Study of all-optical network monitoring techniques based on high resolution spectral measurement

En la presente tesis, "Estudio de técnicas todo ópticas de monitorización de redes basadas en medidas de alta resolución espectral", se resume el trabajo llevado a cabo por su autor, Pascual Sevillano Reyes, en la línea de investigación de espectroscopía óptica basada en Brillouin y fenómenos no lineales en fibras ópticas, dentro del Grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF). Todo este trabajo se ha llevado a cabo en colaboración con la empresa Aragon Photonics Labs y bajo la supervisión de Jesús Subías Domingo y Asier Villafranca Velasco. A lo largo de la tesis se han estudiado novedosos métodos para abordar la medida de la degradación de la señal en dominio óptico. Debido a las ventajas que el análisis en dominio óptico presenta en comparación con el análisis en dominio eléctrico, la investigación se ha centrado en el análisis e identificación de los límites que presentan las técnicas en dominio óptico para el análisis de los fenómenos de degradación más comunes. En aras de aumentar la eficiencia espectral, los nuevos esquemas de modulación se han diseñado para codificar la información haciendo uso de las diferentes propiedades físicas de las ondas electromagnéticas. Se ha estudiado cómo la codificación de estas propiedades físicas en la señal afecta a su diferenciación con el ruido a la hora de distinguirlas con técnicas en dominio espectral. En estos esquemas avanzados se evalúa también la creciente necesidad de medir las distorsiones fruto de la despolarización de la señal. También se han presentado los nuevos retos que las técnicas de monitorización actuales y futuras deberán ser capaces de abordar. Con el fin de evaluar las limitaciones máximas que se pueden obtener con el análisis en dominio óptico, hemos empleado la difusión Brillouin estimulada como técnica de filtrado para resolver el espectro óptico. Debido a su alta resolución y su sensibilidad a la polarización, la técnica recupera la máxima cantidad de información que se puede extraer del espectro óptico. La tesis parte de una revisión de los distintos parámetros que se usan para monitorizar el estado y la degradación presentes en señales ópticas de comunicaciones. Se describen desde un principio los fenómenos físicos asociados a dichas distorsiones y cómo se relacionan con los parámetros de medida expuestos. Se presenta como herramienta fundamental de análisis la difusión de Brillouin estimulada (SBS), analizándose sus propiedades y dependencias de las que más tarde se hará uso. Desde un principio se muestra cómo la creciente multiplexación de información en distintas propiedades físicas de la señal acarrea una pérdida de grados de libertad a la hora de distinguirla con respecto del ruido, y por tanto se dificulta cada vez más la posibilidad de su diferenciación. A lo largo de la tesis se pone de manifiesto la necesidad de medir la distorsión de la señal fruto de la dispersión del vector de polarización debido a efectos como la PMD o efectos no lineales. En el segundo capítulo se abordan las medidas de la relación señal-ruido ópticas (OSNR). Basándonos en los principios fundamentales de la monitorización óptica de prestaciones, se persigue en este capítulo la medida de la distorsión de la señal a través de la información que se pueda recuperar en la capa física. Se analizan los problemas de medida asociados a la falta de resolución en esquemas de multiplexación ultra densa en longitud de onda, y las potenciales soluciones que brinda la alta resolución. Debido a su creciente implantación, se analizan los esquemas de modulación basados en múltiples portadoras con el objetivo de correlar la distorsión final obtenida en dominio eléctrico, con los datos que se puedan obtener en dominio óptico. Para tal propósito, se desarrolla un algoritmo para medir y aislar la potencia óptica de cada subportadora presente en la banda de modulación; se define un parámetro de OSNR para cada subportadora (SC-OSNR) y se correla con los valores de distorsión en dominio eléctrico. Se corrobora que la tendencia es la esperada y que la medida sirve para caracterizar la distorsión individual de cada subportadora sin necesidad de recurrir a una medida global. Basándose en las diferentes propiedades de polarización que presentan ruido y señal, se explican los métodos actuales de medida de ruido basados en supresión de la señal por polarización. Se explican las diferentes limitaciones que presentan estos métodos y cómo el propio filtrado basado en SBS puede actuar de elemento selectivo en polarización y longitud de onda simultáneamente. Se describe también un método para la medida de supresión de señal y medida de ruido dentro de banda, basado en dichas dependencias y en la modificación del estado de polarización de las distintas componentes espectrales de la señal, llegando finalmente a poder suprimir componentes de señal en rangos espectrales estrechos, y recuperando el valor real de ruido subyacente en la banda. En el tercer capítulo se presenta el análisis y medidas de la degradación de la polarización en la señal. Basándose en las dependencias de polarización del SBS, se describe cómo se ha llegado a desarrollar y patentar un sistema de medida del estado de polarización resuelto espectralmente para toda la banda C de comunicaciones. En el capítulo se muestran los fundamentos teóricos y los detalles técnicos del equipo resultante. Se presentan distintas pruebas para comprobar la resolución y fiabilidad de las medidas obtenidas con el sistema. Por último se muestran las prestaciones que permite alcanzar la técnica para medidas en distintos escenarios. Se muestra cómo la técnica permite una caracterización completa de cualquier distorsión debida a PMD, midiendo el estado de polarización de todas las componentes. Partiendo de estos datos se puede obtener también una supresión selectiva individualizada de las distintas componentes, usando el propio laser de bombeo para resolver el ruido subyacente. También se pode de manifiesto cómo los datos resultantes pueden servir para identificar si la distorsión presente en la polarización puede tener su origen en fenómenos no lineales, como la modulación cruzada de fase (XPM). Con los resultados obtenidos en los distintos escenarios se prueba la versatilidad de la medida. El objetivo en el capítulo cuarto es el planteamiento y estudio de nuevas técnicas de monitorización de OSNR, que puedan ser empleadas en esquemas basados en multiplexación de polarización. Para tal fin se analiza la coherencia que presentan las señales de tráfico real. Se profundiza en las distintas propiedades que presenta el espectro óptico instantáneo de una señal, en función de la aleatoriedad de la secuencia de bits transmitidos. Posteriormente, se observa la dinámica de los valores de potencia que sigue una componente espectral, cuando se transmiten señales con diferente grado de aleatoriedad definido en los estándares de modulación. Se comprueban, con simulaciones y ajustes, las dependencias esperadas y por último se muestran las limitaciones que presenta la técnica. El capítulo quinto recoge las siguientes conclusiones generales de la tesis. *El uso de U-DWDM y filtrado estrecho de canales dificulta la medida de OSNR basado en la identificación de señal y ruido en el espectro óptico. En estos escenarios, el poder resolutivo de la técnica de filtrado juega un papel muy importante, y el uso de ROADM exige un análisis exhaustivo y cuidadosos de las medidas obtenidas. El filtrado mediante difusión Brillouin estimulada presenta una gran ventaja en estos casos debido a su alta resolución espectral, aunque este filtrado estrecho lleve asociado una sensibilidad mermada que limita la medida de la densidad espectral del ruido. *El análisis de la distorsión en señales con formatos de modulación basados en múltiples portadoras no se puede llevar a cabo con la normativa estándar, ya que ésta fue diseñada para sistemas de modulación de portadora única. Para estos esquemas, el uso de la alta resolución presenta ventajas adicionales ya que permite la caracterización de otros parámetros de calidad de la modulación basándose en el espectro óptico de la misma. *El filtrado basado en difusión Brilluoin estimulada se puede usar para alcanzar una monitorización individualizada de las subportadoras involucradas en sistemas de modulación de múltiples portadoras tales como el OFDM. Se ha desarrollado un algoritmo con el fin de medir y aislar la potencia óptica de cada una de las diferentes subportadoras presentes, con estos datos hemos analizado la distorsión en la recepción y hemos hallado una relación entre las medidas obtenidas en dominio eléctrico y las resultantes de nuestro análisis . Basándonos en esta nueva definición, SC-OSNR, hemos conseguido medir las prestaciones de cada sub-portadora de manera individual. Esta caracterización abre la posibilidad al diseño atendiendo a la distorsión presente en cada sub-portador, en vez de basarse en una prestación media para toda la banda de modulación. *Cuando la señal y el ruido poseen el mismo ancho de banda en el espectro, se ha corroborado la imposibilidad de medir el ASE. En estos casos se puede usar la polarización para distinguir entre ambos. Haciendo uso de la sensibilidad a la polarización que presenta la difusión Brillouin estimulada, se puede obtener el OSNR dentro de la banda de la señal generando un cambio selectivo y de gran magnitud en el vector de polarización de las distintas componentes espectrales. Sin necesidad de un polarizador y haciendo uso de su alto poder resolutivo, el sistema puede suprimir selectivamente la contribución de las distintas componentes espectrales de la señal y revelar el ruido subyacente. *Mejorando el control del estado de la polarización del láser del bombeo en la difusión Brillouin estimulada, se ha desarrollado un novedoso método para la medida del estado de la polarización resuelto espectralmente. Basándonos en la resolución espectral de la difusión Brillouin estimulada y de la dependencia que presenta su ganancia con la polarización, se ha conseguido desarrollar una polarimetría espectral completa con la resolución del filtro basado en SBS. Sin necesidad de un alineamiento o conocimiento previo del estado de la señal, la técnica consigue resolver el estado de polarización de múltiples señales en rangos espectrales amplios sin sacrificar su alta resolución. *La polarización se puede usar para diferenciar entre señal y ruido siempre y cuando no se trate de un sistema basado en multiplexación de polarización. No obstante, la despolarización parcial de la señal asociada a fenómenos como la dispersión de modo de polarización (PMD) o como efectos no lineales, impide la medida por supresión. En estos casos, una medida corriente del grado de polarización o una simple proyección del estado de la señal sobre un polarizador se muestra insuficiente para poder identificar señal y ruido de acuerdo con su polarización. Sin embargo, una caracterización completa del estado de polarización, fruto de una polarimetría espectral de alta resolución, permite una cuantificación y clasificación de todos los fenómenos de distorsión asociados a polarización, a través de los valores de los estados de polarización de cada componente espectral, y su variación a lo largo el ancho de banda. *Los esquemas basados en multiplexación de la polarización impiden el uso de técnicas de medida de OSNR basadas en supresión de la polarización. Cuando la señal es modulada con dos secuencias de bits descorreladas en dos estados perpendiculares de polarización, presenta una aparente despolarización que hace que se asemeje en sus propiedades a las del ruido. Para estos casos se propone una técnica novedosa. Basándose en las medida de las densidad de potencia espectral instantánea y su dinámica, la técnica permite diferenciar entre la componente de señal y ruido, debido a la coherencia remanente que existe en la señal, fruto de la periodicidad de la estructura de datos presente. Aunque las medidas corroboran los supuestos presentados en las etapas de desarrollo iniciales, solo conseguimos tener éxito en aquellos casos donde el nivel de ruido era muy elevado y no se pudo llegar a medir valores significativos para considerarlo una técnica robusta

Optical performance monitoring in optical packet-switched networks

Para poder satisfacer la demanda de mayores anchos de banda y los requisitos de los nuevos servicios, se espera que se produzca una evolución de las redes ópticas hacia arquitecturas reconfigurables dinámicamente. Esta evolución subraya la importancia de ofrecer soluciones en la que la escalabilidad y la flexibilidad sean las principales directrices. De acuerdo a estas características, las redes ópticas de conmutación de paquetes (OPS) proporcionan altas capacidades de transmisión, eficiencia en ancho de banda y excelente flexibilidad, además de permitir el procesado de los paquetes directamente en la capa óptica. En este escenario, la solución all-optical label switching (AOLS) resuelve el cuello de botella impuesto por los nodos que realizan el procesado en el dominio eléctrico. A pesar de los progresos en el campo del networking óptico, las redes totalmente ópticas todavía se consideran una solución lejana . Por tanto, es importante desarrollar un escenario de migración factible y gradual desde las actuales redes ópticas basadas en la conmutación de circuitos (OCS). Uno de los objetivos de esta tesis se centra en la propuesta de escenarios de migración basados en redes híbridas que combinan diferentes tecnologías de conmutación. Además, se analiza la arquitectura de una red OPS compuesta de nodos que incorporan nuevas funcionalidades relacionadas con labores de monitorización y esquemas de recuperación. Las redes ópticas permiten mejorar la transparencia de la red, pero a costa de aumentar la complejidad de las tareas de gesión. En este escenario, la monitorización óptica de prestaciones (OPM) surge como una tecnología capaz de facilitar la administración de las redes OPS, en las que cada paquete sigue su propia ruta en la red y sufre un diferente nivel de degradación al llegar a su destino. Aquí reside la importancia de OPM para garantizar los requisitos de calidad de cada paquete.Vilar Mateo, R. (2010). Optical performance monitoring in optical packet-switched networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8926Palanci

Study and application of spectral monitoring techniques for optical network optimization

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

Characterization of wavelength tunable lasers for use in wavelength packet switched networks

The telecom industry's greatest challenge, and the optical systems and components vendors' biggest opportunity is enabling providers to expand their data services. The solution lies in making optical networks more responsive to customer needs, i.e., making them more rapidly adaptable. One possible technique to achieve this is to employ wavelength tunable optical transmitters. The importance of tunability grows greater every year, as the average number of channels deployed on DWDM platforms increases. By deploying tunable lasers it is much easier to facilitate forecasting, planning and last minute changes in the network. This technology provides with solution for inventory reduction. It also offers solution for fast switching at packet level. The conducted research activities of the project was divided in two work packages: 1. Full static characterization-the laser used in the experiment was a butterfly-packaged Sampled Grating DBR laser with four electrically tunable sections. LabView programme was developed for distant control of the equipment and the laser itself. The parameters required for creating a look-up table with the exact currents for the four sections of the laser, namely wavelength, side mode suppression ratio and output power, were transferred to tables. Based on those tables the currents were defined for each of the 96 different accessible channels. The channel allocation is based on the 50 GHz spacing grid. A detailed analysis of the tuning mechanisms is provided. 2. Dynamic characterization and BER performance in wavelength packet switched WDM systems-a commercially available module was used supplied with the software package for controlling the wavelength channels and setting the laser to switch between any accessible channel. The laser is DBR laser without SOA integration so the dynamic tunability can be investigated. As the switching in the nanosecond regime is executed in the electrical domain, analysis of the switching parameters concerning the electrical circuit as well as laser structure is provided. The actual switching time was defined. The degradation in system performance due to spurious wavelength signals emitted from the tunable module during the switching event and their interference with other active channels was demonstrated by examining the presence of an error floor in the BER rate against received power measurements

Multi-impairment and multi-channel optical performance monitoring

Next generation optical networks will evolve from static to dynamically reconfigurable architectures to meet the increasing bandwidth and service requirements. The benefits of dynamically reconfigurable networks (improved operations, reduced footprint and cost) have introduced new challenges, in particular the need for complex management which has put pressure on the engineering rules and transmission margins. This has provided the main drive to develop new techniques for optical performance monitoring (OPM) without using optical-to-electrical-to-optical conversions. When considering impairments due to chromatic dispersion in dynamic networks, each channel will traverse a unique path through the network thus the channels arriving at the monitoring point will, in general, exhibit different amounts of residual dispersion. Therefore, in a dynamic network it is necessary to monitor all channels individually to quantify the degradation, without the requirement of knowing the data path history. The monitoring feature can be used in conjunction with a dispersion compensation device which can either be optical or electrical or used to trigger real-time alarms for traffic re-routing. The proposed OPM technique is based on RF spectrum analysis and used for simultaneous and independent monitoring of power, chromatic dispersion (CD), polarisation mode dispersion (PMD) and optical signal-to-noise ratio (OSNR) in 40Gbit/s multi0channel systems. An analytical model is developed to describe the monitoring technique which allows the prediction of the measurement range. The experimental results are given for group velocity dispersion (GVD), differential group delay (DGD) and OSNR measurements. This technique is based on electro-optic down-conversion that simultaneously down-converts multiple channels, sharing the cost of the key components over multiple channels and making it cost effective for multi-channel operation. The measurement range achieved with this method is equal to 4742±100ps/nm for GVD, 200±4ps for DGD and 25±1dB for OSNR. To the knowledge of the author, these dispersion monitoring ranges are the largest reported to date for the bit-rate of 40Gbit/s with amplitude modulation formats

Cross-layer modeling and optimization of next-generation internet networks

Scaling traditional telecommunication networks so that they are able to cope with the volume of future traffic demands and the stringent European Commission (EC) regulations on emissions would entail unaffordable investments. For this very reason, the design of an innovative ultra-high bandwidth power-efficient network architecture is nowadays a bold topic within the research community. So far, the independent evolution of network layers has resulted in isolated, and hence, far-from-optimal contributions, which have eventually led to the issues today's networks are facing such as inefficient energy strategy, limited network scalability and flexibility, reduced network manageability and increased overall network and customer services costs. Consequently, there is currently large consensus among network operators and the research community that cross-layer interaction and coordination is fundamental for the proper architectural design of next-generation Internet networks. This thesis actively contributes to the this goal by addressing the modeling, optimization and performance analysis of a set of potential technologies to be deployed in future cross-layer network architectures. By applying a transversal design approach (i.e., joint consideration of several network layers), we aim for achieving the maximization of the integration of the different network layers involved in each specific problem. To this end, Part I provides a comprehensive evaluation of optical transport networks (OTNs) based on layer 2 (L2) sub-wavelength switching (SWS) technologies, also taking into consideration the impact of physical layer impairments (PLIs) (L0 phenomena). Indeed, the recent and relevant advances in optical technologies have dramatically increased the impact that PLIs have on the optical signal quality, particularly in the context of SWS networks. Then, in Part II of the thesis, we present a set of case studies where it is shown that the application of operations research (OR) methodologies in the desing/planning stage of future cross-layer Internet network architectures leads to the successful joint optimization of key network performance indicators (KPIs) such as cost (i.e., CAPEX/OPEX), resources usage and energy consumption. OR can definitely play an important role by allowing network designers/architects to obtain good near-optimal solutions to real-sized problems within practical running times

An Overview on Application of Machine Learning Techniques in Optical Networks

Today's telecommunication networks have become sources of enormous amounts of widely heterogeneous data. This information can be retrieved from network traffic traces, network alarms, signal quality indicators, users' behavioral data, etc. Advanced mathematical tools are required to extract meaningful information from these data and take decisions pertaining to the proper functioning of the networks from the network-generated data. Among these mathematical tools, Machine Learning (ML) is regarded as one of the most promising methodological approaches to perform network-data analysis and enable automated network self-configuration and fault management. The adoption of ML techniques in the field of optical communication networks is motivated by the unprecedented growth of network complexity faced by optical networks in the last few years. Such complexity increase is due to the introduction of a huge number of adjustable and interdependent system parameters (e.g., routing configurations, modulation format, symbol rate, coding schemes, etc.) that are enabled by the usage of coherent transmission/reception technologies, advanced digital signal processing and compensation of nonlinear effects in optical fiber propagation. In this paper we provide an overview of the application of ML to optical communications and networking. We classify and survey relevant literature dealing with the topic, and we also provide an introductory tutorial on ML for researchers and practitioners interested in this field. Although a good number of research papers have recently appeared, the application of ML to optical networks is still in its infancy: to stimulate further work in this area, we conclude the paper proposing new possible research directions

Investigation of code reconfigurable fibre Bragg gratings for Optical Code Division Multiple Access (OCDMA) and Optical Packet Switching (OPS) Networks

This thesis documents my work in the telecommunication system laboratory at the Optoelectronics Research Centre, towards the implementation of code reconfigurable OCDMA and all-optical packet switching nodes based on fibre Bragg grating (FBG) technology. My research work involves characterizing the performance of various gratings, specifically high reflectivity, short chip duration, long code sequences, multiple phase level and tunable superstructured fiber Bragg gratings (SSFBGs), by using the recently proposed Frequency-Resolved Optical Gating technique based on Electro-Absorption Modulator (EAM-FROG). This technology can obtain the complex code profile along the grating, making it a powerful method to understand the thermally-induced code-reconfigurable grating. Efforts have been made to improve the grating design to achieve better system performance. Three different types of FBGs optical encoder/decoder, e.g. conventional discrete phaseshift SSFBGs, code-reconfigurable gratings, and novel continuous phase-shift SSFBGs, have been investigated comparatively, as well as their performance in various optical coding/decoding systems. This thesis also discusses the possibility of reducing multiple access interference (MAI) using a Two-Photon Absorption (TPA) process. The advanced grating devices enable the improvement of system performance. A dynamically reconfigurable optical packet processing system and a 16-channel reconfigurable OCDMA/DWDM system with 50GHz DWDM intervals has been demonstrated.These results highlight the feasibility of FBG-based optical coding/decoding techniques, with improved system flexibility and sustainability

Investigation of performance issues affecting optical circuit and packet switched WDM networks

Optical switching represents the next step in the evolution of optical networks. This thesis describes work that was carried out to examine performance issues which can occur in two distinct varieties of optical switching networks. Slow optical switching in which lightpaths are requested, provisioned and torn down when no longer required is known as optical circuit switching (OCS). Services enabled by OCS include wavelength routing, dynamic bandwidth allocation and protection switching. With network elements such as reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADMs) and optical cross connects (OXCs) now being deployed along with the generalized multiprotocol label switching (GMPLS) control plane this represents the current state of the art in commercial networks. These networks often employ erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) to boost the optical signal to noise ratio of the WDM channels and as channel configurations change, wavelength dependent gain variations in the EDFAs can lead to channel power divergence that can result in significant performance degradation. This issue is examined in detail using a reconfigurable wavelength division multiplexed (WDM) network testbed and results show the severe impact that channel reconfiguration can have on transmission performance. Following the slow switching work the focus shifts to one of the key enabling technologies for fast optical switching, namely the tunable laser. Tunable lasers which can switch on the nanosecond timescale will be required in the transmitters and wavelength converters of optical packet switching networks. The switching times and frequency drifts, both of commercially available lasers, and of novel devices are investigated and performance issues which can arise due to this frequency drift are examined. An optical packet switching transmitter based on a novel label switching technique and employing one of the fast tunable lasers is designed and employed in a dual channel WDM packet switching system. In depth performance evaluations of this labelling scheme and packet switching system show the detrimental impact that wavelength drift can have on such systems

Fiber amplifiers, directly modulated transmitters and a ring network structure for optical communications

The three technologies that are considered the key elements in building a metropolitan area optical network are studied in this thesis. They are optical amplification, high-speed low cost transmitters and ring network structures. These studies concentrate on cost reduction of these three technologies thus enabling the use of optical networks in small customer base metropolitan areas. The research on optical amplification concentrated first on the solution doping process, at present the most used method for producing erbium doped fiber. It was found that separationing the soot growth and the sintering improved the uniformity of the porous layer. This made the homogeneity of the doping concentration in the fiber core better. The effects of index profile variations that arise from the non-ideal solution doping process were also simulated. In the search for a better doping method a new nanoparticle glass-forming process, the direct nanoparticle deposition, was developed. In this process the doping is done simultaneously with glass formation. Utilizing this new process it was possible to improve the uniformity of the doping resulting in higher usable doping levels and shorter erbium doped fiber lengths in the amplifiers. There were fewer limitations in the amplifier caused by optical non-linearities and polarization mode dispersion since shorter fiber lengths were needed. The double cladding fiber, which avoids the costly coupling of the pump laser into a single mode waveguide, was also studied. This pumping scheme was found to improve the inversion uniformity in the erbium doped fiber core thereby enhancing the power conversion efficiency for the long wavelength band amplifier. In characterizing the erbium doped fiber amplifier the gain and noise figure was measured with a temporal filter setup. It was made of simple, low cost components but yielded accurate measurements since the noise originating from the amplified spontaneous emission was measured at the signal wavelength. In the study of fiber amplifier controlling schemes the input power of the fiber amplifier was successfully used to regulate the pump laser. This feed-forward control scheme provides a simple, low cost control and managment system for the erbium doped fiber amplifier in metropolitan area network applications that require flexible adding and dropping of wavelength channels. The transmitter research focused on the DFB laser due to its simplicity and low cost structure. A solid state Fabry-Perot etalon made from double polished silicon chip was used as a frequency discriminator in the chirp analyser developed for the DFB lasers. This wavelength discriminator did not require repeated calibration or active stabilisation and was controled electrically enabling automatic measurements. The silicon Fabry-Perot etalon was also used for simultaneous spectral filtering and wavelength control of the laser. The usable dispersion limited transmission length was increased when the filter was used in conjunction with the directly modulated distributed feedback laser transmitter. The combination of spatial multiplexing and dense wavelength division multiplexing in ring topology was investigated in the course of the research on the ring network as the feeder part of the metropolitan network. A new way to organize different wavelengths and fibers was developed. This ring network structure was simulated and an experimental ring network built. The results of the studies demonstrated that the same limitations effecting uni-directional ring structures also are the main limitations on the scalability of the spatial and wavelength division multiplexed ring networks based on bi-directional transmission when the node spacing is short. The developed ring network structure demonstrated major cost reductions when compared with the heavy use of wavelength division multiplexing. The node structure was also greatly simplified resulting in less need for different wavelength transmitters in each node. Furthermore the node generated only minor losses for the passing signals thus reducing the need for optical amplification.reviewe