Advanced optical modulation and fast reconfigurable en/decoding techniques for OCDMA application

With the explosive growth of bandwidth requirement in optical fiber communication networks, optical code division multiple access (OCDMA) has witnessed tremendous achievements as one of the promising technologies for optical access networks over the past decades. In an OCDMA system, optical code processing is one of the key techniques. Rapid optical code reconfiguration can improve flexibility and security of the OCDMA system. This thesis focuses on advanced optical modulations and en/decoding techniques for applications in fast reconfigurable OCDMA systems and secure optical communications. A novel time domain spectral phase encoding (SPE) scheme which can rapidly reconfigure the optical code and is compatible with conventional spectral domain phase en/decoding by using a pair of dispersive devices and a high speed phase modulator is proposed. Based on this scheme, a novel advanced modulation technique that can simultaneously generate both the optical code and the differential-phase-shift-keying (DPSK) data using a single phase modulator is experimentally demonstrated. A symmetric time domain spectral phase encoding and decoding (SPE/SPD) scheme using a similar setup for both the transmitter and receiver is further proposed, based on which a bit-by-bit optical code scrambling and DPSK data modulation technique for secure optical communications has been successfully demonstrated. By combining optical encoding and optical steganography, a novel approach for secure transmission of time domain spectral phase encoded on-off-keying (OOK)/DPSK-OCDMA signal over public wavelength-division multiplexing (WDM) network has also been proposed and demonstrated. To enable high speed operation of the time domain SPE/SPD scheme and enhance the system security, a rapid programmable, code-length variable bit-by-bit optical code shifting technique is proposed. Based on this technique, security improvements for OOK/DPSK OCDMA systems at data rates of 10Gb/s and 40Gb/s using reconfigurable optical codes of up to 1024-chip have been achieved. Finally, a novel tunable two-dimensional coherent optical en/decoder which can simultaneously perform wavelength hopping and spectral phase encoding based on coupled micro-ring resonator is proposed and theoretically investigated. The techniques included in this thesis could be potentially used for future fast reconfigurable and secure optical code based communication systems

Applications of perfect difference codes in fiber-optics and wireless optical code-division multiplexing/multiple-access systems

After establishing itself in the radio domain, Spread spectrum code-division multiplexing/multiple-access (CDMA) has seen a recent upsurge in optical domain as well. Due to its fairness, flexibility, service differentiation and increased inherent security, CDMA is proved to be more suitable for the bursty nature of local area networks than synchronous multiplexing techniques like Frequency/Wavelength Division Multiplexing (F/WDM) and Time Division Multiplexing (TDM). In optical domain, CDMA techniques are commonly known as Optical-CDMA (O-CDMA). All optical CDMA systems are plagued with the problem of multiple-access interference (MAI). Spectral amplitude coding (SAC) is one of the techniques used in the literature to deal with the problem of MAI. The choice of spreading code in any CDMA system is another way to ensure the successful recovery of data at the receiving end by minimizing the effect of MAI and it also dictates the hardware design of the encoder and decoder. This thesis focuses on the efficient design of encoding and decoding hardware. Perfect difference codes (PDC) are chosen as spreading sequences due to their good correlation properties. In most of the literature, evaluation of error probability is based on the assumptions of ideal conditions. Such assumptions ignore major physical impairments such as power splitting losses at the multiplexers of transmitters and receivers, and gain losses at the receivers, which may in practice be an overestimate or underestimate of the actual probability of error. This thesis aims to investigate thoroughly with the consideration of practical impairments the applications of PDCs and other spreading sequences in optical communications systems based on spectral-amplitude coding and utilizing codedivision as multiplexing/multiple-access technique. This work begins with a xix general review of optical CDMA systems. An open-ended practical approach has been used to evaluate the actual error probabilities of OCDM/A systems under study. It has been concluded from results that mismatches in the gains of photodetectors, namely avalanche photodiode (APDs), used at the receiver side and uniformity loss in the optical splitters results in the inaccurate calculation of threshold level used to detect the data and can seriously degrade the system bit error rate (BER) performance. This variation in the threshold level can be compensated by employing techniques which maintain a constant interference level so that the decoding architecture does not have to estimate MAI every time to make a data bit decision or by the use of balanced sequences. In this thesis, as a solution to the above problem, a novel encoding and decoding architecture is presented for perfect difference codes based on common zero code technique which maintains a constant interference level at all instants in CDM system and thus relieves the need of estimating interference. The proposed architecture only uses single multiplexer at the transmitters for all users in the system and a simple correlation based receiver for each user. The proposed configuration not only preserves the ability of MAI in Spectral-Amplitude Coding SAC-OCDM system, but also results in a low cost system with reduced complexity. The results show that by using PDCs in such system, the influence of MAI caused by other users can be reduced, and the number of active users can be increased significantly. Also a family of novel spreading sequences are constructed called Manchestercoded Modified Legendre codes (MCMLCs) suitable for SAC based OCDM systems. MCMLCs are designed to be used for both single-rate and Multirate systems. First the construction of MCMLCs is presented and then the bit error rate performance is analyzed. Finally the proposed encoding/decoding architecture utilizing perfect difference codes is applied in wireless infrared environment and the performance is found to be superior to other codes

Passive optical network (PON) monitoring using optical coding technology

Les réseaux optiques passifs (PON) semblent être la technologie gagnante et ultime du futur pour les "fibres jusqu'au domicile" ayant une haute capacité. L'écoute de contrôle de ce genre de système est nécessaire pour s'assurer un niveau de qualité de service prédéterminé pour chaque client. En outre, l'écoute de contrôle réduit considérablement les dépenses en capital et de fonctionnement (CAPEX et OPEX), tant pour le fournisseur du réseau que les clients. Alors que la capacité des PON est croissante, les gestionnaires de réseau ne disposent pas encore d'une technologie efficace et appropriée pour l'écoute de contrôle des réseaux de capacité aussi élevée. Une variété de solutions a été proposée. Toutes ces dernières solutions ne sont pas pratiques à cause de leur faible capacité (nombre de clients), d'une faible évolutivité, d'une grande complexité et des défis technologiques. Plus important encore, la technologie souhaitable pour l'écoute de contrôle devrait être rentable car le marché des PON est très sensible aux coûts. Dans cette thèse, nous considérons l'application de la technologie du codage optique passif (OC) comme une solution prometteuse pour l'écoute de contrôle centralisée d'un réseau optique ramifié tels que les réseaux PON. Dans la première étape, nous développons une expression pour le signal détecté par l'écoute de contrôle et étudions ses statistiques. Nous trouvons une nouvelle expression explicite pour le rapport signal utile/signal brouillé (SIR) comme outil de mesure métrique de performance. Nous considérons cinq distributions PON géographiques différentes et étudions leurs effets sur l'SIR pour l'écoute de contrôle d'OC. Dans la prochaine étape, nous généralisons notre modèle mathématique et ses expressions pour le contrôle des signaux détectés par un détecteur quadratique et des paramètres réalistes. Nous évaluons ensuite les performances théoriques de la technologie basée sur l'écoute de contrôle selon le rapport signal/bruit (SNR), le rapport signal/bruit plus coefficient d'interférence (SNIR), et la probabilité de fausse alarme. Nous élaborons l'effet de la puissance d'impulsion transmise, la taille du réseau et la cohérence de la source lumineuse sur le rendement des codes unidimensionnels (ID) et bidimensionnels (2D) de l'écoute de contrôle d'OC. Une conception optimale est également abordée. Enfin, nous appliquons les tests de Neyman-Pearson pour le récepteur de notre système d'écoute de contrôle et enquêtons sur la façon dont le codage et la taille du réseau affectent les dépenses de fonctionnement (OPEX) de notre système d'écoute de contrôle. Malgré le fait que les codes ID et 2D fournissent des performances acceptables, elles exigent des encodeurs avec un nombre élevé de composants optiques : ils sont encombrants, causent des pertes, et ils sont coûteux. Par conséquent, nous proposons un nouveau schéma de codage simple et plus approprié pour notre application de l'écoute de contrôle que nous appelons le codage périodique. Par simulation, nous évaluons l'efficacité de l'écoute de contrôle en terme de SNR pour un PON employant cette technologie. Ce système de codage est utilisé dans notre vérification expérimentale de l'écoute de contrôle d'OC. Nous étudions expérimentalement et par simulation, l'écoute de contrôle d'un PON utilisant la technologie de codage périodique. Nous discutons des problèmes de conception pour le codage périodique et les critères de détection optimale. Nous développons également un algorithme séquentiel pour le maximum de vraisemblance avec une complexité réduite. Nous menons des expériences pour valider notre algorithme de détection à l'aide de quatre encodeurs périodiques que nous avons conçus et fabriqués. Nous menons également des simulations de Monte-Carlo pour des distributions géographiques de PON réalistes, avec des clients situés au hasard. Nous étudions l'effet de la zone de couverture et la taille du réseau (nombre d'abonnés) sur l'efficacité de calcul de notre algorithme. Nous offrons une borne sur la probabilité pour un réseau donné d'entraîner l'algorithme vers un temps exorbitant de surveillance du réseau, c'est à dire le délai d'attente de probabilité. Enfin, nous soulignons l'importance du moyennage pour remédier aux restrictions budgétaires en puissance/perte dans notre système de surveillance afin de supporter de plus grandes tailles de réseaux et plus grandes portées de fibres. Ensuite, nous mettrons à niveau notre dispositif expérimental pour démontrer un m PON avec 16 clients. Nous utilisons un laser à modulation d'exploitation directement à 1 GHz pour générer les impulsions sonde. Les données mesurées par le dispositif expérimental est exploité par l'algorithme de MLSE à détecter et à localiser les clients. Trois déploiements PON différents sont réalisés. Nous démontrons une surveillance plus rigoureuse pour les réseaux ayant une répartition géographique à plusieurs niveaux. Nous étudions aussi le budget de la perte de notre dispositif de soutien plus élevés de capacités du réseau. Enfin, nous étudions le budget total admissible de la perte d'exploitation du système de surveillance dans la bande de fréquences à 1650 nm en fonction des spécifications de l'émetteur/récepteur. En particulier, la limite totale de la perte de budget est représentée en fonction du gain de l'amplicateure de transimpédance (TIA) et le résolution de la conversion analogique-numérique (ADC). Par ailleurs, nous enquêtons sur le compromis entre la distance portée et la capacité (taille de fractionnement au niveau du noeud distant) dans notre système de suivi