SOA pattern effect mitigation by neural network based pre-equalizer for 50G PON

Semiconductor optical amplifier (SOA) is widely used for power amplification in O-band, particularly for passive optical networks (PONs) which can greatly benefit its advantages of simple structure, low power consumption and integrability with photonics circuits. However, the annoying nonlinear pattern effect degrades system performance when the SOA is needed as a pre-amplifier in PONs. Conventional solutions for pattern effect mitigation are either based on optical filtering or gain clamping. They are not simple or sufficiently flexible for practical deployment. Neural network (NN) has been demonstrated for impairment compensation in optical communications thanks to its powerful nonlinear fitting ability. In this paper, for the first time, NN-based equalizer is proposed to mitigate the SOA pattern effect for 50G PON with intensity modulation and direct detection. The experimental results confirm that the NN-based equalizer can effectively mitigate the SOA nonlinear pattern effect and significantly improve the dynamic range of receiver, achieving 29-dB power budget with the FEC limit at 1e-2. Moreover, the well-trained NN model in the receiver side can be directly placed at the transmitter in the optical line terminal to pre-equalize the signal for transmission so as to simplify digital signal processing in the optical network unit

Overview of high-speed TDM-PON beyond 50 Gbps per wavelength using digital signal processing [Invited Tutorial]

The recent evolution of passive optical network standards and related research activities for physical layer solutions that achieve bit rates well above 10 Gbps per wavelength (lambda) is discussed. We show that the advancement toward 50, 100, and 200 Gbps/lambda will certainly require a strong introduction of advanced digital signal processing (DSP) technologies for linear, and maybe nonlinear, equalization and for forward error correction. We start by reviewing in detail the current standardization activities in the International Telecommunication Union and the Institute of Electrical and Electronics Engineers, and then we present a comparison of the DSP approaches for traditional direct detection solutions and for future coherent detection approaches. (c) 2022 Optica Publishing Grou

Low complexity DSP for high speed optical access networking

A novel low-cost and energy-efficient approach for reaching 40 Gb/s signals is proposed for cost-sensitive optical access networks. Our proposed design is constituted of an innovative low-complex high-performance digital signal processing (DSP) architecture for pulse amplitude modulation (PAM-4), reuses existing commercial cost-effective 10-G components and eliminates the need of a power-hungry radio frequency (RF) component in the transmitter. Using a multi-functional 17-tap reconfigurable adaptive Volterra-based nonlinear equalizer with noise suppression, significant improvement in receiver optical power sensitivity is achieved. Results show that over 30 km of single-mode fiber (SMF) a link power budget of 33 dB is feasible at a bit-error-rate (BER) threshold of 10−3.</jats:p

Spectrally efficient and low cost time and wavelength division multiplexed passive optical network systems

The next-generation passive optical network stage 2 (NG-PON2) intends to support stacking 10 Gb/s wavelengths and maintaining the compatibility with the deployed legacy passive optical network (PON) systems. Essentially, Time and Wavelength Division Multiplexed-PON (TWDM-PON) is the best solution for NGPON2 that aims to support a symmetric 40 Gb/s data rate transmission, a split ratio of 1:64 and a distance up to 60 km. Unfortunately, most of the existing low cost and practical TWDM-PON solutions are still incapable to support remote users and inefficient for spectral bandwidth in higher services. Typically, low cost transceivers are avoided as they suffer from significant frequency chirp that seriously impact its transmission performance at the bit rate above 10 Gb/s. Therefore, the objectives of this thesis are to improve the current TWDM-PON power budget in supporting more access services reaching the remote customers to enhance the bandwidth capacity at lower cost and to reduce the complexity implementation problem. This is achieved by overcoming the significant frequency chirp of the low cost transceivers used such as reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) and directly modulated lasers (DMLs), which are suitable for high data rate transmission. The RSOA chirp is mitigated using a single bi-pass delay interferometer (DI) at the optical line terminal (OLT) while the DML chirp is managed by ensuring its resulting current is in phase with the bandwidth enhancement factor, , at both optical network unit (ONU) and OLT. Apart from that, DML equipped with dispersion compensation fiber (DCF) technique for power budget improvement is also proposed. Furthermore, low cost schemes for even higher data rate TWDM-PON up to 56 Gb/s is proposed utilizing highly spectral efficient 16-quadrature amplitude modulation (16-QAM). The results are obtained from physical layer simulation, OptisystemTrademark and MatlabTrademark, where relevant significant parts are verified through theoretical analysis. The simulation results demonstrate a sufficient dispersion compensation with a record of 56.6 dB power bughet for DML-based TWDM-PON transmission system. While results are not absolute due to variations that can occur in practical implementation, analysis demonstrates the feasibility of the proposed methods

Opportunities for Optical Access Network Transceivers Beyond OOK

In response to the ever-growing challenge of using conventional direct-modulation/direct-detection transceivers for upgrading passive optical networks, there has recently been a surge in interest in alternative transceiver technologies. Candidate systems include (simplified) coherent receivers, and digital signal processing in combination with direct detection. Beyond these mainstream solutions, other, more esoteric, system designs have been proposed, including networks based on general purpose signal processing hardware, split carrier transmitters, and ultra-wide bandwidth coherent receivers. Herein, we review these techniques and detail an experimental investigation of an ultra-wide bandwidth coherent receiver. It is found that the use of a dual-local oscillator receiver in an ultra-dense wavelength division multiplexed passive optical network (UDWDM-PON) enables the simultaneous detection of multiple upstream channels while efficiently using the complete receiver optoelectronic bandwidth

Directly Phase Modulated Transmitters and Coherent Recivers for Future Passive Optical Networks (PON)

En los últimos años, el tráfico de dato transmitido en las redes ópticas de acceso ha crecido exponencialmente debido a nuevos servicios como pueden ser la computación en la nube, el video online, la realidad virtual y aumentada, el internet de las cosas (IoT) y la convergencia entre las redes ópticas y redes inalámbricas en el paradigma del 5G. Estos nuevos servicios endurecen los requerimientos de las redes ópticas de acceso, como pueden ser unas tasas de datos más altas, un mayor alcance y un mayor número de usuarios. Para abordar estos requerimientos, esta tesis ha investigado, desarrollado y analizado nuevas tecnologías para transmisores y receptores orientadas a los dos tipos de redes ópticas de acceso que la comunidad científica ha identificado como posibles candidatas. Estos dos tipos de redes ópticas son las redes uDWDM y las redes TWDM como las redes NG-PON2 y sus evoluciones.Las redes uDWDM están basadas en la transmisión de tasas de datos relativamente bajas, por debajo de 2.5 Gbps, que son dedicadas en su totalidad a los usuarios finales. Estas tasas de datos relativamente bajas son multiplexadas en longitud de onda usando intervalos frecuenciales estrechos, del orden de 12.5 GHz o 6.25 GHz. En esta tesis, los transmisores modulados directamente en fase se han propuesto como posibles candidatos para estas redes uDWDM. En concreto, se han propuesto un DFB modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; un RSOA bombeado por un VCSEL y modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; y un VCSEL modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1.25 Gbps y 2.5 Gbps. Estas señales moduladas directamente en fase son recibidas con un receptor heterodino con un único fotodiodo (PD) para mantener el coste tan bajo como sea posible. La combinación de estos transmisores modulados directamente en fase con el receptor heterodino con un único PD ha sido probada como unos candidatos muy prometedores para las redes ópticas de acceso basadas en redes uDWDM. Estas combinaciones proveen sensibilidades que varían entre -39.5 dBm y -52 dBm, que se traducen en balances de potencia que van desde 38.5 dB a 51 dB y por lo tanto en ratios de división o número de usuarios de entre 128 y 1024 después de una transmisión de 50 km a través de fibra monomodo estándar (SSMF).Además, los links de 1 Gbps formados por la modulación directa de DFBs o de RSOAs bombeados por VCSELs y el receptor heterodino con un único PD son usados como enlace de subida en canales bidireccionales. Estos enlaces de subida son combinados con enlaces de bajada basados en Nyquist-DPSK generada con un MZM y recibidos con un receptor heterodino de un único PD. Como parte de análisis de los canales bidireccionales, se ha analizado el estudio de la viabilidad del uso de LOs de bajo coste, como DFBs o VCSELs, en los receptores heterodinos con un único PD. Estos canales bidireccionales son también unos candidatos prometedores para las futuras redes uDWDM, ya que en esta tesis se ha probado que pueden proveer enlaces full-duplex de 1 Gbps usando intervalos frecuenciales tan pequeños como 6.25 GHz o 5 GHz. Estos canales bidireccionales tienen balances de potencia que van desde 37 dB a 42 dB y tienen posibles ratios de división de 128 o 256 después de una transmisión de 50 km a través de SSMF.Esta tesis también ha investigado y desarrollado receptores quasicoherentes para redes NG-PON2 y sus evoluciones. Este tipo de redes están basadas en altas tasas de datos, como 10 Gbps para redes NG-PON2 y 25 Gbps para las futuras evoluciones de NG-PON2, en entornos multi longitud de onda donde los usuarios son multiplexados en tiempo y longitud de onda (TWDM). El receptor quasicoherente usa la amplificación coherente gracias a la recepción heterodina y por tanto la sensibilidad del receptor es mejorada en comparación con los esquemas de detección directa. El receptor quasicoherente es independiente a la polarización, lo cual es una característica importante para los receptores coherentes. Además, el receptor quasicoherente permite seleccionar el canal de trabajo sin la necesidad de filtros ópticos y es un receptor independiente de la longitud de onda debido a que el canal de trabajo se puede elegir ajustando la longitud de onda del LO. El receptor quasicoherente de 10 Gbps muestra una sensibilidad -35.2 dBm y por tanto permite un balance de potencias de 35.64 dB y un ratio de división de 128 después de una transmisión de 40 km a través de SSMF.La combinación del receptor quasicoherente con un ecualizador FFE/DFE permite combatir la dispersión cromática de la banda C y conseguir un link de 25 Gbps con un alcance de 20 km a través de SSMF. El receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE muestra una mejor sensibilidad de -30.5 dBm con el llamado ecualizador de altas prestaciones, lo que lleva a un balance de potencias de25 dB. Si se utilizada el llamado ecualizador de baja complejidad, la sensibilidad cae a -27 dBm y el balance de potencias cae a 23 dBm. En ambos casos, el receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE permite un ratio de división de 32 después de una transmisión de 20 km a través de SSMF.En conclusión, esta tesis ha presentado transmisores (DFB, RSOA y VCSEL) modulados directamente en fase combinados con un receptor heterodino con un único PD como potenciales candidatos para las redes uDWDM. Esta tesis también ha presentados los receptores quasicoherentes como unos candidatos muy prometedores para las redes NG-PON2 y sus futuras evoluciones.<br /

WDM/TDM PON bidirectional networks single-fiber/wavelength RSOA-based ONUs layer 1/2 optimization

This Thesis proposes the design and the optimization of a hybrid WDM/TDM PON at the L1 (PHY) and L2 (MAC) layers, in terms of minimum deployment cost and enhanced performance for Greenfield NGPON. The particular case of RSOA-based ONUs and ODN using a single-fibre/single-wavelength is deeply analysed. In this WDM/TDM PON relevant parameters are optimized. Special attention has been given at the main noise impairment in this type of networks: the Rayleigh Backscattering effect, which cannot be prevented. To understand its behaviour and mitigate its effects, a novel mathematical model for the Rayleigh Backscattering in burst mode transmission is presented for the first time, and it has been used to optimize the WDM/TDM RSOA based PON. Also, a cost-effective, simple design SCM WDM/TDM PON with rSOA-based ONU, was optimized and implemented. This prototype was successfully tested showing high performance, robustness, versatility and reliability. So, the system is able to give coverage up to 1280 users at 2.5 Gb/s / 1.25 Gb/s downstream/upstream, over 20 Km, and being compatible with the GPON ITU-T recommendation. This precedent has enabled the SARDANA network to extend the design, architecture and capabilities of a WDM/TDM PON for a long reach metro-access network (100 km). A proposal for an agile Transmission Convergence sub-layer is presented as another relevant contribution of this work. It is based on the optimization of the standards GPON and XG-PON (for compatibility), but applied to a long reach metro-access TDM/WDM PON rSOA-based network with higher client count. Finally, a proposal of physical implementation for the SARDANA layer 2 and possible configurations for SARDANA internetworking, with the metro network and core transport network, are presented

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

Next generation technologies for 100 Gb/s PON systems

The worldwide explosion of Internet traffic demand is driving the research for innovative solutions in many aspects of the telecommunication world. In access systems, passive optical networks (PONs) are becoming the preferred solution towards which most providers are migrating thanks to the unrivalled bandwidth they can offer. PON systems with a capacity of 100 Gb/s are envisioned as the solution to the dramatic increase in bandwidth and will be essential to support the future fixed and mobile broadband services. However, many challenging aspects have to be addressed in order to overcome the limitations imposed by the physical layer while meeting the economical requirements for mass deployment. In this thesis a comprehensive approach is taken in order to address the most compelling problems and investigate a series of solutions to the current capacity limitations of PONs. Advanced modulation formats are used to achieve bit-rate enhancement from 10 Gb/s to 25 Gb/s re-using the same optoelectronic devices in order to provide a 2.5x increase in transmission speed without resorting to a newer, more expensive generation of higher speed devices. The management of chromatic dispersion is also addressed in order to extend the reach of the networks beyond the standard 20 km using either electronic or optical based compensation strategies. Transmission of 25 Gb/s traffic over fibre lengths of 40 and 50 km is demonstrated confirming the suitability of the proposed technologies for extended reach networks which could greatly reduce the number of existing nodes and hence the capital and operational costs of PONs. Optical amplification strategies are also discussed as a means to improve the physical reach of the networks, both in terms of distance and number of customers. Raman amplifiers and semiconductor optical amplifiers are investigated in order to extend the reach of a PON upstream channel. The results demonstrate a reach of up to 50 km which is more than double the typical fibre length of 20 km adopted in deployed systems today. A number of customers, up to 512, was also demonstrated in a 20 km network, increased from the typical 32 or 64 users of most commercial networks