterização dos sistemas EPON e GPON existentes no laboratório. Finalmente um protótipo para um Reach Extender previamente desenvolvido é analisado e testado tendo em vista provar o seu funcionamento com tráfego GPON.The high demand for bandwidth accompanied by economic worries has made the passive optical networks the focus of telecommunication operators. The intensification of works on this area has led to the creation of several standards and intensified the researches. Throughout the work, the requirements defined in the standard EPON and GPON are analyzed as well as future alternatives. Later, EPON and GPON systems are characterized, and finally a prototype previously developed is adjusted, analyzed and tested in order to prove its operation in GPON

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 /