Experiments on a 10 Gb/s fast-settling high-sensitivity burst-mode receiver with on-chip auto-reset for 10G-GPONs [Invited]

This paper presents a 10 Gb/s avalanche-photodiode-based DC-coupled reshaping and reamplifying (2R) burst-mode receiver with on-chip auto-reset generation and multiple data rate support, designed for 10G-GPONs. A short 2R settling time of 75 ns (150 ns for lower-rate operation), a high receiver sensitivity of -31.3 dBm, and a large loud/soft ratio of 25.3 dB are demonstrated at 2.5/5/10 Gb/s in burst-mode operation. Allowing multi-rate operation without external reset signals, it shows great potential for use in emerging symmetric 10G-GPON systems and allows for more flexible future optical access networks

Digital signal processing optical receivers for the mitigation of physical layer impairments in dynamic optical networks

IT IS generally believed by the research community that the introduction of complex network functions—such as routing—in the optical domain will allow a better network utilisation, lower cost and footprint, and a more efficiency in energy usage. The new optical components and sub-systems intended for dynamic optical networking introduce new kinds of physical layer impairments in the optical signal, and it is of paramount importance to overcome this problem if dynamic optical networks should become a reality. Thus, the aim of this thesis was to first identify and characterise the physical layer impairments of dynamic optical networks, and then digital signal processing techniques were developed to mitigate them. The initial focus of this work was the design and characterisation of digital optical receivers for dynamic core optical networks. Digital receiver techniques allow for complex algorithms to be implemented in the digital domain, which usually outperform their analogue counterparts in performance and flexibility. An AC-coupled digital receiver for core networks—consisting of a standard PIN photodiode and a digitiser that takes samples at twice the Nyquist rate—was characterised in terms of both bit-error rate and packet-error rate, and it is shown that the packet-error rate can be optimised by appropriately setting the preamble length. Also, a realistic model of a digital receiver that includes the quantisation impairments was developed. Finally, the influence of the network load and the traffic sparsity on the packet-error rate performance of the receiver was investigated. Digital receiver technologies can be equally applied to optical access networks, which share many traits with dynamic core networks. A dual-rate digital receiver, capable of detecting optical packets at 10 and 1.25 Gb/s, was developed and characterised. The receiver dynamic range was extended by means of DC-coupling and non-linear signal clipping, and it is shown that the receiver performance is limited by digitiser noise for low received power and non-linear clipping for high received power

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

Towards Higher Speed Next Generation Passive Optical Networks

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Dynamically reconfigurable long-reach PONs for high capacity access

Fibre-to-the-Premises (FTTP) is currently seen as the ultimate in high-speed transmission technologies for delivering ubiquitous bandwidth to customers. However, as the deployment of network infrastructure requires a substantial investment, the main obstacle to fibre deployment is that of financial viability. With this in mind, a logical strategy to offset network costs is to optimise the infrastructure in order to capture a greater amount of customers over larger areas with increased sharing of network resources. This approach prompted the design of a long-reach passive optical network (LR-PON) in which the physical reach and split of a conventional PON is significantly increased through the use of intermediate optical amplification. In particular, the LR-PON architecture effectively integrates the metro and access networks enabling the majority of local exchange sites to be bypassed resulting in a substantial reduction in field equipment requirements and power consumption. Furthermore, the extension in physical reach and split can be coupled with an increased information capacity through the use of time- and wavelength division multiplexing (TWDM) which serve to exploit the large bandwidth capabilities offered by single-mode fibre. In this project, reconfigurable TWDM LR-PON architectures which dynamically exploit the wavelength domain are proposed, assembled and characterised in order to establish an economically viable ‘open access’ environment that is capable of concurrently supporting multiple operators offering converged services (residential, business and mobile) to support diverse customer requirements and locations. The main investigations in this work address the key physical layer challenges within such wavelength-agile networks. In particular, a range of experimental analysis has been carried out in order to realise the critical component technologies which include low-cost, 10G-capable, wavelength-tuneable transmitters for mass-market residential deployment and the development of gain-stabilised optical amplifier nodes to support the targeted physical reach (≥ 100km) and split (≥ 512). Finally, the feasibility of the proposed dynamically reconfigurable LR-PON configurations as a flexible and cost-effective solution for future access networks is verified through full-scale network demonstrations using an experimental laboratory test-bed

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 /