On the Filter Narrowing Issues in Elastic Optical Networks

This paper describes the problematic filter narrowing effect in the context of next-generation elastic optical networks. First, three possible scenarios are introduced: the transition from an actual fixed-grid to a flexigrid network, the generic full flexi-grid network, and a proposal for a filterless optical network. Next, we investigate different transmission techniques and evaluate the penalty introduced by the filtering effect when considering Nyquist wavelength division multiplexing, single side-band direct-detection orthogonal frequency division multiplexing, and symbol-rate variable dual polarization quadrature amplitude modulation. Also, different approaches to compensate for the filter narrowing effect are discussed. Results show that the specific needs per each scenario can be fulfilled by the aforementioned technologies and techniques or a combination of them, when balancing performance, network reach, and cost

Digital Linearization of High Capacity and Spectrally Efficient Direct Detection Optical Transceivers

Metropolitan area networks are experiencing unprecedented traffic growth. The provision of information and entertainment supported by cloud services, broadband video and mobile technologies such as long-term evolution (LTE) and 5G are creating a rapidly increasing demand for bandwidth. Although wavelength division multiplexing (WDM) architectures have been introduced into metro transport networks to provide significant savings over single-channel systems, to cope with the ever-increasing traffic growth, it is urgently required to deploy higher data rates (100 Gb/s and beyond) for each WDM channel. In comparison to dual-polarization digital coherent transceivers, single-polarization and single photodiode-based direct-detection (DD) transceivers may be favourable for metropolitan, inter-data centre and access applications due to their use of a simple and low-cost optical hardware structure. Single sideband (SSB) quadrature amplitude modulation (QAM) subcarrier modulation (SCM) is a promising signal format to achieve high information spectral density (ISD). However, due to the nonlinear effect termed signal-signal beat interference (SSBI) caused by the square-law detection, the performance of such SSB SCM DD systems is severely degraded. Therefore, it is essential to develop effective and low-complexity linearization techniques to eliminate the SSBI penalty and improve the performance of such transceivers. Extensive studies on SSB SCM DD transceivers employing a number of novel digital linearization techniques to support high capacity (≥ 100 Gb/s per channel) and spectrally-efficient (net ISD > 2 b/s/Hz) WDM transmission covering metropolitan reach scenarios (up to 240 km) are described in detail in this thesis. Digital modulation formats that can be used in DD links and the corresponding transceiver configurations are firstly reviewed, from which the SSB SCM signalling format is identified as the most promising format to achieve high data rates and ISDs. Following this, technical details of the digital linearization approaches (iterative SSBI cancellation, single-stage linearization filter and simplified non-iterative SSBI cancellation, two-stage linearization filter, Kramers-Kronig scheme) considered in the thesis are presented. Their compensation performance in a dispersion pre-compensated (Tx-EDC) 112 Gb/s per channel 35 GHz-spaced WDM SSB 16-QAM Nyquist-SCM DD system transmitting over up to 240 km standard single-mode fibre (SSMF) is assessed. Net ISDs of up to 3.18 b/s/Hz are achieved. Moreover, we also show that, with the use of effective digital linearization techniques, further simplification of the DD transceivers can be realized by moving electronic dispersion compensation from the transmitter to the receiver without sacrificing performance. The optical ISD limit of SSB SCM DD system finally explored through experiments with higher-order modulation formats combined with effective digital linearization techniques. 168 Gb/s per channel WDM 64-QAM signals were successfully transmitted over 80 km, achieving a record net optical ISD of 4.54 b/s/Hz. Finally, areas for further research are identified

Cost-Effective Spectrally-Efficient Optical Transceiver Architectures for Metropolitan and Regional Links

The work presented herein explores cost-effective optical transceiver architectures for access, metropolitan and regional links. The primary requirement in such links is cost-effectiveness and secondly, spectral efficiency. The bandwidth/data demand is driven by data-intensive Internet applications, such as cloud-based services and video-on-demand, and is rapidly increasing in access and metro links. Therefore, cost-effective optical transceiver architectures offering high information spectral densities (ISDs > 1(b/s)/Hz) need to be implemented over metropolitan distances. Then, a key question for each link length and application is whether coherent- or direct (non-coherent) detection technology offers the best cost and performance trade-off. The performance and complexity limits of both technologies have been studied. Single polarization direct detection transceivers have been reviewed, focusing on their achievable ISDs and reach. It is concluded that subcarrier modulation (SCM) technique combined with single sideband (SSB) and high-order quadrature amplitude modulation (QAM) signaling, enabled by digital signal processing (DSP) based optical transceivers, must be implemented in order to exceed an ISD of 1 (b/s)/Hz in direct-detection links. The complexity can be shifted from the optical to the electrical domain using such transceivers, and hence, the cost can be minimized. In this regard, a detailed performance comparison of two spectrally-efficient direct detection SCM techniques, namely Nyquist-SCM and OFDM, is presented by means of simulations. It is found out that Nyquist-SCM format offers the transmission distances more than double that of OFDM due to its higher resilience to signal-signal beating interference. Following this, dispersion-precompensated SSB 4- and 16-QAM Nyquist-SCM signal formats were experimentally demonstrated using in-phase and quadrature (IQ)-modulators at net optical ISDs of 1.2 and 2 (b/s)/Hz over 800 km and 323 km of standard single-mode fibre (SSMF), respectively. These demonstrations represent record net optical ISDs over such distances among the reported single polarization wavelength division multiplexed (WDM) systems. Furthermore, since the cost-effectiveness is crucial, the optical complexity of Nyquist-SCM transmitters can be significantly reduced by using low-cost modulators and high-linewidth lasers. A comprehensive theoretical study on SSB signal generation using IQ- and dual-drive Mach-Zehnder modulators (DD-MZMs) was carried out to assess their performance for WDM direct detection links. This was followed by an experimental demonstration of WDM transmission over 242 km of SSMF with a net optical ISD of 1.5 (b/s)/Hz, the highest achieved ISD using a DD-MZM-based transmitter. Following the assessment of direct detection technology using various transmitter designs, cost-effective simplified coherent receiver architectures for access and metro networks have been investigated. The optical complexity of the conventional (polarization- and phase-diverse) coherent receiver is significantly simplified, i.e., consisting of a single 3 dB coupler and balanced photodetector, utilizing heterodyne reception and Alamouti polarization-time block coding. Although the achievable net optical ISD is halved compared to a conventional coherent receiver due to Alamouti coding, its receiver sensitivity provides significant gain over a direct detection receiver at M-ary QAM formats where M ≥16

Programmable DSP-enabled multi-adaptive optical transceivers based on OFDM technology for software defined networks

The dynamic behavior of the traffic demand, due to the advent of technologies such as cloud services or Internet of Things (IoT), is increasing. In fact, heterogeneous connections with different characteristics (bandwidth or bit rate) are expected that coexist in the optical networks. In this respect, an evolution towards Elastic Optical Networks (EONs) has emerged as a cost-effective, flexible and dynamic solution, to face the new claims. The main idea is the efficient utilization of the optical spectrum by combining flexible transceivers, flexi-grid and flexible optical switching. Including the principles of Software Defined Network (SDN) paradigm further flexibility and adaptability can be achieved. The Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (S-BVT), as a key element in EONs, provides flexibility and adaptability to the optical networks. It is able to dynamically tune the optical bandwidth or bit rate changing parameters such as the modulation format, bandwidth, among others, to find a trade-off between transmission reach and spectral efficiency, serving multiples destinations. The combination of programmable Digital Signal Processing (DSP) modules with advanced transmission techniques based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology using Direct Detection (DD) or COherent (CO) detection are proposed to be implemented at the S-BVT making it suitable for elastic optical metro/regional networks. Furthermore, the envisioned migration from fixed-grid to flexi-grid, can benefit from the use of S-BVTs since they are able to generate or receive multiple channels and slicing the aggregated flow into multiples flows with different capacities and destinations. We propose the use of S-BVTs based on multi-band OFDM systems. In particular, we focus on the theoretical model of an advanced transmission technique based on OFDM technology with DD. Then we evaluate the system for a realistic optical metro network. In the context of flexi-grid optical metro/regional networks, as well as the sliceability of the channels, the reduction of channel width for low bit rate connections can be envisioned. It involves that the signal traverses several nodes with the corresponding filtering elements, causing a substantially decrease and distortion of the signal bandwidth. This phenomenon known as filter narrowing effect has been also studied in this thesis, by simulations and experimentally for an adaptive cost-effective OFDM system using DD and for a standard OOK system. Apart from adaptive, flexible and programmable transceivers, metro optical networks have to be equipped with flexible optical switching systems at the node level. In this respect, we propose the adoption of adaptive S-BVTs based on advanced transmission techniques using DD with Discrete MultiTone (DMT) modulation and adaptive capabilities in combination with Semiconductor Optical Amplier (SOA)-based switching nodes. SOAs can be conveniently used for optical switching in metro networks because of their low cost or low power consumption, among others relevant characteristics. The system has been experimentally analyzed with and without considering filtering elements. Thanks to the combination of adaptive DMT modulation and SOA-based switching nodes, impairments due to the fiber links and the filtering elements can be compensated. Finally, to enhance the tranmission distance and data rate, we propose the combination of multidimensional constellations implemented at the DSP modules of the S-BVT with CO detection and OFDM technology. Thus, the deployed infrastructure is more efficiently exploited since the quadrature and the polarization dimensions are used to transmit the signal. In particular, we focus on CO-OFDM systems using Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) constellation transmitting the signal over the time and the polarization dimensions in the optical domain.El comportamiento dinámico de la demanda de tráfico, debido a la llegada de tecnologías como los servicios en la nube o el Internet of Things (IoT), está aumentando. De hecho, se espera que coexistan en las redes ópticas conexiones heterogéneas con características diferentes, tales como ancho de banda o tasa de bits. Para hacer frente a estas demandas es crucial una evolución de las redes ópticas. En este sentido, las Elastic Optical Networks (EONs) emergen como una solución rentable, flexible y dinámica. La idea principal se basa en la utilización eficiente del espectro óptico mediante la combinación de transceptores flexibles, redes flexibles y conmutación óptica flexible. Una mayor flexibilidad y adaptabilidad se puede conseguir incluyendo los principios del paradigma conocido como Software Defined Network (SDN). La adopción de la arquitectura SDN implica la separación del plano de control y de datos, permitiendo la programabilidad dinámica de la red. Un elemento clave en las EONs es el Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (SBVT), ya que provee de flexibilidad y adaptabilidad a las redes ópticas. El S-BVT es capaz de cambiar el ancho de banda o la tasa de bits medicando parámetros como el formato de modulación, el ancho de banda o la codificación de Forward Error Correction (FEC), entre otros, para encontrar un equilibrio entre el alcance de la transmisión y la eficiencia espectral, sirviendo múltiples destinos. La combinación de módulos programables de Digital Signal Processing (DSP) con técnicas de transmisión avanzadas, basadas en la tecnología Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) con detección directa o detección coherente, se han propuesto para ser implementadas en el S-BVT, haciéndolo adecuado para su uso en redes ópticas elásticas metropolitanas y regionales. Además, la migración prevista de las redes fijas a las redes flexibles, con el fin de explotar la granularidad de 12:5 GHz, puede beneficiarse del uso de S-BVTs ya que son capaces de generar y recibir múltiples canales y dividir el flujo agregado en múltiples flujos con diferentes capacidades y destinos. A este respecto, proponemos el uso de S-BVTs basados en señales OFDM multi banda combinadas en el dominio eléctrico con el fin de limitar los recursos optoelectrónicas y relajar los requerimientos de los convertidores digitales analógicos y analógicos digitales. En particular, nos centramos en el modelo teórico de una técnica de transmisión avanzada basada en la tecnología OFDM con detección directa. A continuación, evaluamos el sistema para una red metropolitana óptica realista. En el contexto de redes metropolitanas y regionales flexibles, además de la capacidad de división de los canales, se puede prever una posible reducción del ancho de canal para las conexiones de baja tasa de bits. Esto implica que la señal atraviese varios nodos con los correspondientes elementos filtrantes causando un substancial decremento y distorsión del ancho de banda de la señal. Este fenómeno conocido como el efecto de estrechamiento de filtrado ha sido también estudiado en esta tesis, mediante simulaciones y de manera experimental para un sistema OFDM rentable y adaptativo usando detección directa y un sistema estándar On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detección directa ha resultado ser un buen candidato para aumentar la flexibilidad y la robustez frente a las deficiencias de transmisión sin necesidad de compensar la dispersión. Aparte de los transceptores adaptables, flexibles y programables, las redes ópticas metropolitanas deben estar equipadas con sistemas de conmutación óptica flexible a nivel de nodo. En este sentido, proponemos la adopción de S-BVTs adaptativos basados en técnicas de transmisión avanzadas usando detección directa con modulación Discrete MultiTone (DMT) y capacidades adaptativas, adoptando nodos de conmutación basados en Semiconductor Optical Amplifier (SOA). Los SOAs pueden ser utilizados para la conmutación óptica en redes metropolitanas debido a su bajo coste o bajo consumo de energía, entre otras características relevantes. El sistema ha sido analizado experimentalmente considerando y sin considerar la presencia de elementos filtrantes. Gracias a la combinación de la modulación DMT adaptativa y los nodos de conmutación basados en SOA, las degradaciones debidas a los enlaces de fibra y a los elementos filtrantes se pueden compensar. Finalmente, para mejorar la distancia de transmisión y la tasa de datos, proponemos la combinación de constelaciones multidimensionales implementadas en los módulos DSP del S-BVT utilizando detectaron coherente y la tecnología OFDM. De hecho, los sistemas OFDM coherentes tienen un espacio de señal 4D (dos cuadraturas y dos polarizaciones), que puede ser utilizado con constelaciones multidimensionales, pudiendo éstas ser más eficientes que las convencionales Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). De este modo, la infraestructura desplegada se explota de manera más eficiente, ya que tanto la dimensión de cuadratura como de polarización se utilizan para transmitir la señal. Además, los sistemas OFDM coherentes pueden recuperar la amplitud y la fase de la señal en el receptor, mitigando los efectos de la fibra aumentando, de esta forma, la distancia de transmisión. El sistema OFDM coherente que utiliza el formato de constelación Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) y que transmite la señal a lo largo del tiempo ha demostrado ser una solución prometedora.El comportament dinàmic de la demanda de transit, a causa de l'arribada de tecnologies, com poden ser els serveis al núvol o l'Internet of Things (IoT), està creixent. De fet, s'espera que coexisteixin a les xarxes òptiques connexions heterogènies amb característiques diferents, tal com l'ample de banda o la taxa de bits. Per a fer front a aquestes demandes és crucial una revolució de les xarxes òptiques. En aquest sentit, les Elastic Optical Networks (EONs) emergeixen com una solució rendible, flexible i dinàmica. La idea principal es basa en la utilització eficient de l'espectre òptic mitjançant la combinació de transceptors flexibles, xarxes flexibles i commutació òptica flexible. Una major flexibilitat i adaptabilitat es pot aconseguir incloent els principis del paradigma conegut com a Software Defined Networks (SDN). L’adopció de l'arquitectura SDN implica la separació del plànol de control i de dades permetent la programabilitat de la xarxa d'una forma dinàmica. Un element clau en les EONs és l'Sliceable Bandwith Variable Transceiver (S-BVT), ja que aporta flexibilitat i adaptabilitat a les xarxes òptiques. L' S-BVT és capaç de canviar l'ample de banda o la taxa de bits modificant paràmetres com el format de modulació, l'ample de banda o la codificació del Forward Error Correction (FEC), entre altres, per a trobar un equilibri entre l’assistència assolida i l’eficiència espectral, servint múltiples destinacions. La combinació de mòduls de Digital Signal Processing (DSP) amb tècniques de transmissió avançades basades en la tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) i detecció directa o detecció coherent s'han proposat per a ser implementades en l'S-BVT, fent-lo adient per a les xarxes òptiques elàstiques metropolitanes i regionals. A més, la migració prevista des de les xarxes fixes a les xarxes flexibles, amb el fi d'explotar la granuralitat de 12:5GHz, pot beneficiar-se de l’ús d'S-BVTs ja que són capaços de generar i rebre múltiples canals i dividir el flux agregat en múltiples fluxos amb diferents capacitats i destinacions. Per aquest motiu, proposem l’ús d'S-BVTs basats en senyals OFDM multi banda combinats en el domini elèctric amb el fi de limitar els recursos optoelectrònics i relaxar els requeriments dels convertidors digitals analògics i analògics digitals. Particularment, ens centrem en el model teòric d'una tècnica de transmissió avançada basada en la tecnologia OFDM amb detecció directa. A continuació, avaluem el sistema per a una xarxa metropolitana òptica realista. En el context de xarxes metropolitanes i regionals flexibles, a més de la propietat de divisió dels canals, es pot preveure una possible reducció de l'ample de canal per a les connexions de baixa taxa de bits. Això implica que el senyal travessi diversos nodes amb els corresponents elements filtrants causant un substancial decrement i distorsió de l'ample de banda del senyal. Aquest fenomen conegut com l'efecte d'estretament de filtrat ha sigut també estudiat en aquesta tesi, mitjançant simulacions i de manera experimental en el cas d'un sistema OFDM rendible i adaptatiu utilitzant detecció directa i un sistema estàndard On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detecció directa ha resultat ser un bon candidat per augmentar la flexibilitat i la robustesa front a les deficiències de transmissió sense necessitat de compensar la dispersió. A part dels transceptors adaptables, flexibles i programables, les xarxes òptiques metropolitanes han d'estar equipades amb sistemes de commutació òptica flexible a nivell de node. En aquest sentit, proposem l’adopció d'un S-BVT adaptatiu basat en tècniques de transmissió avançades i utilitzant detecció directa amb modulació Discrete MultiTone (DMT) i capacitats adaptatives, adoptant nodes de comunicació basats en Semi-conductor Optical Amplifier (SOA). Els SOAs poden ser utilitzats per la commutació _òptica en xarxes metropolitanes degut al seu baix cost o baix consum d'energia, entre altres característiques rellevants. El sistema ha sigut analitzat experimentalment considerant i sense considerar la presència d'elements filtrants. Gràcies a la combinació de la modulació DMT adaptativa i dels nodes de commutació basats en SOA, les degradacions degudes als enllaços de fibra i als elements filtrants es poden compensar. Finalment, per a millorar la distància de transmissió i la taxa de dades, proposem la combinació de constel·lacions multidimensionals implementades als mòduls DSP de l'SBVT utilitzant detecció coherent i la tecnologia OFDM. De fet, els sistemes coherents OFDM tenen un espai de senyal 4D (dues quadratures i dues polaritzacions), que pot ser utilitzat amb constel·lacions multidimensionals, arribant a ser més eficients que les modulacions convencionals Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). D'aquesta manera, la infraestructura desplegada s'explota de forma més eficient, ja que tant la dimensió de quadratura com de polarització s'utilitzen per transmetre el senyal. A més, els sistemes coherents basats en OFDM poden recuperar l'amplitud i la fase del senyal en el receptor, mitigant els efectes de la fibra i d'aquesta forma augmentant la distància de transmissió. El sistema OFDM coherent que utilitza el format de constel·lació Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) i que transmet el senyal al llarg del temps ha demostrat ser una solució prometedora.Postprint (published version

Point-to-point advanced self-coherent 200 Gb/s multicore fiber links supported by neural networks

Este trabalho propõe um sistema de fibra multi-núcleo (MCF) de curto alcance de 200 Gb/s considerando lasers reais com ruído de fase (LPN) e recetores Kramers Kronig. Os lasers usados neste sistema consideram larguras de linha típicas de lasers de cavidade externa (ECL) e lasers de feedback distribuído (DFB). Uma rede neural feed-forward (FFNN) é implementada para mitigar os efeitos do LPN e da diafonia entre núcleos (ICXT). O objetivo principal deste trabalho é avaliar o impacto do LPN na melhoria de desempenho proporcionada pela FFNN proposta. Em primeiro lugar, um sistema sem LPN é estudado como referência. Posteriormente, o LPN é introduzido no sistema, com o sinal ótico injetado no núcleo interferente a considerar um laser com largura de linha típica de ECLs e lasers DFB. O sinal ótico injetado no núcleo interferido considera um laser ideal sem LPN. Concluiu-se que, aplicando a FFNN, o BER médio obtido com o ECL e o laser DFB, em comparação com o caso de referência, aumentou mais de uma ordem de grandeza. O BER médio obtido com ambos os lasers manteve-se abaixo do limite de BER quando o intervalo de tempo entre a fase de treino e uso da FFNN (ΔT) não excedeu 20% do tempo de coerência (Tc). Considerando ΔT/Tc=0.1, a FFNN proporcionou uma melhoria de 25% e 22% na probabilidade de indisponibilidade em comparação com a probabilidade de indisponibilidade antes da FFNN, ao considerar um ECL e um laser DFB, respetivamente. Essa melhoria diminui com o aumento de ΔT/Tc.This work proposes a 200 Gb/s short-reach multi-core fiber (MCF) system considering real lasers with laser phase noise (LPN) and Kramers Kronig receivers. The lasers employed in this system consider linewidths typical of external cavity lasers (ECL) and distributed feedback lasers (DFB). A feed-forward neural network (FFNN) is implemented to mitigate the effects of the LPN and inter-core crosstalk (ICXT). The main objective of this work is to assess the impact of the LPN on the performance improvement provided by the proposed FFNN. Firstly, a system without LPN is studied as reference. Afterwards, the LPN is introduced in the system as the optical signal injected in the interfering core considered a laser with linewidth typical of ECLs and DFB lasers. The optical signal injected in the interfered core considered an ideal laser without LPN. It was concluded that, when employing the FFNN, the mean BER obtained with the ECL and DFB laser, compared to the reference case, increased more than one order of magnitude. Furthermore, the mean BER obtained with both lasers was kept below the BER threshold when the time interval between the training phase and the use of the FFNN (ΔT) did not exceed 20% of the coherence time (Tc). Considering ΔT/Tc=0.1, the FFNN provided a 25% and a 22% improvement on the outage probability when compared with the outage probability before the FFNN, while considering an ECL and a DFB laser, respectively. This improvement will decrease with the increase of the ΔT/Tc

Design and analysis of adaptively modulated optical orthogonal frequency division multiple access multiband passive optical networks

The aim of this thesis is to explore innovative technical solutions of utilising Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OOFDM) in intensity modulation and direct detection (IMDD) based future access networks to provide multi-service capability with a minimum 1 Gb/s per user. This thesis extensively investigates and analyses the feasibility and performance of adaptively modulated optical orthogonal frequency division multiplexing multiple access passive optical networks (AMOOFDMA PONs) upstream transmission systems by numerically simulating AMOOFDMA PONs using experimentally determined parameters. OOFDM transceivers incorporating reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs) and distributed feedback (DFB) lasers are utilised in the transceivers and intensity modulation and direct detection (IMDD) transmission systems are also employed to achieve a low complexity, high speed and large bandwidth PON as a solution for next generation access networks. Numerical simulations has also being undertaken to improve overall AMOOFDMA PON performance and power budget by incorporating optical band-pass filters (OBPFs) at the output of optical network units (ONUs). A major challenge of making PONs spectrally efficient has been addressed in this thesis by investigating the AMOOFDMA PON with ONUs on a single upstream wavelength. The performance of the single upstream wavelength AMOOFDMA PON is compared to the multiple wavelength AMOOFDMA PON. Another major challenge in AMOOFDMA PONs namely improving system capacity has also been addressed by implementing multiband transmission in an AMOOFDMA PON. Results show that for a multiple upstream OOFDMA IMDD PON system over 25 km single mode fibre (SMF) can achieve an aggregated data rate of 11.25 Gb/s and the minimum wavelength spacing between ONUs are independent of the number of ONUs. Results also show that a single upstream wavelength AMOOFDMA IMDD PON with multiband incorporated at the ONUs can achieve a aggregated line rate of 21.25 Gb/s over 25 km SMF

Characterization and design of coherent optical OFDM transmission systems based on Hartley Transform

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement.Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red.Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa

Photonic Modulation and Demodulation techniques for Multi-Gb/s Millimetre wave Wireless Links

Los sistemas de radio sobre fibra(Radio Over fibre ROF) ofrecen el ancho de banda y flexibilidad necesario para la generación y distribución de del señales inalámbricas del futuro en una arquitectura de red óptica, que reduce el coste de las redes centralizando el procesado y simplificando la ubicación de la antena (estación de base EB). El uso de sistemas de comunicaciones ópticas como una media de transporte de señales inalámbricas en enlaces RoF reduce el cuello de botella entre los estándares de acceso inalámbrico y cableado en un dominio convergente óptico. Las redes de acceso ópticas están evolucionando con capacidades de hasta 10 Gb/s con el estándard 10GEPON, dejando un cuello de botella entre tecnologías de acceso inalámbrico y óptico. . Eso ha motivado gran esfuerzo de investigación en la generación y distribución de señales inalámbricas de alta capacidad (> 10 Gb/s) basada en RoF. En esta tesis se ha investigado el uso de técnicas fotónicas para la generación , distribución y demodulación de señales inalámbricas moduladas vectorialmente. Esta tesis está principalmente dedicada a la generación de señales inalámbricas espectralmente eficientes como la modulación de fase en cuadratura (QPSK) o modulación de amplitud cuadratura de multinivel (M-QAM). El trabajo presentado en esta tesis está clasificado en dos partes: la primera de ellas trata de las técnicas fotónicas que utilizan señales eléctricas coherente para la generación y demodulación de señales inalámbricas, mientras la segunda parte trata de usar señales ópticas incoherentes. En la primera parte de la tesis, están presentadas diferentes arquitecturas de sistemas y están analizadas numéricamente, y demostradas experimentalmente. Un nuevo concepto denominado "modulación vectorial fotónica" (PVM) es propuesto para la generación de señales inalámbricas con una modulación M-QAM. Basado en esta técnica se presenta la generación de señales de capacidad 10Gb/s con una modulación de QPSK y 16-QAM.Sambaraju -, R. (2010). Photonic Modulation and Demodulation techniques for Multi-Gb/s Millimetre wave Wireless Links [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8857Palanci