Optical network technologies for future digital cinema

Digital technology has transformed the information flow and support infrastructure for numerous application domains, such as cellular communications. Cinematography, traditionally, a film based medium, has embraced digital technology leading to innovative transformations in its work flow. Digital cinema supports transmission of high resolution content enabled by the latest advancements in optical communications and video compression. In this paper we provide a survey of the optical network technologies for supporting this bandwidth intensive traffic class. We also highlight the significance and benefits of the state of the art in optical technologies that support the digital cinema work flow

Design and Experimental Characterization of EDFA Based WDM Ring Networks with Free ASE Light Re-circulation and Link Control for Network Survivability

In this paper, we theoretically and experimentally investigate the performance of erbium-doped fiber amplifier (EDFA)-based WDM ring networks with free amplified spontaneous emission (ASE) light recirculation. We show that, with proper network and amplifier design, the lasing light generated by free ASE recirculation within the looped network provides an effective gain clamping technique, ensuring limited signal power excursions under WDM channels add-drop operations. Considering a ring network composed of eight fiber sections and eight EDFAs, maximum signal power overshoots below 2.5 dB have been measured under 23 24 WDM channels drop. Optical signal-to-noise ratio (OSNR) analysis and bit-error rate (BER) measurement at 10 Gb/s confirm acceptable performances and negligible penalties due to polarization effects and relative intensity noise transfer from laser light to WDM signals. We also propose and demonstrate a new link control technique which overcomes the main limiting factors of such networks, respectively, related to OSNR degradation, stability and survivability to fiber and EDFA breakages

Error mitigation using RaptorQ codes in an experimental indoor free space optical link under the influence of turbulence

This paper is a postprint of a paper submitted to and accepted for publication in [journal] and is subject to Institution of Engineering and Technology Copyright. The copy of record is available at IET Digital LibraryIn free space optical (FSO) communications, several factors can strongly affect the link quality. Among them, one of the most important impairments that can degrade the FSO link quality and its reliability even under the clear sky conditions consists of optical turbulence. In this work, the authors investigate the generation of both weak and moderate turbulence regimes in an indoor environment to assess the FSO link quality. In particular, they show that, due to the presence of the turbulence, the link experiences both erasure errors and packet losses during transmission, and also compare the experimental statistical distribution of samples with the predicted Gamma Gamma model. Furthermore, the authors demonstrate that the application of the RaptorQ codes noticeably improves the link quality decreasing the packet error rate (PER) by about an order of magnitude, also offering in certain cases an error-free transmission with a PER of ∼10−2 at Rytov variance value of 0.5. The results show that the recovery rate increases with the redundancy, the packet length and the number of source packets, and it decreases with increasing data rates.This work was supported by the European Space Agency under grant no. 5401001020. We are very grateful to Dr. E. Armandillo for enlightening discussions. This research project also falls within the frame of COST ICT Action IC1101 - Optical Wireless Communications - An Emerging Technology (OPTICWISE). J. Perez's work is supported by Spanish MINECO Juan de la Cierva JCI-2012-14805.Pernice, R.; Parisi, A.; Ando, A.; Mangione, S.; Garbo, G.; Busacca, AC.; Perez, J.... (2015). Error mitigation using RaptorQ codes in an experimental indoor free space optical link under the influence of turbulence. IET Communications. 9(14):1800-1806. https://doi.org/10.1049/iet-com.2015.0235S18001806914Tsukamoto, K., Hashimoto, A., Aburakawa, Y., & Matsumoto, M. (2009). The case for free space. IEEE Microwave Magazine, 10(5), 84-92. doi:10.1109/mmm.2009.933086Paraskevopoulos, A., Vučić, J., Voss, S.-H., Swoboda, R., & Langer, K.-D. (2010). Optical Wireless Communication Systems in the Mb/s to Gb/s Range, Suitable for Industrial Applications. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 15(4), 541-547. doi:10.1109/tmech.2010.2051814Ghassemlooy, Z., Le Minh, H., Rajbhandari, S., Perez, J., & Ijaz, M. (2012). Performance Analysis of Ethernet/Fast-Ethernet Free Space Optical Communications in a Controlled Weak Turbulence Condition. Journal of Lightwave Technology, 30(13), 2188-2194. doi:10.1109/jlt.2012.2194271Ciaramella, E., Arimoto, Y., Contestabile, G., Presi, M., D’Errico, A., Guarino, V., & Matsumoto, M. (2009). 1.28-Tb/s (32 $\times$ 40 Gb/s) Free-Space Optical WDM Transmission System. IEEE Photonics Technology Letters, 21(16), 1121-1123. doi:10.1109/lpt.2009.2021149Parca, G. (2013). Optical wireless transmission at 1.6-Tbit/s (16×100  Gbit/s) for next-generation convergent urban infrastructures. Optical Engineering, 52(11), 116102. doi:10.1117/1.oe.52.11.116102Hulea, M., Ghassemlooy, Z., Rajbhandari, S., & Tang, X. (2014). Compensating for Optical Beam Scattering and Wandering in FSO Communications. Journal of Lightwave Technology, 32(7), 1323-1328. doi:10.1109/jlt.2014.2304182Ghassemlooy, Z., Popoola, W. O., Ahmadi, V., & Leitgeb, E. (2009). MIMO Free-Space Optical Communication Employing Subcarrier Intensity Modulation in Atmospheric Turbulence Channels. Communications Infrastructure. Systems and Applications in Europe, 61-73. doi:10.1007/978-3-642-11284-3_7Garcia-Zambrana, A. (2007). Error rate performance for STBC in free-space optical communications through strong atmospheric turbulence. IEEE Communications Letters, 11(5), 390-392. doi:10.1109/lcomm.2007.061980Abou-Rjeily, C. (2011). On the Optimality of the Selection Transmit Diversity for MIMO-FSO Links with Feedback. IEEE Communications Letters, 15(6), 641-643. doi:10.1109/lcomm.2011.041411.110312García-Zambrana, A., Castillo-Vázquez, C., & Castillo-Vázquez, B. (2010). Rate-adaptive FSO links over atmospheric turbulence channels by jointly using repetition coding and silence periods. Optics Express, 18(24), 25422. doi:10.1364/oe.18.025422Andò, A., Mangione, S., Curcio, L., Stivala, S., Garbo, G., Pernice, R., & Busacca, A. C. (2013). Recovery Capabilities of Rateless Codes on Simulated Turbulent Terrestrial Free Space Optics Channel Model. International Journal of Antennas and Propagation, 2013, 1-8. doi:10.1155/2013/692915MacKay, D. J. C. (2005). Fountain codes. IEE Proceedings - Communications, 152(6), 1062. doi:10.1049/ip-com:20050237Shokrollahi, A. (2006). Raptor codes. IEEE Transactions on Information Theory, 52(6), 2551-2567. doi:10.1109/tit.2006.874390Anguita, J. A., Neifeld, M. A., Hildner, B., & Vasic, B. (2010). Rateless Coding on Experimental Temporally Correlated FSO Channels. Journal of Lightwave Technology, 28(7), 990-1002. doi:10.1109/jlt.2010.2040136Wang, N., & Cheng, J. (2010). Moment-based estimation for the shape parameters of the Gamma-Gamma atmospheric turbulence model. Optics Express, 18(12), 12824. doi:10.1364/oe.18.012824Zvanovec, S., Perez, J., Ghassemlooy, Z., Rajbhandari, S., & Libich, J. (2013). Route diversity analyses for free-space optical wireless links within turbulent scenarios. Optics Express, 21(6), 7641. doi:10.1364/oe.21.007641Pernice, R., Perez, J., Ghassemlooy, Z., Stivala, S., Cardinale, M., Curcio, L., … Parisi, A. (2015). Indoor free space optics link under the weak turbulence regime: measurements and model validation. IET Communications, 9(1), 62-70. doi:10.1049/iet-com.2014.043

Label-controlled optical switching nodes

Optical networks are evolving from initially static optical circuits and subsequently optical circuit switching towards optical packet switching in order to take advan- tage of the high transport capacity made available by WDM systems in a more °exible and e±cient way. Optically labeling of packets and routing the packets's payload optically under control of its label allows the network nodes to route and forward IP data without having to process the payload, thus keeping it in the optical domain; this is a promising solution to avoid electronic bottlenecks in routers. All-optical label switching can therefore be used to route and forward packets independent of their length and payload bitrate. Several optical signal labeling techniques have been proposed in previous re- search reported in literature; orthogonal labeling and time-serial labeling have been studied in this thesis. This thesis studies two orthogonal modulation label- ing techniques: one based on FSK labels with an IM payload, and another one on SCM labeling for a DPSK modulated payload. A time-serial labeling method based on IM labels with IM or DPSK payload is also presented and studied. The ¯rst two techniques assume electronic processing of the labels in the node, and hence assume that labels can be transmitted at a much lower bitrate than the payload data rate. The third technique assumes all-optical signal processing in the nodes, capable of handling a label at the same bitrate or slightly lower than the payload data. Labels at low bitrate in comparison with the payload bitrate are desirable in systems where the label processing will be conducted in the electrical domain, while labels at the same bitrate as the payload can be used in systems where the processing is conducted in the optical domain, exploiting all-optical processing techniques. These three techniques have been chosen because they are compatible with the existing networks, since the modulation format, bitrates, transmission properties, and other features of the signals are similar to the ones used for commercially available applications. Thus, they can be considered important candidates for migration scenarios from optical circuit switching towards optical burst switching networking. Orthogonal labeling based on FSK/IM is a promising scheme for implementing the labeling of optical signals, and it is the technology of choice in the STOLAS project. This technique o®ers advantageous features such as a relaxed timing de- lineation between payload and label, and ease of label erasure and re-writing of new labels. By using wavelength-agile tunable laser sources with FSK modula- tion capability, wavelength converters, and passive wavelength routing elements, a scalable modular label-controlled router featuring high reliability can be built. In this thesis, several aspects of the physical parameters of an FSK/IM labeling scheme within a routing node have been studied and presented. Optical ¯ltering requires special care, since the combined FSK/IM scheme has a broader spectrum than that of pure intensity modulated signals. The requirements on the limited extinction ratio for the IM signal can be relaxed at low bitrates of the label signal or, alternatively, by introducing data encoding. Optical labeling by using FSK/IM represents a simple and attractive way of implementing hybrid optical circuit and burst switching in optical networks. Architecturally, similar advantages can be mentioned for the second orthogo- nal labeling technique studied in this thesis, based on SCM labels and a DPSK payload. In-band subcarriers carrying low bitrate labels located at a frequency equal to half the bitrate of the payload signal can be inserted introducing only low power penalties. Wavelength conversion can be implemented by using passive highly nonlinear ¯bers and exploiting the four-wave mixing e®ect. This thesis also studies the design of two functional blocks of an all-optical core node proposed in the LASAGNE project, namely the all-optical label and payload separator and the wavelength converter unit for a time-serial labeling scheme. The label and payload processor can be realized exploiting nonlinear e®ects in SOAs. An implementation using polarization division multiplexing to transport the external control light for an IM/IM time-serial scheme was demon- strated. Label and payload processors with self-contained control signals were also demonstrated, either using a DPSK signal to simultaneously transport the payload data and the control signal or inserting a CW dummy in between the label and the payload, which were based on IM-RZ format. A study on single- and multi- wavelength conversion based on FWM in a HNLF was presented. This approach allows transparent wavelength conversion (independent of the data format used) at high bitrates (the nonlinear e®ects in a ¯ber are obtained at ultrafast speeds). The labeling techniques explored have indicated a viable way of migration towards optical burst packet switched networks while signi¯cantly improving the throughput of the routing nodes

Optical code division multiple access systems in AlGaInAs/InP

The rise of photonic integration makes optical code division multiple access (OCDMA) worth revisiting due to its promising role in future all-optical networks. OCDMA has the potential to exploit the surplus bandwidth of optical fibres and to carry over to the optical domain the benefits seen CDMA radio communication systems, such as the effective sharing of the spectrum for multiple network subscribers, and resistance to jamming and eavesdropping. One of the major requirements for the deployment of OCDMA in networks is integration. This thesis presents a research study of integrated OCDMA systems using the AlGaInAs/InP semiconductor material system. This material is considered due to its useful intrinsic properties such as thermal stability, strong electron confinement, and low threshold, making it suitable for fabricating optoelectronic devices. Two bespoke OCDMA systems are considered for integration: coherent temporal phase coding (TPC), and incoherent wavelength-hopping time-spreading (WHTS) OCDMA systems. TPC systems are excellent for high speed communications due to their static en/decoding enabling features. In this research, a 2×2 asymmetric Mach Zehnder interferometer (AMZI) is used to generate a 2-bit phase code, allowing multiplexing for up to four users. A semiconductor mode-locked ring laser is also embedded in the circuit, and using a synchronous mode-locking method, adequate signal en/decoding is achieved. WHTS systems on the other hand fully exploit the spectral and temporal space available in networks by assigning each user with a unique wavelength-time hop sequence for en/decoding data signals. Here, a mode-locked laser array is used with intracavity distributed Bragg reflectors (DBRs) for spectrally tuning each laser, and a 4:1 multimode interference coupler is used to combine the laser signals into a single channel for amplification, modulation and transmission. The integrated system is fully characterised and synchronisation experiments are performed to show the potential for its use in high speed multi-user networks. Mode-locked lasers play an important role in many OCDMA implementations due to their wide spectrum and discrete temporal properties, which can be easily exploited during data en/decoding. Various mode-locked laser devices have been studied during this research with additional embedded components such as intracavity DBRs and phase controllers for precise tuning of the wavelength and pulse repetition frequency. However, the noisy nature of passively operating mode-locked lasers make them prone to high jitter, which can result in high bit error rates. Synchronisation schemes are thereby explored in order to temporally stabilise the pulse oscillations to make them suitable for use in long haul transmission systems. This includes synchronous and hybrid mode-locking, as well as a passive technique using an optical fibre loop to provide phase feedback, which is shown to promote ultralow RF linewidths in mode-locked lasers

Subsystems for High bit-rate Optical Networks

Questa tesi contiene parte del lavoro svolto negli ultimi tre anni presso i laboratori congiunti del CNIT e della la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, dove ho lavorato nel gruppo di Sistemi Ottici sotto la supervisione del prof. Ernesto Ciaramella, ed in parte presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Pisa, sotto la supervisione del prof. Niccolò Beverini. Durante questi anni ho avuto l'opportunità di lavorare su vari filoni di ricerca (studio di sorgenti laser impulsate, esperimenti di processamento dei segnali tutto ottico, sistemi di protezione dei guasti di rete,...) inquadrati in differenti progetti di ricerca, ed anche in Università straniere (Massachussetts Intitute of Technology MIT di Boston, USA). In questa tesi verrà comunque descritta solo una parte dei risultati sviluppati. In particolare, verrà discussa la ricerca svolta mirata alla realizzazione di sotto-sistemi che possono essere impiegati nei sistemi di comunicazione ottica (o, più in generale nelle Reti Ottiche) basate su trassmissioni di dati alla frequenza di cifra di 40 Gb/s. Ogni sottos-sistema sarà presentato seguendo un ordine che riproduce quello in cui questi sotto-sistemi sono impegati effettivamente: inizierò descrivendo una sorgente di impulsi ottici ad altissimo bit-rate da impiegare nei sistemi ottici multiplati a divisione di tempo (OTDM); si passerà poi alla descrizione di vari convertitori di lunghezza d'onda che sono utilizzati nei nodi di rete; per concludere, verrà discussa una unità tutta ottica per i recupero del sincronisimo, che è tipicamente impiegata alla fine di un sistema di trasmissione ed è usata per affiancare i ricevitori veri e propri. Tutte queste funzionalità sfruttano le proprietà ottiche non lineari di dispositivi tra i più comunemente usati nei sistemi di comunicazione ottici: le fibre ottiche e gli amplificatori ottici a semiconduttore. Oltre che dalla natura "tutto-ottica", tutti questi dispositivi (o funzionalità) sono accumunati dalla ricerca di semplicità sia realizzativa che progettuale: come verrà mostrato caso per caso, ogni sotto-sistema è stato realizzato cercando di ricorrere al minor numero possibile di dispositivi per ridurre la complessità globale. Questo è un punto fondamentale per dimostrare che le tecnologie "tutto-ottiche" possono rappresentare un'alternativa all'elettronica. Ogni "sotto-sistema" verrà trattato separatamente in un capitolo. Ogni capitolo contiene una breve discussione sulle novità introdotte, rispetto a soluzioni simili presentate in letteratura o in commercio. Benchè il lavoro riportato in questa tesi è essenzialmente di carattere sperimentale, per migliorarne la comprensione e la completezza ogni capitolo contiene dei paragrafi in cui l'argomento viene illustrato dal punto di vista teorico. La tesi è divisa in 4 capitoli secondo lo schema seguente: Una panoramica sui sistemi di comunicazione basati su fibra ottica: un capitolo introduttivo per spiegare l'evoluzione e la struttura e possibili scenari delle Reti Ottiche ed introdurre i motivi fondanti della ricerca riportata nella tesi. Una sorgente solitonica, nel capitolo 2. Questo capitolo contiene una discussione sulla progettazione e la realizzazione di una sorgente laser da impiegare in sistemi OTDM. La sorgente è progetatta per produrre impulsi di durata inferiore al picosecondo ad una frequenza di ripetizione di 40 GHz repetition rate. La sorgente è studiata per essere utilizzata direttamente nei sistemi di comunicazione, senza la necessità di dover ricorrere a stadi di processamento successivi (come la risagomatura degli impulsi, la loro compressione o la rimozione di piedistallo). Gli impulsi sono generati tramite un fenomeno di propagazione in regime non-lineare controllato in una fibra ottica particolare. Benchè la sorgente sia stata progettata per essere impiegata in sistemi OTDM, dato il suo spettro ottico largo e periodico potrebbe essere utilizzata anche in altri ambiti, come verrà discusso più volte nel corso della tesi. Esperimenti di conversione di lunghezza d'onda (includendo anche espeimenti di conversione di lunghezza d'onda multipla), nel capitolo 3. In questo capitolo, la conversione di lunghezza d'onda (ovvero il trasferimento della modulazione contenuta su un segnale ottico ad uno su una portante a lughezza d'onda differente) è dimostrata attraverso diverse tecniche, principalmente ricorrendo alle dinamiche veloci non-lineari deli amplificatori a semiconduttore. In tutti questi esperimenti, verrà trattata in dettaglio anche la realizzazione della conversione di lunghezza d'onda simultaneamente su più canali: in particolare questa funzionalità è ritenuta molto importante per le reti di accesso di prossima generazione.. Uno circuito tutto ottico per l'estrazione del segnale di sincronia da un segnale modulato nel capitolo 4. Lo schema presentato in questo capitolo per i recupero del sincronismo rappresenta un notevole passo in avanti rispetto ai circuiti presentati precedentemente in letteratura, sia in termini di efficienza che di compattezza. Il dispositivo è basato sull'implementazione tutta-ottico del Tank-Circuit (largamente utilizzato in elettronica). Questo circuito si è dimostrato molto versatile: in particolare è stato dimostrato il suo impiego con diversi formati di modulazione, sia con traffico continuo che a pacchetti. Il circuito inoltre è adatto per un'integrazione fotonica ibrida

Encaminhamento óptimo do tráfego em redes Triple Play

A Internet é responsável pelo surgimento de um novo paradigma de televisão – IPTV (Televisão sobre IP). Este serviço distingue-se de outros modelos de televisão, pois permite aos utilizadores um elevado grau de interactividade, com um controlo personalizado sobre os conteúdos a que pretende assistir. Possibilita ainda a oferta de um número ilimitado de canais, bem como o acesso a conteúdos de Vídeo on Demand (VoD). O IPTV apresenta diversas funcionalidades suportadas por uma arquitectura complexa e uma rede convergente que serve de integração a serviços de voz, dados e vídeo. A tecnologia IPTV explora ao máximo as características da Internet, com a utilização de mecanismos de Qualidade de Serviço. Surge ainda como uma revolução dentro do panorama televisivo, abrindo portas a novos investimentos por parte das empresas de telecomunicações. A Internet também permite fazer chamadas telefónicas sobre a rede IP. Este serviço é denominado VoIP (Voz sobre IP) e encontra-se em funcionamento já há algum tempo. Desta forma surge a oportunidade de poder oferecer ao consumidor final, um serviço que inclua os serviços de Internet, de VoIP e de IPTV denominado serviço Triple Play. O serviço Triple Play veio obrigar a revisão de toda a rede de transporte de forma a preparar a mesma para suportar este serviço de uma forma eficiente (QoS), resiliente (recuperação de falhas) e optimizado (Engenharia de tráfego). Em redes de telecomunicações, tanto a quebra de uma ligação como a congestão nas redes pode interferir nos serviços oferecidos aos consumidores finais. Mecanismos de sobrevivência são aplicados de forma a garantir a continuidade do serviço mesmo na ocorrência de uma falha. O objectivo desta dissertação é propor uma solução de uma arquitectura de rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada através de um encaminhamento óptimo ou quase óptimo. No âmbito deste trabalho, é realizada a análise do impacto das estratégias de encaminhamento que garantem a eficiência, sobrevivência e optimização das redes IP existentes, bem como é determinado o número limite de clientes permitido numa situação de pico de uma dada rede. Neste trabalho foram abordados os conceitos de Serviços Triple Play, Redes de Acesso, Redes Núcleo, Qualidade de Serviço, MPLS (Multi-Protocolo Label Switching), Engenharia de Tráfego e Recuperação de falhas. As conclusões obtidas das simulações efectuadas através do simulador de rede NS-2.33 (Network Simulator versão 2.33) serviram para propor a solução da arquitectura de uma rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada.Orientador: Paulo Nazareno Maia Sampai

Encaminhamento óptimo do tráfego em redes Triple Play

A Internet é responsável pelo surgimento de um novo paradigma de televisão – IPTV (Televisão sobre IP). Este serviço distingue-se de outros modelos de televisão, pois permite aos utilizadores um elevado grau de interactividade, com um controlo personalizado sobre os conteúdos a que pretende assistir. Possibilita ainda a oferta de um número ilimitado de canais, bem como o acesso a conteúdos de Vídeo on Demand (VoD). O IPTV apresenta diversas funcionalidades suportadas por uma arquitectura complexa e uma rede convergente que serve de integração a serviços de voz, dados e vídeo. A tecnologia IPTV explora ao máximo as características da Internet, com a utilização de mecanismos de Qualidade de Serviço. Surge ainda como uma revolução dentro do panorama televisivo, abrindo portas a novos investimentos por parte das empresas de telecomunicações. A Internet também permite fazer chamadas telefónicas sobre a rede IP. Este serviço é denominado VoIP (Voz sobre IP) e encontra-se em funcionamento já há algum tempo. Desta forma surge a oportunidade de poder oferecer ao consumidor final, um serviço que inclua os serviços de Internet, de VoIP e de IPTV denominado serviço Triple Play. O serviço Triple Play veio obrigar a revisão de toda a rede de transporte de forma a preparar a mesma para suportar este serviço de uma forma eficiente (QoS), resiliente (recuperação de falhas) e optimizado (Engenharia de tráfego). Em redes de telecomunicações, tanto a quebra de uma ligação como a congestão nas redes pode interferir nos serviços oferecidos aos consumidores finais. Mecanismos de sobrevivência são aplicados de forma a garantir a continuidade do serviço mesmo na ocorrência de uma falha. O objectivo desta dissertação é propor uma solução de uma arquitectura de rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada através de um encaminhamento óptimo ou quase óptimo. No âmbito deste trabalho, é realizada a análise do impacto das estratégias de encaminhamento que garantem a eficiência, sobrevivência e optimização das redes IP existentes, bem como é determinado o número limite de clientes permitido numa situação de pico de uma dada rede. Neste trabalho foram abordados os conceitos de Serviços Triple Play, Redes de Acesso, Redes Núcleo, Qualidade de Serviço, MPLS (Multi-Protocolo Label Switching), Engenharia de Tráfego e Recuperação de falhas. As conclusões obtidas das simulações efectuadas através do simulador de rede NS-2.33 (Network Simulator versão 2.33) serviram para propor a solução da arquitectura de uma rede capaz de suportar o serviço Triple Play de uma forma eficiente, resiliente e optimizada.Orientador: Paulo Nazareno Maia Sampai