Benchmarking and viability assessment of optical packet switching for metro networks

Optical packet switching (OPS) has been proposed as a strong candidate for future metro networks. This paper assesses the viability of an OPS-based ring architecture as proposed within the research project DAVID (Data And Voice Integration on DWDM), funded by the European Commission through the Information Society Technologies (IST) framework. Its feasibility is discussed from a physical-layer point of view, and its limitations in size are explored. Through dimensioning studies, we show that the proposed OPS architecture is competitive with respect to alternative metropolitan area network (MAN) approaches, including synchronous digital hierarchy, resilient packet rings (RPR), and star-based Ethernet. Finally, the proposed OPS architectures are discussed from a logical performance point of view, and a high-quality scheduling algorithm to control the packet-switching operations in the rings is explained

Optical Switching for Scalable Data Centre Networks

This thesis explores the use of wavelength tuneable transmitters and control systems within the context of scalable, optically switched data centre networks. Modern data centres require innovative networking solutions to meet their growing power, bandwidth, and scalability requirements. Wavelength routed optical burst switching (WROBS) can meet these demands by applying agile wavelength tuneable transmitters at the edge of a passive network fabric. Through experimental investigation of an example WROBS network, the transmitter is shown to determine system performance, and must support ultra-fast switching as well as power efficient transmission. This thesis describes an intelligent optical transmitter capable of wideband sub-nanosecond wavelength switching and low-loss modulation. A regression optimiser is introduced that applies frequency-domain feedback to automatically enable fast tuneable laser reconfiguration. Through simulation and experiment, the optimised laser is shown to support 122×50 GHz channels, switching in less than 10 ns. The laser is deployed as a component within a new wavelength tuneable source (WTS) composed of two time-interleaved tuneable lasers and two semiconductor optical amplifiers. Switching over 6.05 THz is demonstrated, with stable switch times of 547 ps, a record result. The WTS scales well in terms of chip-space and bandwidth, constituting the first demonstration of scalable, sub-nanosecond optical switching. The power efficiency of the intelligent optical transmitter is further improved by introduction of a novel low-loss split-carrier modulator. The design is evaluated using 112 Gb/s/λ intensity modulated, direct-detection signals and a single-ended photodiode receiver. The split-carrier transmitter is shown to achieve hard decision forward error correction ready performance after 2 km of transmission using a laser output power of just 0 dBm; a 5.2 dB improvement over the conventional transmitter. The results achieved in the course of this research allow for ultra-fast, wideband, intelligent optical transmitters that can be applied in the design of all-optical data centres for power efficient, scalable networking

Benchmarking and viability assessment of optical packet switching for metro networks

Optical packet switching (OPS) has been proposed as a strong candidate for future metro networks. This paper assesses the viability of an OPS-based ring architecture as proposed within the research project DAVID (Data And Voice Integration on DWDM), funded by the European Commission through the Information Society Technologies (IST) framework. Its feasibility is discussed from a physical-layer point of view, and its limitations in size are explored. Through dimensioning studies, we show that the proposed OPS architecture is competitive with respect to alternative metropolitan area network (MAN) approaches, including synchronous digital hierarchy, resilient packet rings (RPR), and star-based Ethernet. Finally, the proposed OPS architectures are discussed from a logical performance point of view, and a high-quality scheduling algorithm to control the packet-switching operations in the rings is explained

A Hybrid Beam Steering Free-Space and Fiber Based Optical Data Center Network

Wireless data center networks (DCNs) are promising solutions to mitigate the cabling complexity in traditional wired DCNs and potentially reduce the end-to-end latency with faster propagation speed in free space. Yet, physical architectures in wireless DCNs must be carefully designed regarding wireless link blockage, obstacle bypassing, path loss, interference and spatial efficiency in a dense deployment. This paper presents the physical layer design of a hybrid FSO/in-fiber DCN while guaranteeing an all-optical, single hop, non-oversubscribed and full-bisection bandwidth network. We propose two layouts and analyze their scalability: (1) A static network utilizing only tunable sources which can scale up to 43 racks, 15,609 nodes and 15,609 channels; and (2) a re-configurable network with both tunable sources and piezoelectric actuator (PZT) based beam-steering which can scale up to 8 racks, 2,904 nodes and 185,856 channels at millisecond PZT switching time. Based on a traffic generation framework and a dynamic wavelength-timeslot scheduling algorithm, the system-level network performance is simulated for a 363-node subnet, reaching >99% throughput and 1.23 μ s average scheduler latency at 90% load

Internetworking architectures for optical network units in a wavelength division multiplexed passive optical network.

Zhao, Qiguang.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2007.Includes bibliographical references (leaves 72-76).Abstracts in English and Chinese.Chapter Chapter 1 --- Introduction --- p.1Chapter 1.1 --- Telecommunications network hierarchy --- p.2Chapter 1.2 --- PON architectures for access networks --- p.4Chapter 1.2.1 --- TDM-PON --- p.5Chapter 1.2.2 --- WDM-PON --- p.7Chapter 1.3 --- Motivation of this thesis --- p.8Chapter 1.4 --- Outline of this thesis --- p.11Chapter Chapter 2 --- Previous Internetworking Architectures for Optical Network Units in Passive Optical Networks --- p.12Chapter 2.1 --- Introduction --- p.13Chapter 2.2 --- Previous internetworking architectures with ONU-broadcast capabilityChapter 2.2.1 --- Virtual ring network construction --- p.14Chapter 2.2.2 --- Reflection mechanism employing a FBG --- p.15Chapter 2.2.3 --- Loop-back mechanism in TDM-PON --- p.16Chapter 2.3 --- Previous internetworking architectures with ONU-VPGs formation capability --- p.17Chapter 2.3.1 --- E-CDMA application --- p.17Chapter 2.3.2 --- SCM technique --- p.18Chapter 2.3.3 --- Reflective waveband grouping mechanism --- p.20Chapter 2.4 --- Previous protection scheme for internetworking architectures --- p.21Chapter 2.4.1 --- Local ring protection in TDM-PON --- p.21Chapter 2.5 --- Summary --- p.22Chapter Chapter 3 --- Novel Internetworking Architecture with ONU-Broadcast Capability in a WDM-PON --- p.24Chapter 3.1 --- Introduction --- p.25Chapter 3.2 --- Network topology and wavelength assignment --- p.26Chapter 3.3 --- Operation principle --- p.27Chapter 3.4 --- Experimental demonstration --- p.31Chapter 3.5 --- Power budget and scalability --- p.34Chapter 3.6 --- Summary --- p.36Chapter Chapter 4 --- Novel Internetworking Architectures with ONU- VPGs Formation Capability in a WDM-PON --- p.37Chapter 4.1 --- Introduction --- p.38Chapter 4.2 --- Novel architecture with ONU-VPGs formation based on RF tone technique --- p.39Chapter 4.2.1 --- Introduction --- p.39Chapter 4.2.2 --- Network topology and wavelength assignment --- p.40Chapter 4.2.3 --- Media access control protocol: CSMA/CA protocol --- p.42Chapter 4.2.4 --- Experimental demonstration --- p.43Chapter 4.2.5 --- Discussion --- p.47Chapter 4.2.6 --- Summary --- p.49Chapter 4.3 --- Novel architecture with ONU-VPGs formation in optical layer --- p.51Chapter 4.3.1 --- Introduction --- p.51Chapter 4.3.2 --- Network topology and wavelength assignment --- p.51Chapter 4.3.3 --- Operation principle --- p.54Chapter 4.3.4 --- Experimental demonstration --- p.56Chapter 4.3.5 --- Discussion --- p.58Chapter 4.3.6 --- Summary --- p.65Chapter 4.4 --- Comparisons --- p.66Chapter 4.5 --- Summary --- p.67Chapter Chapter 5 --- Summary and Future Works --- p.68Chapter 5.1 --- Summary of the thesis --- p.69Chapter 5.2 --- Future works --- p.70LIST OF PUBLICATIONS --- p.71BIBLIOGRAPHY --- p.7

Silicon Modulators, Switches and Sub-systems for Optical Interconnect

Silicon photonics is emerging as a promising platform for manufacturing and integrating photonic devices for light generation, modulation, switching and detection. The compatibility with existing CMOS microelectronic foundries and high index contrast in silicon could enable low cost and high performance photonic systems, which find many applications in optical communication, data center networking and photonic network-on-chip. This thesis first develops and demonstrates several experimental work on high speed silicon modulators and switches with record performance and novel functionality. A 8x40 Gb/s transmitter based on silicon microrings is first presented. Then an end-to-end link using microrings for Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation and demodulation is shown, and its performance with conventional BPSK modulation/ demodulation techniques is compared. Next, a silicon traveling-wave Mach- Zehnder modulator is demonstrated at data rate up to 56 Gb/s for OOK modulation and 48 Gb/s for BPSK modulation, showing its capability at high speed communication systems. Then a single silicon microring is shown with 2x2 full crossbar switching functionality, enabling optical interconnects with ultra small footprint. Then several other experiments in the silicon platform are presented, including a fully integrated in-band Optical Signal to Noise Ratio (OSNR) monitor, characterization of optical power upper bound in a silicon microring modulator, and wavelength conversion in a dispersion-engineered waveguide. The last part of this thesis is on network-level application of photonics, specically a broadcast-and-select network based on star coupler is introduced, and its scalability performance is studied. Finally a novel switch architecture for data center networks is discussed, and its benefits as a disaggregated network are presented

PAM Performance Analysis in Multicast-Enabled Wavelength-Routing Data Centers

Multilevel pulse amplitude modulation (M-PAM) is gaining momentum for high-capacity and power-efficient cloud computing. Compared to the classic on-off keying (OOK) modulation, high-order PAM yields better spectral efficiency but is also more susceptible to physical layer degradation effects. We develop a cross-layer analysis framework to examine the PAM transmission performance in data center network environments supporting both optical multicasting and wavelength routing. Our analysis is conducted on a switch architecture based on an arrayed-waveguide grating (AWG) core and distributed broadcast domains, exhibiting different physical paths, and random, uncontrolled crosstalk noise. Reed-Solomon coding with rate adaptation is incorporated into PAM transceivers to compensate for impairments. Our Monte Carlo simulations point to the significant impact of AWG crosstalk on higher order PAM in wavelength-reuse architectures and the importance of code rate adaptation for signals traversing multiple routing stages. According to our study, 8-PAM offers the highest effective bit rates for signals terminating in one broadcast domain and performs poorly when considering interdomain connectivity. On the other hand, the impairment-induced degradation of interdomain capacity for 4-PAM can be limited to 20.7%, making it better suited for connections spanning two broadcast domains and a crosstalk-rich stage. Our results call for software-defined PAM transceiver designs in support of both modulation order and code rate adaptation

Dynamic Optical Networks for Data Centres and Media Production

This thesis explores all-optical networks for data centres, with a particular focus on network designs for live media production. A design for an all-optical data centre network is presented, with experimental verification of the feasibility of the network data plane. The design uses fast tunable (< 200 ns) lasers and coherent receivers across a passive optical star coupler core, forming a network capable of reaching over 1000 nodes. Experimental transmission of 25 Gb/s data across the network core, with combined wavelength switching and time division multiplexing (WS-TDM), is demonstrated. Enhancements to laser tuning time via current pre-emphasis are discussed, including experimental demonstration of fast wavelength switching (< 35 ns) of a single laser between all combinations of 96 wavelengths spaced at 50 GHz over a range wider than the optical C-band. Methods of increasing the overall network throughput by using a higher complexity modulation format are also described, along with designs for line codes to enable pulse amplitude modulation across the WS-TDM network core. The construction of an optical star coupler network core is investigated, by evaluating methods of constructing large star couplers from smaller optical coupler components. By using optical circuit switches to rearrange star coupler connectivity, the network can be partitioned, creating independent reserves of bandwidth and resulting in increased overall network throughput. Several topologies for constructing a star from optical couplers are compared, and algorithms for optimum construction methods are presented. All of the designs target strict criteria for the flexible and dynamic creation of multicast groups, which will enable future live media production workflows in data centres. The data throughput performance of the network designs is simulated under synthetic and practical media production traffic scenarios, showing improved throughput when reconfigurable star couplers are used compared to a single large star. An energy consumption evaluation shows reduced network power consumption compared to incumbent and other proposed data centre network technologies

Coherent terabit/s communications using chip-scale optical frequency comb sources

Der Visual Networking Index (VNI) der Firma Cisco weist für den weltweiten Internetverkehr eine durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26% aus und prognostiziert 2022 einen jährliche Datenverkehr von 4,8 Zettabyte [1]. Um diesem Anstieg des Netzwerkverkehrs zu begegnen, ist die kohärente Datenübertragung in Kombination mit sogenanntem Wellenlängenmultiplex (engl. wavelength-division multiplexing, WDM) in Langstrecken-Glasfasernetzwerken zum Standard geworden. Mit der verstärkten Nutzung von Cloud-basierten Diensten, dem wachsenden Trend, Inhalte in die Nähe der Endbenutzer zu bringen, und der steigenden Anzahl angeschlossener Geräte in sog. Internet-of-Things-(IoT-)Szenarien, wird der Datenverkehr auf allen Netzebenen voraussichtlich weiter drastisch ansteigen. Daher wird erwartet, dass die WDM-Übertragung mittelfristig auch kürzere Verbindungen verwendet werden wird, die in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden als Langstreckenverbindungen und bei denen die Größe und die Kosten der Transceiver-Baugruppen daher wesentlich wichtiger sind. In diesem Zusammenhang werden optische Frequenzkammgeneratoren als kompakte und robuste Mehrwellenlängen-Lichtquellen eine wichtige Rolle spielen. Sie können sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite einer kohärenten WDM-Verbindung eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger oder Lokaloszillator-Signale liefern. Ein besonders wichtiger Vorteil der Frequenzkämme ist die Tatsache, dass die Spektrallinien von Natur aus äquidistant sind und durch nur zwei Parameter − die Mittenfrequenz und den freien Spektralbereich − definiert werden. Dadurch kann eine auf eine individuelle Frequenzüberwachung der einzelnen Träger verzichtet werden, und etwaige spektrale Schutzbänder zwischen benachbarten Kanälen können stark reduziert werden oder komplett wegfallen. Darüber hinaus erleichtert die inhärente Phasenbeziehung zwischen den Trägern eines Frequenzkamms die gemeinsame digitale Signalverarbeitung der WDM-Kanäle, was die Empfängerkomplexität reduzieren und darüber hinaus auch die Kompensation nichtlinearer Kanalstörungen ermöglichen kann. Unter den verschiedenen Kammgeneratoren sind Bauteile im Chip-Format der Schlüssel für künftige WDM-Transceiver, die eine kompakte Bauform aufweisen und sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen lassen sollen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von neuartigen Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format im Hinblick auf deren Eignung für die massiv parallele WDM-Übertragung. Diese Bauteile lassen sich nicht nur als Mehrwellenlängen-Lichtquellen auf der Senderseite einsetzen, sondern bieten sich auch als Mehrwellenlängen-Lokaloszillatoren (LO) für den parallelen kohärenten Empfang mehrerer WDM-Kanäle an. Bei den untersuchten Bauteilen handelt es sich um gütegeschaltete Laserdioden (engl. Gain-Switched Laser Diodes), modengekoppelte Laserdioden auf Basis von Quantenstrich-Strukturen (Quantum-Dash Mode-Locked Laser Diodes, QD-MLLD) und sog. Kerr-Kamm-Generatoren, die optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung in Ringresonatoren hoher Güte ausnutzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Datenübertragungsexperimenten, die die Eignung der verschiedenen Kammquellen untersuchen und die in den internationalen Fachzeitschriften Nature und Optics Express veröffentlicht wurden [J1]-[J4]. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in das Thema der optischen Datenübertragung und der zugehörigen WDM-Verfahren. In diesem Zusammenhang werden die Vorteile optischer Frequenzkämme als Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung und den WDM-Empfang erläutert. Die einige Inhalte dieses Kapitels sind dem Buchkapitel [B1] entnommen, wobei Änderungen zur Anpassung an die Struktur und Notation der vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden. In Kapitel 2 wird eine grundlegende Einführung in optische Kommunikations-systeme mit Schwerpunkt auf Hochleistungsverbindungen gegeben, die auf WDM und kohärenten Übertragungsverfahren beruhen. Außerdem wird die integrierte Optik als wichtiges technologisches Element zum Bau kostengünstiger und kompakter WDM-Transceiver vorgestellt. Das Kapitel gibt ferner einen Überblick über verschiedene optische Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format, die sich als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für solche Transceiver anbieten, und es werden grundlegende Anforderungen an optische Frequenzkammgeneratoren formuliert, die für WDM-Anwendungen relevant sind. Das Kapitel endet mit einer vergleichenden Diskussion der verschiedenen Kammgeneratoren sowie einer Zusammenfassung ausgewählter WDM-Datenübertragungsexperimente, die mit diesen Kammgeneratoren demonstriert wurden. In Kapitel 3 wird die kohärente WDM-Sendetechnik und der kohärente WDM-Empfang mit einer gütegeschalteten Laserdiode (GSLD) diskutiert. Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Versuchsaufbau, in dem der empfängerseitige Kammgenerator aktiv mit dem senderseitigen Generator synchronisiert wurde. Das Experiment stellt die weltweit erste Demonstration einer kohärenten WDM-Übertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s dar, bei dem synchronisierte Frequenzkämme als Mehrwellenlängen-Lichtquelle am Sender und als Mehrwellenlängen-LO am Empfänger verwendet werden. Kapitel 4 untersucht das Potenzial von QD-MLLD als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung. Diese Kammgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Größe und des einfachen Betriebs besonders attraktiv. Die erzeugten Kammlinien weisen jedoch ein hohes Phasenrauschen auf, das die Modulationsformate in früheren Übertragungsexperimenten auf 16QAM begrenzte. In diesem Kapitel wird gezeigt, dass QD-MLLD die WDM-Übertragung mit Modulationsformaten jenseits von 16QAM unterstützen kann, wenn eine optische Rückkopplung durch einen externen Resonator zur Reduzierung des Phasenrauschens der Kammlinien verwendet wird. In den Experimenten wird eine Reduzierung der intrinsischen Linienbreite um etwa zwei Größenordnungen demonstriert, was eine 32QAM-WDM-Übertragung ermöglicht. Die Demonstration der Datenübertragung mit einer Rate von 12 Tbit/s über eine 75 km lange Faser mit einer spektralen Netto-Effizienz von 7,5 Bit/s/Hz stellt dabei die höchste für diese Bauteile gezeigte spektrale Effizienz dar. Gegenstand von Kapitel 5 ist die WDM-Übertragung und der kohärente Empfang mit QD-MLLD vor. Die Vorteile der Skalierbarkeit von QD-MLLD für massiv parallele WDM-Verbindungen werden also nicht nur am Sender, wie in Kapitel 4 beschrieben, sondern auch am Empfänger ausgenutzt. So konnte ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 4,1 Tbit/s über eine Distanz von 75 km übertragen werden, indem ein Paar von QD-MLLD mit ähnlichen freien Spektralbereichen verwendet wurde – ein Bauteil zur Erzeugung der optischen Träger am WDM-Sender und ein weiteres Bauteil zur Bereitstellung der erforderlichen LO-Töne für den kohärenten WDM-Empfang. Kapitel 6 beschreibt WDM-Datenübertragungsexperimente mit Hilfe von Kerr-Kamm-Generatoren. Dazu werden sog. dissipative Kerr-Solitonen (engl. dissipative Kerr solitons, DKS) in integriert-optischen Mikroresonatoren genutzt, die wegen zur Erzeugung einer streng periodischen Folge ultra-kurzer optischer Impulsen im Zeitbereich und damit zu einem breitbandigen, für WDM-Systeme sehr gut geeigneten Frequenzkamm führen. Mit diesen DKS-Kämmen wird ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 55,0 Tbit/s über eine 75 km lange Faser übertragen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies die höchste Datenrate, welche mit einer chip-basierten Frequenzkammquelle erreicht wurde. Das Ergebnis zeigt das Potenzial der Kammquellen für WDM-Übertragung. Darüber hinaus wird der kohärente Empfang von 93 WDM-Kanälen mit einer Datenrate von 37,2 Tbit/s unter Verwendung eines DKS-Kamms als Multiwellenlängen-LO demonstriert; die Übertragung erfolgt über eine 75 km lange Faser. Diese Arbeiten wurde in der international renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature publiziert. Kapitel 7 fasst die Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Anwendung der diskutierten Kammgeneratoren in zukünftigen WDM-Systemen