Fiber optic control system integration

A total fiber optic, integrated propulsion/flight control system concept for advanced fighter aircraft is presented. Fiber optic technology pertaining to this system is identified and evaluated for application readiness. A fiber optic sensor vendor survey was completed, and the results are reported. The advantages of centralized/direct architecture are reviewed, and the concept of the protocol branch is explained. Preliminary protocol branch selections are made based on the F-18/F404 application. Concepts for new optical tools are described. Development plans for the optical technology and the described system are included

Electro-optic architecture (EOA) for sensors and actuators in aircraft propulsion systems

Results of a study to design an optimal architecture for electro-optical sensing and control in advanced aircraft and space systems are described. The propulsion full authority digital Electronic Engine Control (EEC) was the focus for the study. The recommended architecture is an on-engine EEC which contains electro-optic interface circuits for fiber-optic sensors on the engine. Size and weight are reduced by multiplexing arrays of functionally similar sensors on a pair of optical fibers to common electro-optical interfaces. The architecture contains common, multiplex interfaces to seven sensor groups: (1) self luminous sensors; (2) high temperatures; (3) low temperatures; (4) speeds and flows; (5) vibration; (6) pressures; and (7) mechanical positions. Nine distinct fiber-optic sensor types were found to provide these sensing functions: (1) continuous wave (CW) intensity modulators; (2) time division multiplexing (TDM) digital optic codeplates; (3) time division multiplexing (TDM) analog self-referenced sensors; (4) wavelength division multiplexing (WDM) digital optic code plates; (5) wavelength division multiplexing (WDM) analog self-referenced intensity modulators; (6) analog optical spectral shifters; (7) self-luminous bodies; (8) coherent optical interferometers; and (9) remote electrical sensors. The report includes the results of a trade study including engine sensor requirements, environment, the basic sensor types, and relevant evaluation criteria. These figures of merit for the candidate interface types were calculated from the data supplied by leading manufacturers of fiber-optic sensors

All optical 2R regeneration systems for broadband agile dense wavelength division multiplexing transparent optical networks

Recentemente è stata notata una crescita dei servizi multimediali richiesti dagli utenti finali; in tal modo numerose soluzioni sono state implementate per garantire elevati bit rate e qualità del servizio necessari per questo tipo di applicazioni. Le reti completamente ottiche sono state stese in molte nazioni (Giappone, Corea, Cina) per fornire servizi a banda larga fino a casa dell'utente. Conseguentemente, sono richiesti dispositivi in grado di operare nel dominio ottico in modo tale da evitare il noto “collo di bottiglia” derivante dalle conversioni di formato O/E/O (ottico/elettrico/ottico). In questo modo, nuovi tipi di sistemi (per esempio: optical processing e passive optical network) in grado di operare nel dominio completamente ottico sono richiesti poiché solo questo tipo di soluzione è la miglior strada per offrire alte prestazioni in termini di servizi, rate e riduzione dei costi per bit. Il lavoro eseguito durante questo dottorato di ricerca è stato incentrato sull'evoluzione di dispositivi per la rigenerazione ottica in grado di operare al contempo una Ri-amplificazione e Ri-sagomatura (2R) dei segnali ottici. Studi ed esperimenti sono stati effettuati nei laboratori dell’ ISCOM sfruttando la possibilità di rigenerazione completamente ottica di un dispositivo 2R multi-canale in grado di lavorare e gestire più clients nel medesimo istante temporale. Il sistema è stato implementato in uno scenario DWDM (Dense Wavelegth Division Multiplexing); inoltre, lavorando nel dominio completamente ottico sono state eliminate le conversioni di formato (O/E/O). Il sistema di rigenerazione è basato sulla modulazione di fase presente all'interno della fibra ottica usata per ottenere, sotto particolari condizioni, la generazione di nuove repliche del segnale originario che si vuole rigenerare. Queste nuove repliche, essendo posizionate a nuove lunghezze d’onda, possono essere usate sia per ottenere una conversione di lunghezza d’onda sia per ottenere una rigenerazione ottica dei segnali. Ciascuna replica, infatti, è caratterizzata dall’ avere un andamento simile alle funzioni di Bessel in grado di eliminare il rumore accumulatosi durante la trasmissione dei segnali. L’idea di questo lavoro è basato su un approccio multi-lunghezza d’onda in modo tale da poter usare un solo dispositivo per fornire una rigenerazione 2R completamente ottica ai numerosi utenti operanti a 10 Gbps. La capacità dei sistemi, implementati nei laboratori ISCOM, di risagomare i segnali, è stata confermata sperimentalmente in termini di misurazioni di diagramma ad occhio dei segnali di uscita e dalle curve di BER (Bit Error Rate).A recent increase of multimedia service demand from end-users has been noticed, thus several solutions have been implemented to guarantee the high rate and relative QoS (Quality of Service) needed for these kind of services. All optical networks have been deployed in many countries (Japan, Korea, China, at all) in order to supply broadband services to the home. Consequently, devices able to operate in optical domain are requested in order to avoid the so called “bottle-neck” coming from the O/E/O data conversion format. Thus, new kind of systems (optical processing and passive optical networks, at all) able to operate in photonic domain are requested because only this kind of solution is the better way to offer high performances in term of services, rate and low cost per bit. The work performed during this PhD program has been focused on the evolution of regeneration devices able to perform Re-amp and Re-shaping also know as 2R. Studies and experiments have been carried out at the ISCOM labs exploiting the possibility to a multi-channel 2R all optical regeneration device which is able to work with different client signals at the same time. The system has been implemented in a dense WDM (Wavelength Division Multiplexing) scenario. Moreover, working completely in optical domain, the format conversion (O/E/O) is avoided. The regeneration system is based on phase modulation present in the fiber and used to obtain, under particular conditions, the generation of new signal replica. These new replica, being placed at new different wavelengths can be used both to reach a wavelength conversion and to obtain an all optical regeneration effect. Each replica, in fact, is characterized by a Bessel like transfer function able to clean the noise accumulated along the signal transmission. The idea of this work is based on a multi-wavelength approach, thus only one device can be used to provide all optical 2R regeneration to several client signals at 10 Gbps at the same time. The ability of the systems, implemented at the ISCOM labs, to reshape the signals, has been experimentally confirmed in terms of eyes diagrams and BER (Bit Error Rate) measurements

Contribution to the development of new photonic systems for fiber optic sensing applications

En este trabajo de doctorado se presentan nuevos sistemas y subsistemas de sensores de fibra óptica. Así, se proponen y desarrollan nuevas técnicas, componentes y tecnologías basadas en láseres de fibra con espejos distribuidos (random), fibras de cristal fotónico, estructuras de luz lenta, multiplexores de inserción y extracción (add and drop), conmutadores tele-alimentados por luz, reflectometría óptica tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia o filtros ópticos reconfigurables. También se han demostrado nuevas aplicaciones para estructuras de sensores tradicionales y técnicas de medida ya conocidas. Todas ellas dirigidas a la mejora del funcionamiento de los actuales transductores, redes de sensores y aplicaciones de monitorización de salud estructural. De este modo, y en primer lugar, se han desarrollado nuevos transductores puntuales. En concreto, dos sensores interferométricos basados en fibras de cristal fotónico y otro basado en una estructura resonante en anillo. También se han realizado diferentes redes de sensores utilizando OTDRs comerciales. Por un lado, se han multiplexado diferentes sensores utilizando una red en forma de bus y, por el otro, se ha interrogado de manera remota un sensor FLM/LPG a una distancia de 253 km sin necesidad de amplificación. Se han estudiado láseres basados en efecto de realimentación distribuida random (RDFB) para su uso en interrogación de sensores. Para ello, se han demostrado dos nuevos láseres multi-longitud de onda y también, por primera vez, se ha modulado un laser random. Después, se han demostrado experimentalmente varias redes de sensores de fibra óptica teniendo en cuenta los principales desafíos que estas presentan: multiplexar varios sensores en una misma red y permitir su monitorización de manera remota. En primer lugar, se han multiplexado sensores basados en la modulación de la intensidad óptica utilizando técnicas de multiplexación en dominio del tiempo. En segundo lugar, se han multiplexado sensores basados en fibras de cristal fotónico. En tercer lugar, se presentan tres nuevos métodos para la medida remota de sensores. Por último, se incluye la demostración de un conmutador de fibra óptica tele-alimentado a través de luz. Éste se utiliza en tres redes diferentes para añadir robustez e incrementar la versatilidad en la multiplexación. Finalmente, se han realizado tres pruebas de campo para aplicaciones de monitorización de salud estructural.In this PhD work, different new photonic systems and subsystems for fiber optic sensing are presented. The aim of this thesis has been to contribute to the fiber optic sensors field using modern techniques, components and technologies such as random fiber lasers, photonic crystal fibers, slow light structures, add and drop multiplexers, powered by light switches, optical frequency and time domain reflectometry or reconfigurable optical filters, among others. New applications of traditional sensing structures or techniques have been also demonstrated. All of them focused on improving the performance of current sensors transducers, multiplexing networks and structural health monitoring applications. Thus, new point transducers have been developed: two of them are interferometric sensors based on photonic crystal fibers; and another one is based on a fiber ring resonator structure. Fiber optic sensor networks using commercial OTDRs have been also explored. On the one hand, different sensors have been successfully multiplexed in the same bus network. And, on the other hand, a FLM/LPG sensor was remotely interrogated at a distance of 253 km without using amplification. Random distributed feedback (RDFB) lasers have been explored for sensors interrogation. Two multi-wavelength Raman fiber lasers suitable for sensors interrogation have been demonstrated. Also, a random fiber laser has been internally modulated for the first time. Then, some experimental demonstrations of fiber optic sensors networks have been carried out taking into account the principal challenges they pose: multiplexing a number of optical sensors in a single networks, and enabling the possibility of remote sensing. Firstly, intensity sensors using TDM technology have been multiplexed. Secondly, PCF sensors have been successfully multiplexed. Thirdly, three new approaches to enable remote sensing are presented. Finally, a remote powered by light fiber optic switch have been included in three networks in order to add robustness and multiplexing versatility.Este trabajo se ha llevado a cabo gracias a las aportaciones económicas recibidas de los siguientes organismos, entre otros: - Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del programa de Formación del Personal Investigador y asociado al proyecto de investigación TEC2010-20224-C02-01. - Universidad Pública de Navarra mediante las ayudas a tesis doctorares. - Acción Europea COST- TD1001: Novel and Reliable Optical Fibre Sensor Systems for Future Security and Safety Applications (OFSeSa) - También se ha recibido financiación del Proyecto de Investigación de la Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio de Economía y Competitividad de España TEC2013-47264-C2-2-R, de Innocampus, del Proyecto Europeo SUDOE-ECOAL-Intereg Project ECOAL-MGT y de los Fondos FEDER.Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones (RD 1393/2007)Komunikazioen Teknologietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

Telecommunication Systems

This book is based on both industrial and academic research efforts in which a number of recent advancements and rare insights into telecommunication systems are well presented. The volume is organized into four parts: "Telecommunication Protocol, Optimization, and Security Frameworks", "Next-Generation Optical Access Technologies", "Convergence of Wireless-Optical Networks" and "Advanced Relay and Antenna Systems for Smart Networks." Chapters within these parts are self-contained and cross-referenced to facilitate further study

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

Multimode fibre broadband access and self-referencing sensor networks

Future Internet Access technologies are supposed to bring us a very performing connection to the main door of our homes. At the same time, new services and devices and their increase use will require data transfers at speeds exceeding 1Gbps inside the building or home at the horizon 2012. Both drivers lead to the deployment of a high-quality, futureproof network inside buildings and homes. This environment may end up taking advantage of optical cabling solutions as an alternative to more traditional copper or pure wireless approaches. Related to this latter fact, the objectives of this work are: • The achievement of a full convergence scenario between optical networks from the telecommunication services providers to the end users underscores the necessity of accurate and realistic fibre models in assessing the performance of broadband access networks with the premises of high-capacity and total compatibility. Silicabased MMFs and PF GIPOFs are the most promising candidates for such a convergence within the in-building/home scenario. Contributions to a better understanding of the possibilities of signal transmission outside the baseband of such fibres are investigated, in order to extend their capabilities, together with the evaluation of current fibre frequency response theoretical models by means of an extensive set of measurements. • The achievement of a full convergence scenario between optical networks from the telecommunication services providers to the end users is also contingent on research and development in the field of optical fibre sensors, mainly driven by the growing demand of fully building/home and industry automation, leading to a reliable integration of the optical networks. Related to this, development of multiplexing and measurement techniques for fibre-optic intensity-based sensors are analyzed and experimentally investigated. In the sensor network topology proposed, by replacing the fibre delay line with an electronic delay in the reception stage, it is possible to avoid long fibre delay coils in the remote sensing points and achieving a compact, flexible and re-configurable self-referencing technique. Applications in both scenarios can be considered, on the one hand the in-building/home network and on the other hand the WDM-PON access network topology through which operators provision the different services. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------La demanda e incursión en la sociedad de nuevos servicios multimedia, tales como televisión por Internet (IPTV, Internet Protocol Television) o video-bajo-demanda (VoD, Video on Demand) junto con el incremento del tráfico de datos requerido para nuevas aplicaciones como la televisión por alta definición (HDTV, High-Definition Television) y transferencias P2P (Peer-to-Peer) exigen un aumento de la capacidad de las redes de datos desplegadas hoy en día. Para hacer frente a este aumento de la demanda de capacidad de las redes de acceso, los proveedores de estos servicios multimedia están reemplazando las infraestructuras de las redes de acceso basadas en cable coaxial, tales como xDSL (x- Digital Subscriber Line), por otras nuevas de mayor capacidad desplegadas en fibra óptica, permitiendo la interconexión de los nodos de red con los múltiples hogares y negocios de los abonados, constituyendo el núcleo de lo que es conocido como “fibra hasta el hogar/nodo/edificio” o redes FTTx. Tradicionalmente el despliegue de las redes ópticas se ha realizado mediante fibra óptica monomodo de sílice (SMF, Singlemode Fibre). Ello es debido a su gran ancho de banda que permite una gran capacidad de transporte de servicios y datos. Es por ello que en base a este tipo de fibra se ha realizado el despliegue de redes de distribución y metropolitanas y, de un tiempo a esta parte, incluso penetrando su instalación en las redes de acceso. Junto con lo anteriormente expuesto, existe una necesidad de convergencia de servicios e infraestructuras dentro de las redes de acceso. Actualmente, cables coaxiales, par trenzado de cobre e incluso señales inalámbricas se encuentran entremezcladas dentro del hogar proporcionando servicios diferentes con apenas cooperación entre ellos. Una infraestructura común dentro del hogar en el que una gran cantidad de servicios pudieran ser integrados y soportados por la misma sería un aspecto deseable. Y es más, frente a las desventajas de infraestructuras basadas en cable de cobre (cable coaxial y par trenzado) como son susceptibilidad a interferencias electromagnéticas, presencia de crosstalk y relativa baja capacidad de transporte de datos, las fibras ópticas (tanto en su versión monomodo como multimodo) presentan las ventajas de un menor volumen, mayor flexibilidad y menor peso junto con una capacidad mayor de transmisión de datos sobre distancias mayores. Es por esto que éstas últimas constituyen la base para las futuras redes de acceso en el hogar

Analysis of the performances and tolerances of the 2nd generation passive optical networks (NGPON2) for FTTH systems

[ENGLISH] In a Fiber to the Home (FTTH) system, the fiber is connected until the household users. A passive optical network (PON) is a particular type of FTTH networks that uses P2MP (point-to-multipoint fiber premises) in which unpowered optical splitters are used to share part of the infrastructure enable a single optical fiber to serve multiple premises. The evolution of PON systems across the years can be associated with the evolution in multiplexing technologies. In the first years with the use of TDM the achieved upstream and downstream aggregate bandwidth was in the order of 155 Mbit/s until 10 GBit/s in XG-PON standard. But with the implementation of WDM the capacities have been increased significantly until get bandwidths of 250 GBit/s and 500 GBit/s using ud-WDM with coherent detection. This new standards use advanced modulation and codification formats. This project will evaluate the new international standard ITU-T G.989 for next generation optical fiber access to the home (FTTH) network operating at 4x 10GBit/s, that uses time multiplexing and dense wavelength multiplexing (TWDM). The key commercial devices for its implementation will be identified and modelled. Next, the access network will be built in a computer simulator, different tests will be run, and the system will be optimized. Tasks: · Study of the state of art of optical access networks comparing different technologies, devices, and architectures. · Analysis of the new international standard ITU-T G.989 to review the optical spectrum management, devices and subsystems proposed. · Use of VPI simulator in order to build an access network architecture and realize different tests, linking it with · MATLAB to analyze the achieved results. · Optimization of the network built.[CASTELLÀ] En un Sistema de Fibra hasta el hogar (FTTH, Fiber to the Home), la fibra es conectada hasta el hogar de los usuarios. Una red óptica pasiva (PON) es un tipo particular de red redes FTTH que utiliza instalaciones punto a multipunto (P2MP), en las cuales se comparte parte de la infraestructura permitiendo enviar información de múltiples canales a través de una sola fibra. Este trabajo presenta un compendio de los principales conceptos sobre redes de acceso y sistemas PON y algunas de las tecnologías usadas para el desarrollo de los mismos, incluyendo multiplexación por división en el tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) y multiplexación por división de la longitud de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), independientes o en configuración híbrida (TWDM). A partir de aquí se identifican y modelan los dispositivos comerciales clave para su implementación, especificando sus parámetros característicos para cumplir con los requerimientos del nuevo estándar internacional ITU-T G.989 para redes FFTH. Este proyecto evalúa dicho estándar, el cual plantea la implementación de sistemas NG-PON2 a 4x10GBit/s, los cuales usarán una arquitectura híbrida TWDM y transceptores sintonizables, además de garantizar la coexistencia con otros sistemas PON heredados, ubicando el tráfico en downstream y upstream en unas bandas de longitud de onda adecuadas sin solapamiento. El trabajo de análisis se enfoca en la identificación de los dispositivos clave, como trasmisores y filtros ópticos sintonizables para alcanzar los requerimientos mímos especificados. Además se da una primera aproximación al diseño del elemento de coexistencia (CE, Coexistence element) para el soporte de los sistemas PON heredados. Una vez especificados los requerimientos mínimos e identificados los dispositivos clave, se diseña e implementa la red en el simulador VPIphotonicsTM usando láseres de onda continua, moduladores externos de intensidad, multiplexores de longitud de onda y divisores de potencia apropiados. En recepción se usa detección directa con fotodiodos PIN y APD y filtros ópticos sintonizables en la ONU. Una vez completado el diseño, se realizan diferentes test, se analizan los resultados y se optimiza el diseño para dimensionar la red en términos de número de usuarios, alcance, balance de potencias, capacidad de acho de banda, etc