Advances in Optical Amplifiers

Optical amplifiers play a central role in all categories of fibre communications systems and networks. By compensating for the losses exerted by the transmission medium and the components through which the signals pass, they reduce the need for expensive and slow optical-electrical-optical conversion. The photonic gain media, which are normally based on glass- or semiconductor-based waveguides, can amplify many high speed wavelength division multiplexed channels simultaneously. Recent research has also concentrated on wavelength conversion, switching, demultiplexing in the time domain and other enhanced functions. Advances in Optical Amplifiers presents up to date results on amplifier performance, along with explanations of their relevance, from leading researchers in the field. Its chapters cover amplifiers based on rare earth doped fibres and waveguides, stimulated Raman scattering, nonlinear parametric processes and semiconductor media. Wavelength conversion and other enhanced signal processing functions are also considered in depth. This book is targeted at research, development and design engineers from teams in manufacturing industry, academia and telecommunications service operators

Hybrid optical fiber-wireless communication to support tactile internet

5G technologies are systems that will set to change the way people, devices and machines connect. This generation of mobile services provide connection in just one click. The advanced 5G infrastructure, defined as “ubiquitous ultra-broadband network supporting future Internet”, represents a revolution in the telecommunications field. It will enable new secure and reliable services to everyone and everything with ultra-low latency. “Full Immersive Experience”, enriched by “Context Information” and “Anything as a Service” are the main drivers for a substantial adoption of the fifth generation networks [1]. The technical challenges that must be taken into account in the design of the 5G system are many and unprecedented. Therefore,5G is expected to be about 10 times faster than LTE-4G, in addition, it is projected that this network will have100-1000 times higher system capacity, user data rates in the order of Gbps everywhere, 10-100 higher number of connected devices per area, latency in the order of 1 millisecond, and 10 times longer battery life for devices. Due to all these technological changes, for years, researchers, suppliers and manufacturers around the world have studied this new network. In order to transform the user's wireless experience and be able to offer fast generalized connectivity anytime, anywhere, to any device.[2]. All this requires an enabler in the new approach of radio access networks, which could be hybrid optical Fiber-Wireless communications. “Photonics technology has been recognized by the European Union as a Key Enabling Technology (KET), which is a technology that enables a market, many times larger than the market of technology itself”. Photonic techniques have become key enablers to unlock future broadband wireless communications with terabit data rates in order to support the current trends of mobile data traffic[3]. The aim of this thesis is to conceive experimentally and validate 1 millisecond latency hybrid optical Fiber-Wireless access links support for tactile Internet taking into account the system requirements. For this purpose, first a review about the implementation of high-speed data links at 75-110 GHz band with low latency was made. Likewise, this work summarizes the components of hybrid optical Fiber-Wireless communication in W- Band. Second, measurements of the delay contribution from individual elements in the W -Band hybrid system were made. In addition, the main contribution was to develop a procedure for measuring latency physically using software defined radio (SDR) and estimating the overall system latency. In this procedure, potential sources of delay can be identified in current high-data-rate hybrid optical-RF communication systems. After knowing how to measure latency in a hybrid optical Fiber-Wireless system, the following objectives were developed: to test an appropriate multiplexing scheme such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), and Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM), to achieve the lowest latency with improved performance; and to implement WDM (Wavelength Division Multiplexing) to achieve the required low latency.Resumen: Las tecnologías 5G son sistemas de generación de servicios móviles configurados para cambiar la forma en que las personas, los dispositivos y las máquinas se conectan. La infraestructura 5G está definida como una red ubicua de banda ultra-ancha que soportará Internet en el futuro, dicha red representa una revolución en el campo de las telecomunicaciones. Permitirá eficientemente nuevos servicios ultra-confiables, rápidos y seguros, preservando la privacidad y acelerando los servicios críticos para todos y para cada cosa. Estas redes son la evolución del Internet de las cosas, en donde cada una de ellas es tratada como un objeto cognitivo formando sistemas cibernéticos (CPS). La "experiencia de inmersión total", enriquecida con "información de contexto" y "todo como un servicio" son los principales impulsores para una adopción masiva de los nuevos componentes de ésta tecnología y su aceptación del mercado [1]. Se espera que 5G sea aproximadamente 10 veces más rápido que 4G LTE. Por lo tanto, los desafíos técnicos que deben abordarse en el diseño del sistema 5G son muchos y sin precedentes. Actualmente hay varias actividades en todo el mundo para capturar las aplicaciones y los requisitos para 5G, algunas empresas proveedoras de servicio y fabricantes incluso ya han realizado pruebas para la implementación de dichas redes. Algunos de los principales requisitos que demandan estas redes se pueden resumir en: 100-1000 veces más capacidad del sistema, tasas de datos de usuario en el orden de Gbps en todas partes, latencia en el orden de 1 milisegundo, 10-100 veces mayor número de dispositivos conectados por área, 10 veces más duración de la batería para dispositivos. Estos requisitos transformarán dramáticamente la experiencia inalámbrica de un usuario en un sistema 5G al ofrecer conectividad generalizada rápida en cualquier momento, en cualquier lugar, a cualquier dispositivo [2]. Todo esto requiere un habilitador en el nuevo enfoque de las redes de acceso por radio, que podrían ser comunicaciones híbridas de fibra óptica y transmisiones inalámbricas vía radio. La fotónica por su parte ha sido reconocida por la Unión Europea como una Tecnología Clave Habilitadora (KET), una tecnología que permite un mercado que es muchas veces más grande que el mercado de la tecnología en sí. Las técnicas fotónicas combinadas con la generación de microondas en lo que se conoce en su término en inglés como microwave-photonics se han convertido en habilitadores clave para desbloquear futuras comunicaciones inalámbricas de banda ancha con tasas de datos de terabit a fin de soportar las tendencias actuales del tráfico de datos móviles [3]. El objetivo de esta tesis es concebir experimentalmente y validar enlaces de acceso híbridos de fibra óptica-radio, cuya latencia sea de 1 milisegundo con el fin de soportar Internet táctil, el cual es una aplicación de 5G, teniendo en cuenta los requisitos del sistema. Para ello, primero se realizó una investigación sobre la implementación de enlaces de datos con redes híbridas fibra óptica-radio en la banda de 75-110 GHz con baja latencia. Con esto, se analizaron los componentes de la comunicación híbrida fibra ópticaradio en la banda W. En segundo lugar, se realizaron mediciones de los retardos que se generan en cada uno de los elementos en el sistema híbrido de banda W, haciendo la estimación de la latencia general del sistema e identificando fuentes potenciales de demora en los sistemas híbridos de comunicación óptica-RF de alta velocidad de datos. La principal contribución de este trabajo fue el desarrollo de un procedimiento para medir la latencia utilizando radio definida por software (SDR), además de introducir estos sistemas en los enlaces híbridos fibra óptica-radio. Una vez conocido como medir la latencia en un sistema híbrido de fibra óptica-radio, los siguientes objetivos que se desarrollaron fueron: probar un esquema de multiplexación apropiado, como la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) y la multiplexación por división de frecuencia generalizada (GFDM), para lograr una latencia más baja. A su vez, implementar Multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para conocer la latencia y la confiabilidad en cuanto a tasa de error de bits variando la multiplexacion eléctrica y óptica.Doctorad

Optical Communication

Optical communication is very much useful in telecommunication systems, data processing and networking. It consists of a transmitter that encodes a message into an optical signal, a channel that carries the signal to its desired destination, and a receiver that reproduces the message from the received optical signal. It presents up to date results on communication systems, along with the explanations of their relevance, from leading researchers in this field. The chapters cover general concepts of optical communication, components, systems, networks, signal processing and MIMO systems. In recent years, optical components and other enhanced signal processing functions are also considered in depth for optical communications systems. The researcher has also concentrated on optical devices, networking, signal processing, and MIMO systems and other enhanced functions for optical communication. This book is targeted at research, development and design engineers from the teams in manufacturing industry, academia and telecommunication industries

Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico"

En los últimos años ha habido un gran aumento en el despliegue de redes de acceso ópticas de fibra hasta el hogar (FTTH, del inglés fibre-to-the home). FTTH es una solución flexible, una tecnología de acceso de futuro que permite proporcionar tasas de datos del orden de Gbit/s por ususario. Diversos estudios indican que FTTH se convertirá en la diferencia clave entre los operadores más importantes. Además, FTTH es la única tecnolotgía capaz de crear nuevas fuentes de ingresos de aplicaciones de alta velocidad, como por ejemple entretenimiento de alta definición (vído y juegos de alta definición...) Dede el punto de vista del operador, una de las vientajas importantes que proporciona FTTH es que permite una mayor eficiencia operativa en coparción con otras tecnologías de acceso, principalmente por la reducción de costes de mantenimiento y de operación. Además, FTTH reduce los requisitos de los equipos de las centrales. Esta tesis doctoral tiene como ojetivo extender estas ventajas más allá del concepto FTTH mediante la integración de la red óptica de distribución desplegada dentro del hogar así como el enlace radio final de corto o medio alcance inalámbrico. Esto proporciona una arquitctura de red FFTH integrada de extremo a extremo. De este modo, los beneficios de la reducción de costes operativos y mayor eficiencia se extienden hasta el usuario final de la red. En esta tesis doctoral, se propone una arqutectura de acceso integrada óptica-radio basada en la multiplexación por división ortogonal de fecuencia (OFDM, del inglés orthogonal frequency división multiplexing) para proporcionar diferentes servicios al usuario como Internet, teléfono/voz, televisión de lata definición, conexión inalámbrica y seguridad en el hogar. Las señales OFDM se utilizan en muchos estándares inalámbricos como las señales de banda ultraancha (UWB, del inglés ultra-wide band), WiMAX, LTE, WLAN, DVB-T o DAB. Estos formatos aprovechan las características intrínsecas de la modulación OFDM como su mayor inmunidad ante desvanecimiento multi-camino. Esta tesis incluye la propuesta y la demostración experimental de la transmisión simultánea y bi-direccional de señales OFDM multi-estándar en radio-sobre-fibra proporcionando servicios triple-play basados en OFDM como UWB para televisión de alta definición, WiMAX para datos de Internet, y LTE para el servicio telefónico.Morant Perez, M. (2012). Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico" [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15076Palanci

Distributed radiofrequency signal processing based on space-division multiplexing fibers

[EN] Space-division multiplexing fibers emerged as a promising solution to overcome the imminent capacity crunch of conventional singlemode fiber networks. Despite these fibers were initially conceived as distribution media for long-haul high-capacity digital communications, they can be applied to a wide variety of scenarios including centralized radio access networks for wireless communications, data-center interconnects, Microwave Photonics signal processing and fiber sensing. Particular interest is raised by emerging communications paradigms, such as 5G and The Internet of Things, which require a full integration between the optical fiber and the wireless networks segments. Microwave Photonics, discipline that focuses on the generation, processing, control and distribution of radiofrequency signals by photonics means, is called to play a decisive role. One of the major challenges that Microwave Photonics has to overcome to satisfy next-generation communication demands relates to the reduction of size, weight and power consumption while assuring broadband seamless reconfigurability and stability. There is one revolutionary approach that has however been left untapped in finding innovative ways to address that challenge: exploiting space, the last available degree of freedom for optical multiplexing. In this Thesis, we propose to exploit the inherent parallelism of multicore and few-mode fibers to implement sampled discrete true time delay lines, providing, in a single optical fiber, a compact and efficient approach for both Microwave Photonics signal distribution and processing. For the multicore fiber approach, we study the influence of the refractive index profile of each heterogeneous core on the propagation characteristics as to feature specific group delay and chromatic dispersion values. We designed and fabricated two different heterogeneous trench-assisted 7-core fibers that behave as sampled true time delay lines. While one of them was fabricated by using 7 different preforms to feature a plenary performance, the other one employed a single preform with the aim of minimizing fabrication costs. In the case of few-mode fibers, we propose the implementation of a tunable true time delay line by means of a custom-designed fiber with a set of inscribed long period gratings that act as mode converters to properly tailor the sample group delays. We designed and fabricated a true time delay line on a 4-mode fiber by inscribing 3 long period gratings at specific positions along the fiber link. As a proof-of-concept validation, we experimentally demonstrated different Microwave Photonics signal processing functionalities implemented over both multicore and few-mode fiber approaches. This work opens the way towards the development of distributed signal processing for microwave and millimeter wave signals in a single optical fiber. These true time delay lines can be applied to a wide range of Information and Communication Technology paradigms besides fiber-wireless communications such as broadband satellite communications, distributed sensing, medical imaging, optical coherence tomography and quantum communications.[ES] La multiplexación por división espacial en fibras ópticas surgió como una solución prometedora al inminente colapso en la capacidad de las redes de fibra monomodo convencionales. Aunque estas fibras fueron concebidas inicialmente como medio de distribución en comunicaciones digitales de larga distancia y alta capacidad, pueden emplearse en una amplia variedad de escenarios, incluyendo redes de acceso radio centralizadas para comunicaciones inalámbricas, interconexiones en centros de datos, así como procesado de señal en Fotónica de Microondas y sensado en fibra. Los paradigmas de comunicaciones emergentes despiertan un interés particular, como 5G y el Internet de las Cosas, que requieren una integración total entre el segmento de red de fibra óptica y el inalámbrico. La Fotónica de Microondas, disciplina que se focaliza en la generación, procesado, control y distribución de señales de radiofrecuencia por medio de la fotónica, está destinada a jugar un papel decisivo. Uno de los mayores desafíos que la Fotónica de Microondas debe superar para satisfacer los requisitos de las nuevas generaciones de comunicaciones se basa en la reducción de tamaño, peso y consumo de potencia, mientras se garantiza reconfiguración y estabilidad de banda ancha. Encontramos aquí un enfoque revolucionario capaz de abordar este desafío de una manera innovadora que, sin embargo, no ha sido aprovechado en este contexto: la explotación del espacio, el último grado de libertad para multiplexación óptica. En esta Tesis, proponemos explotar el paralelismo inherente de las fibras ópticas multinúcleo y de pocos modos para implementar líneas de retardo en tiempo real muestreadas que proporcionan, en una sola fibra óptica, una solución compacta y eficiente tanto para distribución como para procesado de señales de Fotónica de Microondas. En el caso de fibras multinúcleo, estudiamos la influencia del perfil de índice de refracción de cada núcleo heterogéneo en las características de propagación para que exhiba unos valores concretos de retardo de grupo y dispersión cromática. Diseñamos y fabricamos dos fibras distintas de 7 núcleos con zanjas que se comportan como líneas de retardo en tiempo real muestreadas. Mientras que una de ellas se fabricó utilizando 7 preformas diferentes para garantizar un funcionamiento completo, la segunda se fabricó utilizando una única preforma con el objetivo de minimizar costes de fabricación. En el caso de fibras de pocos modos, proponemos la implementación de líneas de retardo en tiempo real sintonizables mediante el uso de una fibra específicamente diseñada y la inscripción de un conjunto de redes de difracción de periodo largo que actúan como conversores de modos para ajustar adecuadamente el retardo de grupo de las muestras. Diseñamos y fabricamos una línea de retardo en tiempo real en una fibra de 4 modos mediante la inscripción de 3 redes de difracción de periodo largo en posiciones concretas a lo largo de enlace de fibra. Como validación de prueba de concepto, demostramos experimentalmente diferentes funcionalidades de procesado de señal de Fotónica de Microondas implementadas en fibras multinúcleo y de pocos modos. Este trabajo abre el camino hacia el desarrollo del procesado de señal distribuido para señales de microondas y ondas milimétricas en una única fibra óptica. Además, las líneas de retardo en tiempo real desarrolladas pueden aplicarse a una amplia variedad de paradigmas de Tecnologías de la Información y Comunicaciones más allá de las comunicaciones radio sobre fibra, como es el caso de las comunicaciones de banda ancha por satélite, el sensado distribuido, la imagen médica, la tomografía óptica coherente y las comunicaciones cuánticas.[CA] La multiplexació per divisió espacial en fibres òptiques va sorgir com una solució prometedora a l'imminent col·lapse en la capacitat de les xarxes de fibra monomode convencionals. Encara que estes fibres foren concebudes inicialment com a mitjà de distribució en comunicacions digitals de llarga distància i alta capacitat, poden emprar-se en una àmplia varietat d'escenaris, incloent xarxes d'accés radio centralitzades per a comunicacions sense fils, interconnexions en centres de dades, així com processat de senyal en Fotònica de Microones i sensat en fibra. Els paradigmes de comunicacions emergents desperten un interès particular, com el 5G i la Internet de les Coses, que requereixen una integració total entre els segments de xarxa de fibra òptica i el de sense fils. La Fotònica de Microones, disciplina que es focalitza en la generació, processat, control i distribució de senyals de radiofreqüència per mitjà de la fotònica, està destinada a jugar un paper decisiu. Un dels majors desafiaments que la Fotònica de Microones ha de superar per satisfer els requisits de les noves generacions de comunicacions es basa en la reducció de grandària, pes i consum de potència, mentre es garanteix reconfiguració i estabilitat de banda ampla Trobem ací un enfocament revolucionari capaç d'abordar aquest desafiament d'una manera innovadora que, no obstant això, no ha sigut aprofitat encara en este context: la explotació de l'espai, l'últim grau de llibertat per a multiplexat òptic. En aquesta Tesi, proposem explotar el paral·lelisme inherent de les fibres òptiques multinucli i de pocs modes per a implementar línies de retard en temps real de mostres discretes que proporcionen, en una sola fibra òptica, una solució compacta i eficient tant per a distribució com per a processat de senyals de Fotònica de Microones. En el cas de fibres multinucli, estudiem la influència del perfil d'índex de refracció de cada nucli heterogeni en les característiques de propagació perquè exhibisca uns valors concrets de retard de grup i dispersió cromàtica. Dissenyem i fabriquem dues fibres distintes de 7 nuclis amb rases que es comporten com a línies de retard en temps real mostrejades. Mentre que una d'elles es va fabricar utilitzant 7 preformes diferents per a garantir un funcionament complet, la segona va fabricar-se utilitzant una única preforma amb l'objectiu de minimitzar costos de fabricació. En el cas de fibres de pocs modes, proposem la implementació de línies de retard en temps real sintonitzables mitjançant l'ús d'una fibra específicament dissenyada i la inscripció d'un conjunt de xarxes de difracció de període llarg que actuen com a convertidors de modes per tal d'ajustar adequadament el retard de grup de les mostres. Dissenyem i fabriquem una línia de retard en temps real en una fibra de 4 modes mitjançant la inscripció de 3 xarxes de difracció de període llarg en posicions concretes al llarg de l'enllaç de fibra. Com a validació de proba de concepte, demostrem experimentalment diferents funcionalitats de processat de senyal de Fotònica de Microones implementades en fibres multinucli i de pocs modes. Aquest treball obri el camí cap al desenvolupament del processat de senyal distribuït per a senyals de microones i ones mil·limètriques en una única fibra òptica. A més, aquestes línies de retard en temps real poden aplicar-se a una àmplia varietat de paradigmes de Tecnologies de la Informació i Comunicacions més enllà de les comunicacions radio sobre fibra, com es el cas de les comunicacions de banda ampla per satèl·lit, el sensat distribuït, la imatge mèdica, la tomografia òptica coherent i les comunicacions quàntiques.Agradezco al Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España por la financiación recibida mediante la ayuda FPI.García Cortijo, S. (2020). Distributed radiofrequency signal processing based on space-division multiplexing fibers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/147858TESI