High Dimensional Modulation and MIMO Techniques for Access Networks

Exploration of advanced modulation formats and multiplexing techniques for next generation optical access networks are of interest as promising solutions for delivering multiple services to end-users. This thesis addresses this from two different angles: high dimensionality carrierless amplitudephase (CAP) and multiple-input multiple-output (MIMO) radio-over-fiber (RoF) systems. High dimensionality CAP modulation has been investigated in optical fiber systems. In this project we conducted the first experimental demonstration of 3 and 4 dimensional CAP with bit rates up to 10 Gb/s. These results indicate the potentiality of supporting multiple users with converged services. At the same time, orthogonal division multiple access (ODMA) systems for multiple possible dimensions of CAP modulation has been demonstrated for user and service allocation in wavelength division multiplexing (WDM) optical access network. 2 x 2 MIMO RoF employing orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with 5.6 GHz RoF signaling over all-vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) WDM passive optical networks (PONs). We have employed polarization division multiplexing (PDM) to further increase the capacity per wavelength of the femto-cell network. Bit rate up to 1.59 Gbps with fiber-wireless transmission over 1 m air distance is demonstrated. The results presented in this thesis demonstrate the feasibility of high dimensionality CAP in increasing the number of dimensions and their potentially to be utilized for multiple service allocation to different users. MIMO multiplexing techniques with OFDM provides the scalability in increasing spectral effciency and bit rates for RoF systems. High dimensional CAP and MIMO multiplexing techniques are two promising solutions for supporting wired and hybrid wired-wireless access networks

The Design and Implementation of Scrambling Wavelength Hopping with AWG Router and Optical Switch over Secure WDM Network

In current experimental design, by exchanging the optical switch configured in front of arrayed waveguide grating (AWG) router, the wavelength hopping configuration was implemented over wavelength division multiplexing (WDM) network. In addition, in order to enhance the variable wavelength hopping pattern of proposed scheme, the transceiver oscillators were used to trigger the optical switch by a series of random and un-predictable electrical signal. The experiment results proved possible solution of secure WDM network that the wavelength hopping effect was monitored by optical spectrum analyzer (OSA) in optical domain. By using the oscilloscope for monitoring, the results showed the transmitted analogy signal of 10MHzwas extracted correctly by photo-detector while the wavelength hopping is happene

Enabling Technology in Optical Fiber Communications: From Device, System to Networking

This book explores the enabling technology in optical fiber communications. It focuses on the state-of-the-art advances from fundamental theories, devices, and subsystems to networking applications as well as future perspectives of optical fiber communications. The topics cover include integrated photonics, fiber optics, fiber and free-space optical communications, and optical networking

Performance improvement of SS-WDM passive optical networks using semiconductor optical amplifiers: Modeling and experiment

Les sources incohérentes sont proposées comme alternatives aux lasers stabilisés en longueur d'onde pour réduire le coût des réseaux optiques passifs utilisant le multiplexage par longueur d'onde découpée dans le spectre (SS-WDM PONs). À cause de leur nature incohérente, ces sources génèrent au récepteur un large bruit d'intensité. Ce bruit limite l'efficacité spectrale et/ou le taux binaire pouvant être achevé. Cette thèse étudie l'utilisation des amplificateurs optique à semi-conducteur SOAs pour nettoyer le bruit d'intensité. De plus, lors de cette thèse, nous explorons les outils numériques et expérimentaux qui nous permettent d'analyser les performances des SOAs dans le cadre de systèmes de communication multi-canaux, incluant le SS-WDM. Nous présentons des modèles mathématiques pour le bruit d'intensité, ce bruit étant celui qui limite les performances des systèmes de communication utilisant des sources incohérentes. Nous discutons les dynamiques complexes des SOAs et présentons les équations qui gouvernent l'évolution des porteurs de charges dans ces amplificateurs. Nous identifions et soulignons l'effet des paramètres les plus importants, qui affectent le processus ainsi que la dynamique de nettoyage du bruit d'intensité. Nous passons en revue, les différentes techniques de nettoyage de bruit avec les SOAs, qui ont démontré les meilleurs résultats connus. De plus, nous effectuons une revue de littérature poussée pour ce qui a attrait au problème de post-filtrage lorsque le SOA est placé au transmetteur, avant la modulation. Notre première contribution pendant ce travail de recherche est de démontrer, en utilisant l'intermodulation de gain d'un SOA au récepteur pour convertir le signal incohérent en laser cohérent, une amélioration significative du taux d'erreur binaire BER. Cette méthode est spectralement efficace, d'autant plus qu'elle ne souffre point la limitation occasionnée par le post-filtrage au récepteur. En contre partie elle nécessite un ample budget de puissance qui doit assurer une saturation suffisante de l'amplificateur au récepteur. Une source laser est aussi nécessaire au récepteur. Ceci est un inconvénient, même si une telle source n'ait pas besoin d'une quelconque stabilisation. Pour contourner le problème causé par le post-filtrage quand le SOA est au transmetteur, nous proposons un nouveau récepteur pour les systèmes de communication WDM, qui permet de mieux garder le nettoyage de bruit, et ce malgré le filtrage optique au récepteur. La nouvelle méthode consiste en un détecteur balancé utilisé au récepteur: d'un bord, tous les canaux sont détectés sans distinction. De l'autre, le signal désiré est bloqué pendant que tous les autres canaux sont détectés. Avec cette méthode, il est facile de saturer l'amplificateur pour une meilleure suppression de bruit tout en évitant en grande partie la dégradation causé par le post-filtrage. Nous avons expérimentalement démontré un système WDM dense de 8 x 10 Gbps avec une source incohérente et un SOA en saturation. Une autre contribution originale de ce travail est le développement d'un outil de simulation pour les SOAs qui est numériquement plus efficace et léger que les modèles connus à ce jour. Nous avons donc développé un modèle théorique simple, pouvant être implémenté par diagramme block, dans le but de simuler les performances des hens de communications WDM. Notre modèle démontre une bonne concordance avec les résultats expérimentaux ainsi qu'une diminution de temps de calcul de l'ordre de 20 fois. Finalement, lors de la dernière partie de ces travaux, nous nous sommes occupés de mesurer, de façon précise, le temps de recouvrement du gain dans un SOA. Le temps de recouvrement des porteurs dans un SOA est un des paramètres les plus importants qui sont à l'origine du phénomène de nettoyage de bruit et qui régissent le comportement ainsi que les dynamiques de l'amplificateur. Nous avons étudié en particulier, la dépendance de ce temps de recouvrement r de la longueur d'onde. Pour le SOA utilisé lors de notre étude expérimentale, nous avons démontré que r dépendait de la longueur d'onde de façon similaire au spectre de gain. Ces mesures ont été possibles grâce au développement d'un nouveau dispositif de mesure pompe/sonde, qui permettait de mesurer le recouvrement du gain pour une pompe et une sonde à la même longueur d'onde et ayant le même état de polarisation

Demonstration of SAC OCDMA PON Using a New Code Family

光分碼多工系統因具備高傳輸速率、適度安全性以及提供眾多終端用戶以同時非同步方式存取網路等優點，因此被廣泛應用於被動式光網路的架構中。然而，因眾多使用者同時存取網路，多重使用者干擾將嚴重影響系統效能。有鑑於此，頻域振幅編碼系統的研究很快受到重視，因此類系統採用具有固定交互相關係數的碼族，搭配適當的編、解碼器設計，將能於傳送端有效的消除多重使用者干擾。然而，頻域振幅編碼系統是採用寬頻非同調光源，使得光平衡檢測器上產生相位引起的強度雜訊，並成為限制系統效能的主因之一。 在本論文中，我們提出一新的頻域振幅編碼光分碼多工系統，這個系統是使用一全新的編碼，稱之為延伸式超完美差異碼。由於此碼族的循環位移特性，我們可利用陣列波導光柵路由器來設計一精簡的頻域編碼器，以達到簡化系統複雜度的目的。再者，因本系統中所採用的編碼方式以及碼族本身具有良好的交互相關特性，使得被提出系統能有效抑制相位引起的強度雜訊。效能分析的結果顯示出，我們所提出的系統相較於先前系統，能在相同的錯誤率需求下提供更多的同時使用者數及更高的傳輸速率。 在理論分析之外，我們亦透過實驗的方式來驗證此系統的效能與可行性，其實驗架構是一採用M=2、N=8延伸式超完美差異碼的頻域振幅編碼系統，在實驗過程中，我們分別使系統操作於622Mbps與1.25Gbps兩種資料位元速率下，並依序改變接收機的有效接收功率大小及同時使用者的個數，並在不同的參數條件下觀測系統的位元錯誤率。實驗結果顯示，當至多四名同群使用者同時傳輸資料且有效接收功率大於3.5dBm時，系統的位元錯誤率值大多能維持在 以下；當四名非同群使用者同時傳輸資料時，則系統的位元錯誤率值均維持在 以下。 我們可由實驗結果評估，有效接收功率大於5dBm，且資料位元速率為622Mbps及1.25Gbps時，此系統所能容納的同時使用者數皆可達最大上限8人。此外，我們也針對實驗與理論的誤差進行討論，分析其誤差來源，並提出改善實驗或理論修正的方法。最後，經實驗驗證，應用M=2、N=8延伸式超完美差異碼族於光分碼多工被動光網路是實際可行的，且系統所能提供的最大使用者數與理論分析的結果相符。The Optical code division multi-access (OCDMA) system is commonly used in passive optical network (PON) because it provides multiple users to access the network simultaneously with high data transmission rate and moderate security. However, when many users access the network simultaneously, multi-user interference (MUI) will severely degrade the system performance. Hence, the spectral amplitude coding (SAC) OCDMA systems were proposed to solve the MUI problem. When applying code with fixed cross-correlation in SAC OCDMA PONs, we can eliminate the MUI completely at the receiver. Nevertheless, the noncoherent broadband light source is used in SAC OCDMA systems, the system performance suffers from phase induced intensity noise(PIIN). In this thesis, we propose a new SAC OCDMA PON which uses a new code family called extended super perfect difference(ESPD) codes. In our system, we use cyclic shifted property of ESPD code and arrayed waveguide router to construct a simpler spectrum encoder. Furthermore, the numerical results show that the proposed system using our code has better performance than the systems using other codes. Moreover, we also present an experiment according to our theoretical model which uses ESPD codes with cardinality equal to 8. The goal of our experiment is to verify the feasibility and performance of applying our code family to the SAC OCDMA PON. Because the number of active users and effective received power are the two main factors that limit the system performance, we change these parameters separately during our experiment. The experimental results show that our system can support maximum number of 8 users when transmission rate is 622Mbps and 7 to 8 users when transmission rate is 1.25Gbps