Using global existing fiber networks for environmental sensing

We review recent advances in distributed fiber optic sensing (DFOS) and their applications. The scattering mechanisms in glass, which are exploited for reflectometry-based DFOS, are Rayleigh, Brillouin, and Raman scatterings. These are sensitive to either strain and/or temperature, allowing optical fiber cables to monitor their ambient environment in addition to their conventional role as a medium for telecommunications. Recently, DFOS leveraged technologies developed for telecommunications, such as coherent detection, digital signal processing, coding, and spatial/frequency diversity, to achieve improved performance in terms of measurand resolution, reach, spatial resolution, and bandwidth. We review the theory and architecture of commonly used DFOS methods. We provide recent experimental and field trial results where DFOS was used in wide-ranging applications, such as geohazard monitoring, seismic monitoring, traffic monitoring, and infrastructure health monitoring. Events of interest often have unique signatures either in the spatial, temporal, frequency, or wavenumber domains. Based on the temperature and strain raw data obtained from DFOS, downstream postprocessing allows the detection, classification, and localization of events. Combining DFOS with machine learning methods, it is possible to realize complete sensor systems that are compact, low cost, and can operate in harsh environments and difficult-to-access locations, facilitating increased public safety and smarter cities

Design tradeoffs and challenges in practical coherent optical transceiver implementations

This tutorial discusses the design and ASIC implementation of coherent optical transceivers. Algorithmic and architectural options and tradeoffs between performance and complexity/power dissipation are presented. Particular emphasis is placed on flexible (or reconfigurable) transceivers because of their importance as building blocks of software-defined optical networks. The paper elaborates on some advanced digital signal processing (DSP) techniques such as iterative decoding, which are likely to be applied in future coherent transceivers based on higher order modulations. Complexity and performance of critical DSP blocks such as the forward error correction decoder and the frequency-domain bulk chromatic dispersion equalizer are analyzed in detail. Other important ASIC implementation aspects including physical design, signal and power integrity, and design for testability, are also discussed.Fil: Morero, Damián Alfonso. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. ClariPhy Argentina S.A.; ArgentinaFil: Castrillon, Alejandro. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; ArgentinaFil: Aguirre, Alejandro. ClariPhy Argentina S.A.; ArgentinaFil: Hueda, Mario Rafael. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Estudios Avanzados en Ingeniería y Tecnología. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Instituto de Estudios Avanzados en Ingeniería y Tecnología; ArgentinaFil: Agazzi, Oscar Ernesto. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. ClariPhy Argentina S.A.; Argentin

Roadmap on multimode photonics

Multimode devices and components have attracted considerable attention in the last years, and different research topics and themes have emerged very recently. The multimodality can be seen as an additional degree of freedom in designing devices, thus allowing for the development of more complex and sophisticated components. The propagation of different modes can be used to increase the fiber optic capacity, but also to introduce novel intermodal interactions, as well as allowing for complex manipulation of optical modes for a variety of applications. In this roadmap we would like to give to the readers a comprehensive overview of the most recent developments in the field, presenting contributions coming from different research topics, including optical fiber technologies, integrated optics, basic physics and telecommunications

Cognitive and Autonomous Software-Defined Open Optical Networks

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Anwendung von maschinellem Lernen in der optischen Nachrichtenübertragungstechnik

Aufgrund des zunehmenden Datenverkehrs wird erwartet, dass die optischen Netze zukünftig mit höheren Systemkapazitäten betrieben werden. Dazu wird bspw. die kohärente Übertragung eingesetzt, bei der das Modulationsformat erhöht werden kann, erforder jedoch ein größeres SNR. Um dies zu erreichen, wird die optische Signalleistung erhöht, wodurch die Datenübertragung durch die nichtlinearen Beeinträchtigungen gestört wird. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung von Modellen des maschinellen Lernens, die auf diese nichtlineare Signalverschlechterung reagieren. Es wird die Support-Vector-Machine (SVM) implementiert und als klassifizierende Entscheidungsmaschine verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die SVM eine verbesserte Kompensation sowohl der nichtlinearen Fasereffekte als auch der Verzerrungen der optischen Systemkomponenten ermöglicht. Das Prinzip von EONs bietet eine Technologie zur effizienten Nutzung der verfügbaren Ressourcen, die von der optischen Faser bereitgestellt werden. Ein Schlüsselelement der Technologie ist der bandbreitenvariable Transponder, der bspw. die Anpassung des Modulationsformats oder des Codierungsschemas an die aktuellen Verbindungsbedingungen ermöglicht. Um eine optimale Ressourcenauslastung zu gewährleisten wird der Einsatz von Algorithmen des Reinforcement Learnings untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der RL-Algorithmus in der Lage ist, sich an unbekannte Link-Bedingungen anzupassen, während vergleichbare heuristische Ansätze wie der genetische Algorithmus für jedes Szenario neu trainiert werden müssen

Spacecraft 2000

The objective of the Workshop was to focus on the key technology area for 21st century spacecraft and the programs needed to facilitate technology development and validation. Topics addressed include: spacecraft systems; system development; structures and materials; thermal control; electrical power; telemetry, tracking, and control; data management; propulsion; and attitude control

Fiber Optic Sensors in Chemical and Biological Applications

The Special Issue "Fiber Optic Sensors in Chemical and Biological Applications” gathers recent original papers. The subjects of the papers cover a broad range of optical fiber chemical sensors and biosensors applied for regulation in bioreactors, to novel concepts of intrinsic optical fiber sensors

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 /

The Federal Conference on Intelligent Processing Equipment

Research and development projects involving intelligent processing equipment within the following U.S. agencies are addressed: Department of Agriculture, Department of Commerce, Department of Energy, Department of Defense, Environmental Protection Agency, Federal Emergency Management Agency, NASA, National Institutes of Health, and the National Science Foundation

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