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

Wavelength reconfigurability for next generation optical access networks

Next generation optical access networks should not only increase the capacity but also be able to redistribute the capacity on the fly in order to manage larger variations in traffic patterns. Wavelength reconfigurability is the instrument to enable such capability of network-wide bandwidth redistribution since it allows dynamic sharing of both wavelengths and timeslots in WDM-TDM optical access networks. However, reconfigurability typically requires tunable lasers and tunable filters at the user side, resulting in cost-prohibitive optical network units (ONU). In this dissertation, I propose a novel concept named cyclic-linked flexibility to address the cost-prohibitive problem. By using the cyclic-linked flexibility, the ONU needs to switch only within a subset of two pre-planned wavelengths, however, the cyclic-linked structure of wavelengths allows free bandwidth to be shifted to any wavelength by a rearrangement process. Rearrangement algorithm are developed to demonstrate that the cyclic-linked flexibility performs close to the fully flexible network in terms of blocking probability, packet delay, and packet loss. Furthermore, the evaluation shows that the rearrangement process has a minimum impact to in-service ONUs. To realize the cyclic-linked flexibility, a family of four physical architectures is proposed. PRO-Access architecture is suitable for new deployments and disruptive upgrades in which the network reach is not longer than 20 km. WCL-Access architecture is suitable for metro-access merger with the reach up to 100 km. PSB-Access architecture is suitable to implement directly on power-splitter-based PON deployments, which allows coexistence with current technologies. The cyclically-linked protection architecture can be used with current and future PON standards when network protection is required

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

National Innovation Systems and Regional Cooperation in Asia: Challenges and Strategies from a Study of China

I provide a quick assessment of the effectiveness and potentialities of National Innovation Systems (NIS) in the Asia-Pacific for deeper economic integration. To this end,I formulate some preliminary policy suggestions aimed at enhancing the region’s overall innovation strategy. My approach focuses particularly on the evolving relationship between China's NIS and the Asia-Pacific region with some references to Japan, Korea, Taiwan, India, Thailand, Singapore, Malaysia and Indonesia. I argue that while the policy challenges for regional cooperation are far from trivial, strengthening the NIS and the various sub- regional systems with a view to building up a broad-based and inclusive Regional Innovation System(RIS) for the Asia-Pacific can be a substantive area of enhancing economic integration in the Asia-Pacific . Conceptually, the paper presents an enhanced view of NIS for inclusive growth. I call this new model of regional innovation an “Augmented NIS(ANIS)”. The attempt to build ANIS is one conceptually and practically sound approach towards enhancing economic integration in the Asia-Pacific. Three areas of concrete applications are suggested in the concluding part

Scalable high-capacity high-fan-out optical networks for constrained environments

The investigations carried out as part of the dissertation address the architecture and application of optical access networks pertaining to high-capacity and high fan-out applications such as in-flight entertainment (IFE) and video-gaming environment. High-capacity and high-fan-out optical networks have a multitude of applications such as expo-centers, train area networks (TAN), video gaming competitions and other applications that require large number of connected users. For the purpose of keeping the scope of the dissertation within limit however, we have concentrated this work on IFE systems. IFE systems present unique challenges at physical and application layers alike. In-flight entertainment (IFE) systems have been a part of passengers' experience for a while now. Currently available systems can be considered a bare-bone at best due to lack of adequate performance and support infrastructure. According to electronic arts (EA), one of the largest developers of video games in the world, an increase in demand for electronically distributed video games will exceed boxed games in just a matter of few years. This also shows a shifting trend towards the electronic distribution of video game content as opposed to physical distribution. Against the same backdrop, the dissertation project involved defining a novel system architecture and capacity based on the requirements for development of novel physical layer architecture utilizing optical networks for high-speed and high-fan-out distribution of content. At the physical layer of the stacked communication model a novel high-fan-out optical network was proposed and simulated for high data-rates. Having defined the physical layer, protocol stack was identified through rigorous observations and data traffic analysis from a large set of traffic traces obtained from various sources in order to understand the distribution and behavior of video game related traffic compared with regular internet traffic. Data requirements were laid down based on analysis keeping in mind that bandwidth requirements are increasing at a tremendous pace and that the network should be able to support future high-definition and 3D gaming as well. Based on the data analysis, analytical models and latency analysis models were also developed for bandwidth allocation in the high-fan-out network architectures. Analytical modeling gives an insight into the performance of the technique as a function of incoming traffic whereas latency analysis exposes the delay factors involved in running the technique over time. "State-full bandwidth allocation" (SBA) was proposed as part of the network layer design for upstream transmission. The novel technique involves keeping state information from previous states for future allocation. The results show that the proposed high-fan-out high-capacity physical layer architecture can be used to distribute video-gaming related content. Also, latency analysis and design and development of a novel SBA algorithm were carried out. Results were quiet promising, in that; a large number of users can be supported on the same single channel network. SBA criteria can be applied to multi-channel networks such as the physical architecture proposed / simulated and investigated in this project. In summary, the project involved design of a novel physical layer; network layer and protocol stack of the communication model and verification by simulations and mathematical modeling while adhering to application layer requirements