Optical switching for dynamic distribution of wireless-over-fiber signals in active optical networks

El continuo crecimiento de ancho de banda demandado por los usuarios finales está provocando una gran exigencia sobre las redes de acceso. Estas exigencias sobre las redes de acceso, que principalmente emplean tecnologías inalámbricas, están migrando hacia el dominio óptico con el fin de soportar estos altos requerimientos de ancho de banda. Dependiendo de los requerimientos y características de los usuarios finales, las redes de acceso óptico han evolucionado en diferentes direcciones. En entornos residenciales y urbanos los usuarios demandan conexiones fijas de alta capacidad y bajo coste. Las redes ópticas pasivas (PON) han cumplido estos requerimiento y son las tecnologías elegidas por los operadores. En los entornos empresariales, en los cuales la calidad y la seguridad son piezas clave, las redes ópticas activas han encontrado su hueco proveyendo flexibilidad, adaptabilidad, alto rendimiento y al mismo tiempo dando soporte a sistemas de control de redes. Los proveedores de equipos están ahora girando su vista hacia nuevos mercados, donde soluciones ópticas puede ser usado eficientemente. El transporte de datos de redes de móviles (o mobile backhaul en ingles) es un mercado que se ha convertido en objetivo principal, ya que el tráfico inalámbrico está creciendo exponencialmente. Nuevos dispositivos, junto a las aplicaciones de gran consumo de ancho de banda, son los principales motivos de este crecimiento. Las tecnologías de banda base puede soportar sobradamente mobile backhaul a las actuales velocidades de transmisión. Sin embargo, debido a la ubicación de nuevas licencias libres disponibles en la banda de frecuencias y el desarrollo de las tecnologías radio a través de fibra permitiendo generación, distribución y recepción óptica de señales, la migración hacia escenarios en los que se use señales inalámbricas a través de fibra son mas probables. Además, teniendo en cuenta aspectos como la seguridad y alta movilidad de los usuarios, todo parece indicar que soluciones activas son más atractivas, siempre y cuando que los consumos de energía se mantengan dentro de límites razonables. En esta tesis, se diseñó una red óptica de acceso basada en tecnologías de radio a través de fibra. El bloque principal de la red fue un conmutador óptico basado en componentes activos (amplificadores ópticos semiconductores); el resto de la red fue diseñada acorde a la distribución por canales del conmutador óptico. Utilizando este conmutador óptico, se realizó una validación experimental de la red. El experimento consistió en una implementación de un sistema de cuatro canales operando en la banda de frecuencia WiMax y empleando una modulación llamada multiplexado de división ortogonal en frecuencia (OFDM) a 625Mb/s por canal. La información fue enviada a través de 20 km de fibra óptica, y el redireccionamiento de la señal fue llevado a cabo por un conmutador de 1 entrada y 16 salidas. El resultado es una degradación imperceptible de la señal en cada canal en el mejor y en mejor escenario en términos de interferencia entre canales. Este sistema cumple con los requisitos de una red de acceso activa para señales de radio a través de una red de acceso óptica

Advanced Delivery System for 5G-enabled Photonic Networks

[ANGLÈS] The advent of mobile devices such as smartphones or tablets demanding high capacity services drives a solution for next generation wireless networks. Wireless and optical networks are converging to increase the bandwidth available for the end users. The deployment of Radio-over-Fiber technologies, which allow the distribution of millimeter-wave signals on the optical domain, is a very promising solution for the migration towards higher frequency bands. This would allow fulfilling capacity requirements of next-generation access networks. Passive distribution of Radio-over-Fiber channels is now well understood; however, it does not rip all the benefits optical networks can provide. Active distribution, where signals are routed on-the-fly by the network, is currently under heavy research. This bachelor thesis presents a possible solution to provide the next generation base stations with high-speed communications. This thesis has focused on the distribution of optical channels in a Radio-over-Fiber system. Dynamic and Hybrid Channel Allocation techniques are presented as a way to increase the capacity in optical-wireless systems. In this thesis, we have developed a novel algorithm for the distribution of optical channels based on the blocking probability reduction. We present it as a technique to increase the performance of the network. Furthermore, we report on an experimental characterization of an optical switch, which is the main building block to construct networks supporting Hybrid Channel Allocation methods.[CASTELLÀ] La aparición de dispositivos móviles como smartphones o tablets, que requieren servicios de alta capacidad, motiva la búsqueda de soluciones para la próxima generación de redes wireless. Las redes inalámbricas y las ópticas están convergiendo para incrementar el ancho de banda disponible para los usuarios finales. La implantación de las tecnologías de Radio-over-Fiber, que permite la distribución de señales millimiter-wave en el dominio óptico, es una solución muy prometedora para la migración de las redes inalámbricas hacia bandas frecuenciales superiores. Esta solución permitiría cumplir con los requisitos de capacidad de las futuras redes de acceso. La distribución pasiva de los canales en Radio-over-Fiber se ha estudiado ampliamente; sin embargo, no exprime todas las ventajas que podrían llegar a ofrecer las redes ópticas. La distribución activa, donde la red redirige las señales en tiempo real, se está estudiando actualmente. Este Trabajo Fin de Grado presenta una posible solución para proporcionar altas velocidades a las estaciones base de la próxima generación móvil. El proyecto se ha centrado en la distribución de los canales ópticos en sistemas Radio-over-Fiber. La asignación de canales dinámica e híbrida se presentan como una forma de incrementar la capacidad de sistemas ópticos-wireless. En esta tesis se ha desarrollado un algoritmo novedoso para la distribución de los canales ópticos, basado en la reducción de la probabilidad de bloqueo. El algoritmo se presenta como una técnica para incrementar las prestaciones de la red. Además, se presenta una caracterización experimental de un switch óptico, parte fundamental para construir futuras redes que soporten la asignación de canales híbrida.[CATALÀ] L’aparició de dispositius mòbils com els smartphones o les tablets, que requereixen serveis d’alta capacitat, motiva la recerca de solucions per la propera generació de xarxes wireless. Les xarxes inalàmbriques i les òptiques estan convergint per tal d’incrementar l’ample de banda disponible pels usuaris finals. La implantació de tecnologies de Radio-over-Fiber, que permet la distribució de senyals millimiter-wave al domini òptic, és una solució molt prometedora per la migració de les xarxes inalàmbriques cap a bandes frequencials més elevades. Aquesta solució permetria satisfer els requeriments de capacitat de les xarxes d’accés futures. La distribució passiva dels canals en Radio-over-Fiber s’ha estudiat àmpliament; tot i així, no exprimeix tots els avantatges que podrien arribar a oferir les xarxes òptiques. La distribució activa, on la xarxa redirigeix les senyals en temps real, s’està estudiant actualment. Aquest Treball Fi de Grau presenta una possible solució per proporcionar altes velocitats a les estacions base de la propera generació mòbil. El projecte s’ha centrat en la distribució dels canals òptics en sistemes Radio-over-Fiber. Les assignacions dinàmica i híbrida de canals es presenten com una forma d’incrementar la capacitat dels sistemes òptics-wireless. En aquesta tesi s’ha desenvolupat un algorisme novedós per la distribució dels canals òptics, basat en la reducció de la probabilitat de bloqueig. L’algorisme es presenta com una tècnica per incrementar les prestacions de la xarxa. A més a més, es presenta una caracterització experimental d’un switch òptic, part fonamental per la construcció de xarxes que suportin l’assignació híbrida de canals

Research and design of high-speed advanced analogue front-ends for fibre-optic transmission systems

In the last decade, we have witnessed the emergence of large, warehouse-scale data centres which have enabled new internet-based software applications such as cloud computing, search engines, social media, e-government etc. Such data centres consist of large collections of servers interconnected using short-reach (reach up to a few hundred meters) optical interconnect. Today, transceivers for these applications achieve up to 100Gb/s by multiplexing 10x 10Gb/s or 4x 25Gb/s channels. In the near future however, data centre operators have expressed a need for optical links which can support 400Gb/s up to 1Tb/s. The crucial challenge is to achieve this in the same footprint (same transceiver module) and with similar power consumption as today’s technology. Straightforward scaling of the currently used space or wavelength division multiplexing may be difficult to achieve: indeed a 1Tb/s transceiver would require integration of 40 VCSELs (vertical cavity surface emitting laser diode, widely used for short‐reach optical interconnect), 40 photodiodes and the electronics operating at 25Gb/s in the same module as today’s 100Gb/s transceiver. Pushing the bit rate on such links beyond today’s commercially available 100Gb/s/fibre will require new generations of VCSELs and their driver and receiver electronics. This work looks into a number of state‐of-the-art technologies and investigates their performance restraints and recommends different set of designs, specifically targeting multilevel modulation formats. Several methods to extend the bandwidth using deep submicron (65nm and 28nm) CMOS technology are explored in this work, while also maintaining a focus upon reducing power consumption and chip area. The techniques used were pre-emphasis in rising and falling edges of the signal and bandwidth extensions by inductive peaking and different local feedback techniques. These techniques have been applied to a transmitter and receiver developed for advanced modulation formats such as PAM-4 (4 level pulse amplitude modulation). Such modulation format can increase the throughput per individual channel, which helps to overcome the challenges mentioned above to realize 400Gb/s to 1Tb/s transceivers