Next generation optical access networks and coexistence with legacy PONs

Nowadays, Fiber-to-the-Home is one of the most promising solutions to provide broadband services in access networks. However, the fiber is inefficiently used as most of the deployed systems are still based on Time Division Multiplexing Passive Optical Networks (TDM-PONs) providing shared transmission capacities up to 2.5 Gb/s down and 1.25 Gb/s up, among multiple users. Research on high-speed electronics and Wavelength Division Multiplexing (WDM) has allowed the emergence of what is known as the second generation PON (NG-PON2), which specify aggregated capacities up to 40 Gb/s, stacking four channels at symmetric data rates of 10 Gb/s each, for residential scenarios. Nevertheless, the capacity per channel is still shared between multiple users due to the use of TDM. Moreover, the optical spectrum efficiency is low because channels are widely spaced (50 to 100 GHz). In addition, the sensitivity, reach and number of users is limited as consequence of using direct detection (DD) systems. In consequence, and due to the increase in bandwidth demands of new multimedia applications, it is necessary to propose solutions that cope with this tendency and, even more important, that can coexist with legacy systems, being one of the major requirements of network operators to guarantee a smooth and non-disruptive technology migration. In this thesis, a breakthrough technology such as Ultra-Dense WDM (UDWDM) that allows to allocate a large number of channels spaced only by a few GHz is used. This approach consent to envision the concept of Wavelength-to-the-User, where each costumer can be served with dedicated bandwidth links. The key technologies are based on coherent systems, with inherent wavelength selectivity and improved sensitivity compared to DD systems, thanks to the booster action of a tunable local oscillator (LO) laser. Because of cost is the main constraint in access networks, especially at the customer premises equipment (Optical Network Unit - ONU), in this thesis, a new class of coherent transceivers, based on low-cost direct modulated lasers and simplified receiver schemes, are proposed and experimentally tested. Moreover, the issue of coexistence is investigated through theoretical studies and real-time implementations, demonstrating full compatibility with legacy systems. Between the proposed solutions, a simple technique to adjust digitally the direct phase modulation of a distributed feedback (DFB) laser is presented to support flexible transmission rates. Next, several multilevel phase modulation formats for achieving higher transmission rates and better spectral efficiency are experimentally compared. Subsequently, the topic of photonic integration is addressed, demonstrating for the first time an 8-ary hybrid amplitude and phase modulated transmitter (Tx), by using a low-cost, small-footprint and energy efficient dual electro-absorption modulated laser (DEML). Finally, two novel proposals, to reduce the complexity of heterodyne and intradyne detection, are provided to face the typical issue of complexity and high-cost of coherent systems. The former explores the possibility of using only one DFB laser as LO and Tx at the ONU. The later demonstrates for the first time, a novel phase time diversity technique alternating phase modulation at each complex component (in-phase - I and quadrature - Q) achieving a 10 Gb/s' transmission with polarization independence.En la actualidad, la Fibra hasta el Hogar es una de las soluciones más prometedoras para proporcionar servicios de banda ancha en las redes de acceso. Sin embargo, la fibra se usa de manera poco eficiente, ya que la mayoría de los sistemas implementados todavía están basados en redes ópticas pasivas de multiplexación por división en el tiempo (TDM-PON) que brindan capacidades de transmisión compartidas entre múltiples usuarios de hasta 2.5 Gb/s y 1.25 Gb/s. La investigación en electrónica de alta velocidad y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) ha permitido el surgimiento de lo hoy se conoce como PON de segunda generación (NG-PON2), que especifica capacidades agregadas de hasta 40 Gb/s, apilando cuatro canales a velocidades de datos simétricas de 10 Gb/s cada uno, para escenarios residenciales. Sin embargo, la capacidad por canal todavía se comparte entre múltiples usuarios debido al uso de TDM. Además, la eficiencia en el uso del espectro óptico es baja porque los canales están muy separados (50 a 100 GHz). Asimismo, la sensibilidad, el alcance y el número de usuarios están limitados debido al uso de sistemas de detección directa. En consecuencia, y debido al aumento de las demandas de ancho de banda de las nuevas aplicaciones multimedia, es necesario proponer soluciones que respondan a esta tendencia y, lo que es más importante, que puedan coexistir con sistemas heredados, siendo uno de los principales requisitos de los operadores de red para garantizar una migración de tecnología fluida y sin interrupciones. En esta tesis, se utiliza una tecnología de vanguardia, como la multiplexación por división ultra densa de longitud de onda (UDWDM) que permite distribuir un gran número de canales espaciados solo por unos pocos GHz. Este enfoque permite vislumbrar el concepto de longitud de onda para el usuario, donde cada cliente puede usar enlaces de ancho de banda dedicados. Las tecnologías clave están basadas en los sistemas coherentes, con selectividad de longitud de onda inherente y sensibilidad mejorada en comparación con los sistemas de detección directa, gracias al efecto de amplificación óptica de un láser oscilador local (LO) sintonizable. Debido a que el costo es la principal restricción en las redes de acceso, especialmente del equipo en las instalaciones del cliente (unidad de red óptica - ONU), en ésta tesis, una nueva clase de transceptores coherentes, basados en láseres de bajo coste modulados directamente y esquemas de recepción simplificados, son propuestos y probados experimentalmente. Además, el problema de la coexistencia es investigado a través de estudios teóricos y experimentos en tiempo real, demostrando compatibilidad total con los sistemas heredados. Entre las soluciones propuestas, se presenta una técnica simple para ajustar digitalmente la modulación de fase directa de un láser de retroalimentación distribuida (DFB), y admitir velocidades de transmisión flexibles. Acto seguido, se comparan experimentalmente varios formatos multinivel de modulación de fase, para lograr tasas de transmisión más altas y una mejor eficiencia espectral. Posteriormente, se aborda el tema de la integración fotónica, demostrando por primera vez un transmisor (Tx) con modulación híbrida de fase y amplitud de ocho puntos, mediante el uso de un dispositivo pequeño, de bajo coste y eficiente energéticamente, como lo es el láser dual de electro-absorción modulada (DEML). Finalmente, se presentan dos propuestas novedosas para reducir la complejidad de la detección heterodina e intradina, afrontando el problema típico de la complejidad y alto coste de los sistemas coherentes. La primera explora la posibilidad de usar solo un láser DFB en la ONU, como LO y Tx. La segunda, demuestra por primera vez, una nueva técnica de diversidad fase en el tiempo, que alterna la modulación de fase en cada componente del plano complejo (fase-I y cuadratura-Q) logrando una transmisión de 10 Gb / s / λ con independencia de polarizaciónPostprint (published version

Next generation optical access networks and coexistence with legacy PONs

Nowadays, Fiber-to-the-Home is one of the most promising solutions to provide broadband services in access networks. However, the fiber is inefficiently used as most of the deployed systems are still based on Time Division Multiplexing Passive Optical Networks (TDM-PONs) providing shared transmission capacities up to 2.5 Gb/s down and 1.25 Gb/s up, among multiple users. Research on high-speed electronics and Wavelength Division Multiplexing (WDM) has allowed the emergence of what is known as the second generation PON (NG-PON2), which specify aggregated capacities up to 40 Gb/s, stacking four channels at symmetric data rates of 10 Gb/s each, for residential scenarios. Nevertheless, the capacity per channel is still shared between multiple users due to the use of TDM. Moreover, the optical spectrum efficiency is low because channels are widely spaced (50 to 100 GHz). In addition, the sensitivity, reach and number of users is limited as consequence of using direct detection (DD) systems. In consequence, and due to the increase in bandwidth demands of new multimedia applications, it is necessary to propose solutions that cope with this tendency and, even more important, that can coexist with legacy systems, being one of the major requirements of network operators to guarantee a smooth and non-disruptive technology migration. In this thesis, a breakthrough technology such as Ultra-Dense WDM (UDWDM) that allows to allocate a large number of channels spaced only by a few GHz is used. This approach consent to envision the concept of Wavelength-to-the-User, where each costumer can be served with dedicated bandwidth links. The key technologies are based on coherent systems, with inherent wavelength selectivity and improved sensitivity compared to DD systems, thanks to the booster action of a tunable local oscillator (LO) laser. Because of cost is the main constraint in access networks, especially at the customer premises equipment (Optical Network Unit - ONU), in this thesis, a new class of coherent transceivers, based on low-cost direct modulated lasers and simplified receiver schemes, are proposed and experimentally tested. Moreover, the issue of coexistence is investigated through theoretical studies and real-time implementations, demonstrating full compatibility with legacy systems. Between the proposed solutions, a simple technique to adjust digitally the direct phase modulation of a distributed feedback (DFB) laser is presented to support flexible transmission rates. Next, several multilevel phase modulation formats for achieving higher transmission rates and better spectral efficiency are experimentally compared. Subsequently, the topic of photonic integration is addressed, demonstrating for the first time an 8-ary hybrid amplitude and phase modulated transmitter (Tx), by using a low-cost, small-footprint and energy efficient dual electro-absorption modulated laser (DEML). Finally, two novel proposals, to reduce the complexity of heterodyne and intradyne detection, are provided to face the typical issue of complexity and high-cost of coherent systems. The former explores the possibility of using only one DFB laser as LO and Tx at the ONU. The later demonstrates for the first time, a novel phase time diversity technique alternating phase modulation at each complex component (in-phase - I and quadrature - Q) achieving a 10 Gb/s' transmission with polarization independence.En la actualidad, la Fibra hasta el Hogar es una de las soluciones más prometedoras para proporcionar servicios de banda ancha en las redes de acceso. Sin embargo, la fibra se usa de manera poco eficiente, ya que la mayoría de los sistemas implementados todavía están basados en redes ópticas pasivas de multiplexación por división en el tiempo (TDM-PON) que brindan capacidades de transmisión compartidas entre múltiples usuarios de hasta 2.5 Gb/s y 1.25 Gb/s. La investigación en electrónica de alta velocidad y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) ha permitido el surgimiento de lo hoy se conoce como PON de segunda generación (NG-PON2), que especifica capacidades agregadas de hasta 40 Gb/s, apilando cuatro canales a velocidades de datos simétricas de 10 Gb/s cada uno, para escenarios residenciales. Sin embargo, la capacidad por canal todavía se comparte entre múltiples usuarios debido al uso de TDM. Además, la eficiencia en el uso del espectro óptico es baja porque los canales están muy separados (50 a 100 GHz). Asimismo, la sensibilidad, el alcance y el número de usuarios están limitados debido al uso de sistemas de detección directa. En consecuencia, y debido al aumento de las demandas de ancho de banda de las nuevas aplicaciones multimedia, es necesario proponer soluciones que respondan a esta tendencia y, lo que es más importante, que puedan coexistir con sistemas heredados, siendo uno de los principales requisitos de los operadores de red para garantizar una migración de tecnología fluida y sin interrupciones. En esta tesis, se utiliza una tecnología de vanguardia, como la multiplexación por división ultra densa de longitud de onda (UDWDM) que permite distribuir un gran número de canales espaciados solo por unos pocos GHz. Este enfoque permite vislumbrar el concepto de longitud de onda para el usuario, donde cada cliente puede usar enlaces de ancho de banda dedicados. Las tecnologías clave están basadas en los sistemas coherentes, con selectividad de longitud de onda inherente y sensibilidad mejorada en comparación con los sistemas de detección directa, gracias al efecto de amplificación óptica de un láser oscilador local (LO) sintonizable. Debido a que el costo es la principal restricción en las redes de acceso, especialmente del equipo en las instalaciones del cliente (unidad de red óptica - ONU), en ésta tesis, una nueva clase de transceptores coherentes, basados en láseres de bajo coste modulados directamente y esquemas de recepción simplificados, son propuestos y probados experimentalmente. Además, el problema de la coexistencia es investigado a través de estudios teóricos y experimentos en tiempo real, demostrando compatibilidad total con los sistemas heredados. Entre las soluciones propuestas, se presenta una técnica simple para ajustar digitalmente la modulación de fase directa de un láser de retroalimentación distribuida (DFB), y admitir velocidades de transmisión flexibles. Acto seguido, se comparan experimentalmente varios formatos multinivel de modulación de fase, para lograr tasas de transmisión más altas y una mejor eficiencia espectral. Posteriormente, se aborda el tema de la integración fotónica, demostrando por primera vez un transmisor (Tx) con modulación híbrida de fase y amplitud de ocho puntos, mediante el uso de un dispositivo pequeño, de bajo coste y eficiente energéticamente, como lo es el láser dual de electro-absorción modulada (DEML). Finalmente, se presentan dos propuestas novedosas para reducir la complejidad de la detección heterodina e intradina, afrontando el problema típico de la complejidad y alto coste de los sistemas coherentes. La primera explora la posibilidad de usar solo un láser DFB en la ONU, como LO y Tx. La segunda, demuestra por primera vez, una nueva técnica de diversidad fase en el tiempo, que alterna la modulación de fase en cada componente del plano complejo (fase-I y cuadratura-Q) logrando una transmisión de 10 Gb / s / λ con independencia de polarizació

Analysis of the performances and tolerances of the 2nd generation passive optical networks (NGPON2) for FTTH systems

[ENGLISH] In a Fiber to the Home (FTTH) system, the fiber is connected until the household users. A passive optical network (PON) is a particular type of FTTH networks that uses P2MP (point-to-multipoint fiber premises) in which unpowered optical splitters are used to share part of the infrastructure enable a single optical fiber to serve multiple premises. The evolution of PON systems across the years can be associated with the evolution in multiplexing technologies. In the first years with the use of TDM the achieved upstream and downstream aggregate bandwidth was in the order of 155 Mbit/s until 10 GBit/s in XG-PON standard. But with the implementation of WDM the capacities have been increased significantly until get bandwidths of 250 GBit/s and 500 GBit/s using ud-WDM with coherent detection. This new standards use advanced modulation and codification formats. This project will evaluate the new international standard ITU-T G.989 for next generation optical fiber access to the home (FTTH) network operating at 4x 10GBit/s, that uses time multiplexing and dense wavelength multiplexing (TWDM). The key commercial devices for its implementation will be identified and modelled. Next, the access network will be built in a computer simulator, different tests will be run, and the system will be optimized. Tasks: · Study of the state of art of optical access networks comparing different technologies, devices, and architectures. · Analysis of the new international standard ITU-T G.989 to review the optical spectrum management, devices and subsystems proposed. · Use of VPI simulator in order to build an access network architecture and realize different tests, linking it with · MATLAB to analyze the achieved results. · Optimization of the network built.[CASTELLÀ] En un Sistema de Fibra hasta el hogar (FTTH, Fiber to the Home), la fibra es conectada hasta el hogar de los usuarios. Una red óptica pasiva (PON) es un tipo particular de red redes FTTH que utiliza instalaciones punto a multipunto (P2MP), en las cuales se comparte parte de la infraestructura permitiendo enviar información de múltiples canales a través de una sola fibra. Este trabajo presenta un compendio de los principales conceptos sobre redes de acceso y sistemas PON y algunas de las tecnologías usadas para el desarrollo de los mismos, incluyendo multiplexación por división en el tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) y multiplexación por división de la longitud de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), independientes o en configuración híbrida (TWDM). A partir de aquí se identifican y modelan los dispositivos comerciales clave para su implementación, especificando sus parámetros característicos para cumplir con los requerimientos del nuevo estándar internacional ITU-T G.989 para redes FFTH. Este proyecto evalúa dicho estándar, el cual plantea la implementación de sistemas NG-PON2 a 4x10GBit/s, los cuales usarán una arquitectura híbrida TWDM y transceptores sintonizables, además de garantizar la coexistencia con otros sistemas PON heredados, ubicando el tráfico en downstream y upstream en unas bandas de longitud de onda adecuadas sin solapamiento. El trabajo de análisis se enfoca en la identificación de los dispositivos clave, como trasmisores y filtros ópticos sintonizables para alcanzar los requerimientos mímos especificados. Además se da una primera aproximación al diseño del elemento de coexistencia (CE, Coexistence element) para el soporte de los sistemas PON heredados. Una vez especificados los requerimientos mínimos e identificados los dispositivos clave, se diseña e implementa la red en el simulador VPIphotonicsTM usando láseres de onda continua, moduladores externos de intensidad, multiplexores de longitud de onda y divisores de potencia apropiados. En recepción se usa detección directa con fotodiodos PIN y APD y filtros ópticos sintonizables en la ONU. Una vez completado el diseño, se realizan diferentes test, se analizan los resultados y se optimiza el diseño para dimensionar la red en términos de número de usuarios, alcance, balance de potencias, capacidad de acho de banda, etc

Differential 8-APSK monolithically integrated dual-EML transmitter for flexible coherent PONs

© 2019 Optical Society of America. One print or electronic copy of this version author final draft, may be made for personal use only. Systematic reproduction and distribution, duplication of any material in this paper for a fee or for commercial purposes, or modifications of the content of this paper are prohibited.We experimentally demonstrate a simultaneous amplitude and phase modulation of a monolithically integrated dual electro-absorption modulated laser. The proposed technique combines a 4-ary direct phase modulation with a two-level amplitude modulation obtaining an 8-ary amplitude phase shift keying external-modulator-free transmitter (Tx). Its performance was tested up to 7.5 Gb/s in a 25 km single-mode fiber link with intradyne coherent detection. A receiver sensitivity of -42.5¿¿dBm was achieved at a forward error correction limit bit error ratio =4×10-3. The results show that the proposed system can be an efficient flexible Tx for next-generation passive optical networks.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

UDWDM-PON using low-cost coherent transceivers with limited tunability and heuristic DWA

A new Passive Optical Network (PON) for access, making use of Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing (UDWDM) by densely spacing channels at few GHz, and introducing the “wavelength-to-the-user” concept, is proposed. The key challenge will be developing low-cost coherent transceivers, providing an excellent selectivity while avoiding filters, and furnishing high sensitivity, which will allow high splitting ratios, large number of users and long distance reach. The Optical Distribution Network (ODN) at the outside plant is based on splitters and kept compatible with legacy systems. Optical Network Unit (ONU) designs realized with coherent transceivers using one or two lasers are presented and the corresponding Optical Line Terminal (OLT) architectures are introduced. The ONUs at customer premises own lasers with limited thermal tunability and their wavelengths are randomly distributed in a band. By using heuristic Dynamic Wavelength Assignment (DWA) schemes and extending the original working band, the required optical band is obtained and optimized. In activation processes, ONU acceptances up to 99.9% are achieved. Furthermore, in operation scenario under indoors and also under outdoors environmental conditions, ONU blocking probabilities below 0.1% and ONU availability ratios (OARs) up to 99.9% are demonstrated. The PON is dimensioned according to the number of deployed users and system reach; moreover, power safety and also fiber nonlinearities constraints are evaluated, illustrating the characteristics of the projected network. Finally, the coexistence with legacy networks is discussed.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

15-dB differential link-loss UDWDM-PON with direct beat phase modulated DFBs

©2017 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.IEEE A 15 dB differential link-loss ultra-dense wavelength division multiplexing passive optical network (UDWDM-PON) with two optical network units (ONU) spectrally spaced 6.25 GHz is experimentally implemented and tested. The ONU transmitters consist of direct phase modulated distributed feedback lasers (DFB) through a digital beat signal, whose amplitude and duty cycle are optimized for maximum phase variations, avoiding the need for an analogue equalizer. We achieved receiver sensitivities of -53 dBm, -50.5 dBm, and -45 dBm for bit rates of 1.25 Gb/s, 2.5 Gb/s, and 5 Gb/s respectively at BER = 4·10 -3 with an intradyne coherent receiver.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Field-Trial of a high-budget, filterless, lambda-to-the-user, UDWDM-PON enabled by an innovative class of low-cost coherent transceivers

©2017 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.We experimentally demonstrate an innovative ultradense wavelength division multiplexing (UDWDM) passive optical networks (PON) that implements the full ¿-to-the-user concept in a filterless distribution network. Key element of the proposed system is a novel class of coherent transceivers, purposely developed with a nonconventional technical approach. Indeed, they are designed and realized to avoid D/A-A/D converter stages and digital signal processing in favor of simple analog processing so that they match system, cost, and power consumption requirements of the access networks without sacrificing the overall performance. These coherent transceivers target different use case scenarios (residential, business, fixed, wireless) still keeping perfect compatibility and co-existence with legacy infrastructures installed to support gray, time division multiplexed PON systems. Moreover, the availability of coherent transceivers of different cost/performance ratios allows for deployments of different quality service grades. In this paper, we report the successful field trial of the proposed systems in a testbed where 14 UDWDM channels (and one legacy E-PON system) are transmitted simultaneously in a dark-fiber network deployed in the city of Pisa (Italy), delivering real-time and/or test traffic. The trial demonstrated filterless operations (each remote node selects individually its own UDWDM channel on a fine 6.25-GHz grid), real-time GbE transmissions (by using either fully analog or light digital signal processing), multirate transmission (1.25 and 10 Gb/s), high optical distribution network loss (18-40 dB) as well as a bidirectional channel monitoring system.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Next generation optical access networks and coexistence with legacy PONs

Nowadays, Fiber-to-the-Home is one of the most promising solutions to provide broadband services in access networks. However, the fiber is inefficiently used as most of the deployed systems are still based on Time Division Multiplexing Passive Optical Networks (TDM-PONs) providing shared transmission capacities up to 2.5 Gb/s down and 1.25 Gb/s up, among multiple users. Research on high-speed electronics and Wavelength Division Multiplexing (WDM) has allowed the emergence of what is known as the second generation PON (NG-PON2), which specify aggregated capacities up to 40 Gb/s, stacking four channels at symmetric data rates of 10 Gb/s each, for residential scenarios. Nevertheless, the capacity per channel is still shared between multiple users due to the use of TDM. Moreover, the optical spectrum efficiency is low because channels are widely spaced (50 to 100 GHz). In addition, the sensitivity, reach and number of users is limited as consequence of using direct detection (DD) systems. In consequence, and due to the increase in bandwidth demands of new multimedia applications, it is necessary to propose solutions that cope with this tendency and, even more important, that can coexist with legacy systems, being one of the major requirements of network operators to guarantee a smooth and non-disruptive technology migration. In this thesis, a breakthrough technology such as Ultra-Dense WDM (UDWDM) that allows to allocate a large number of channels spaced only by a few GHz is used. This approach consent to envision the concept of Wavelength-to-the-User, where each costumer can be served with dedicated bandwidth links. The key technologies are based on coherent systems, with inherent wavelength selectivity and improved sensitivity compared to DD systems, thanks to the booster action of a tunable local oscillator (LO) laser. Because of cost is the main constraint in access networks, especially at the customer premises equipment (Optical Network Unit - ONU), in this thesis, a new class of coherent transceivers, based on low-cost direct modulated lasers and simplified receiver schemes, are proposed and experimentally tested. Moreover, the issue of coexistence is investigated through theoretical studies and real-time implementations, demonstrating full compatibility with legacy systems. Between the proposed solutions, a simple technique to adjust digitally the direct phase modulation of a distributed feedback (DFB) laser is presented to support flexible transmission rates. Next, several multilevel phase modulation formats for achieving higher transmission rates and better spectral efficiency are experimentally compared. Subsequently, the topic of photonic integration is addressed, demonstrating for the first time an 8-ary hybrid amplitude and phase modulated transmitter (Tx), by using a low-cost, small-footprint and energy efficient dual electro-absorption modulated laser (DEML). Finally, two novel proposals, to reduce the complexity of heterodyne and intradyne detection, are provided to face the typical issue of complexity and high-cost of coherent systems. The former explores the possibility of using only one DFB laser as LO and Tx at the ONU. The later demonstrates for the first time, a novel phase time diversity technique alternating phase modulation at each complex component (in-phase - I and quadrature - Q) achieving a 10 Gb/s' transmission with polarization independence.En la actualidad, la Fibra hasta el Hogar es una de las soluciones más prometedoras para proporcionar servicios de banda ancha en las redes de acceso. Sin embargo, la fibra se usa de manera poco eficiente, ya que la mayoría de los sistemas implementados todavía están basados en redes ópticas pasivas de multiplexación por división en el tiempo (TDM-PON) que brindan capacidades de transmisión compartidas entre múltiples usuarios de hasta 2.5 Gb/s y 1.25 Gb/s. La investigación en electrónica de alta velocidad y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) ha permitido el surgimiento de lo hoy se conoce como PON de segunda generación (NG-PON2), que especifica capacidades agregadas de hasta 40 Gb/s, apilando cuatro canales a velocidades de datos simétricas de 10 Gb/s cada uno, para escenarios residenciales. Sin embargo, la capacidad por canal todavía se comparte entre múltiples usuarios debido al uso de TDM. Además, la eficiencia en el uso del espectro óptico es baja porque los canales están muy separados (50 a 100 GHz). Asimismo, la sensibilidad, el alcance y el número de usuarios están limitados debido al uso de sistemas de detección directa. En consecuencia, y debido al aumento de las demandas de ancho de banda de las nuevas aplicaciones multimedia, es necesario proponer soluciones que respondan a esta tendencia y, lo que es más importante, que puedan coexistir con sistemas heredados, siendo uno de los principales requisitos de los operadores de red para garantizar una migración de tecnología fluida y sin interrupciones. En esta tesis, se utiliza una tecnología de vanguardia, como la multiplexación por división ultra densa de longitud de onda (UDWDM) que permite distribuir un gran número de canales espaciados solo por unos pocos GHz. Este enfoque permite vislumbrar el concepto de longitud de onda para el usuario, donde cada cliente puede usar enlaces de ancho de banda dedicados. Las tecnologías clave están basadas en los sistemas coherentes, con selectividad de longitud de onda inherente y sensibilidad mejorada en comparación con los sistemas de detección directa, gracias al efecto de amplificación óptica de un láser oscilador local (LO) sintonizable. Debido a que el costo es la principal restricción en las redes de acceso, especialmente del equipo en las instalaciones del cliente (unidad de red óptica - ONU), en ésta tesis, una nueva clase de transceptores coherentes, basados en láseres de bajo coste modulados directamente y esquemas de recepción simplificados, son propuestos y probados experimentalmente. Además, el problema de la coexistencia es investigado a través de estudios teóricos y experimentos en tiempo real, demostrando compatibilidad total con los sistemas heredados. Entre las soluciones propuestas, se presenta una técnica simple para ajustar digitalmente la modulación de fase directa de un láser de retroalimentación distribuida (DFB), y admitir velocidades de transmisión flexibles. Acto seguido, se comparan experimentalmente varios formatos multinivel de modulación de fase, para lograr tasas de transmisión más altas y una mejor eficiencia espectral. Posteriormente, se aborda el tema de la integración fotónica, demostrando por primera vez un transmisor (Tx) con modulación híbrida de fase y amplitud de ocho puntos, mediante el uso de un dispositivo pequeño, de bajo coste y eficiente energéticamente, como lo es el láser dual de electro-absorción modulada (DEML). Finalmente, se presentan dos propuestas novedosas para reducir la complejidad de la detección heterodina e intradina, afrontando el problema típico de la complejidad y alto coste de los sistemas coherentes. La primera explora la posibilidad de usar solo un láser DFB en la ONU, como LO y Tx. La segunda, demuestra por primera vez, una nueva técnica de diversidad fase en el tiempo, que alterna la modulación de fase en cada componente del plano complejo (fase-I y cuadratura-Q) logrando una transmisión de 10 Gb / s / λ con independencia de polarizació

Next generation optical access networks and coexistence with legacy PONs

Nowadays, Fiber-to-the-Home is one of the most promising solutions to provide broadband services in access networks. However, the fiber is inefficiently used as most of the deployed systems are still based on Time Division Multiplexing Passive Optical Networks (TDM-PONs) providing shared transmission capacities up to 2.5 Gb/s down and 1.25 Gb/s up, among multiple users. Research on high-speed electronics and Wavelength Division Multiplexing (WDM) has allowed the emergence of what is known as the second generation PON (NG-PON2), which specify aggregated capacities up to 40 Gb/s, stacking four channels at symmetric data rates of 10 Gb/s each, for residential scenarios. Nevertheless, the capacity per channel is still shared between multiple users due to the use of TDM. Moreover, the optical spectrum efficiency is low because channels are widely spaced (50 to 100 GHz). In addition, the sensitivity, reach and number of users is limited as consequence of using direct detection (DD) systems. In consequence, and due to the increase in bandwidth demands of new multimedia applications, it is necessary to propose solutions that cope with this tendency and, even more important, that can coexist with legacy systems, being one of the major requirements of network operators to guarantee a smooth and non-disruptive technology migration. In this thesis, a breakthrough technology such as Ultra-Dense WDM (UDWDM) that allows to allocate a large number of channels spaced only by a few GHz is used. This approach consent to envision the concept of Wavelength-to-the-User, where each costumer can be served with dedicated bandwidth links. The key technologies are based on coherent systems, with inherent wavelength selectivity and improved sensitivity compared to DD systems, thanks to the booster action of a tunable local oscillator (LO) laser. Because of cost is the main constraint in access networks, especially at the customer premises equipment (Optical Network Unit - ONU), in this thesis, a new class of coherent transceivers, based on low-cost direct modulated lasers and simplified receiver schemes, are proposed and experimentally tested. Moreover, the issue of coexistence is investigated through theoretical studies and real-time implementations, demonstrating full compatibility with legacy systems. Between the proposed solutions, a simple technique to adjust digitally the direct phase modulation of a distributed feedback (DFB) laser is presented to support flexible transmission rates. Next, several multilevel phase modulation formats for achieving higher transmission rates and better spectral efficiency are experimentally compared. Subsequently, the topic of photonic integration is addressed, demonstrating for the first time an 8-ary hybrid amplitude and phase modulated transmitter (Tx), by using a low-cost, small-footprint and energy efficient dual electro-absorption modulated laser (DEML). Finally, two novel proposals, to reduce the complexity of heterodyne and intradyne detection, are provided to face the typical issue of complexity and high-cost of coherent systems. The former explores the possibility of using only one DFB laser as LO and Tx at the ONU. The later demonstrates for the first time, a novel phase time diversity technique alternating phase modulation at each complex component (in-phase - I and quadrature - Q) achieving a 10 Gb/s' transmission with polarization independence.En la actualidad, la Fibra hasta el Hogar es una de las soluciones más prometedoras para proporcionar servicios de banda ancha en las redes de acceso. Sin embargo, la fibra se usa de manera poco eficiente, ya que la mayoría de los sistemas implementados todavía están basados en redes ópticas pasivas de multiplexación por división en el tiempo (TDM-PON) que brindan capacidades de transmisión compartidas entre múltiples usuarios de hasta 2.5 Gb/s y 1.25 Gb/s. La investigación en electrónica de alta velocidad y la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) ha permitido el surgimiento de lo hoy se conoce como PON de segunda generación (NG-PON2), que especifica capacidades agregadas de hasta 40 Gb/s, apilando cuatro canales a velocidades de datos simétricas de 10 Gb/s cada uno, para escenarios residenciales. Sin embargo, la capacidad por canal todavía se comparte entre múltiples usuarios debido al uso de TDM. Además, la eficiencia en el uso del espectro óptico es baja porque los canales están muy separados (50 a 100 GHz). Asimismo, la sensibilidad, el alcance y el número de usuarios están limitados debido al uso de sistemas de detección directa. En consecuencia, y debido al aumento de las demandas de ancho de banda de las nuevas aplicaciones multimedia, es necesario proponer soluciones que respondan a esta tendencia y, lo que es más importante, que puedan coexistir con sistemas heredados, siendo uno de los principales requisitos de los operadores de red para garantizar una migración de tecnología fluida y sin interrupciones. En esta tesis, se utiliza una tecnología de vanguardia, como la multiplexación por división ultra densa de longitud de onda (UDWDM) que permite distribuir un gran número de canales espaciados solo por unos pocos GHz. Este enfoque permite vislumbrar el concepto de longitud de onda para el usuario, donde cada cliente puede usar enlaces de ancho de banda dedicados. Las tecnologías clave están basadas en los sistemas coherentes, con selectividad de longitud de onda inherente y sensibilidad mejorada en comparación con los sistemas de detección directa, gracias al efecto de amplificación óptica de un láser oscilador local (LO) sintonizable. Debido a que el costo es la principal restricción en las redes de acceso, especialmente del equipo en las instalaciones del cliente (unidad de red óptica - ONU), en ésta tesis, una nueva clase de transceptores coherentes, basados en láseres de bajo coste modulados directamente y esquemas de recepción simplificados, son propuestos y probados experimentalmente. Además, el problema de la coexistencia es investigado a través de estudios teóricos y experimentos en tiempo real, demostrando compatibilidad total con los sistemas heredados. Entre las soluciones propuestas, se presenta una técnica simple para ajustar digitalmente la modulación de fase directa de un láser de retroalimentación distribuida (DFB), y admitir velocidades de transmisión flexibles. Acto seguido, se comparan experimentalmente varios formatos multinivel de modulación de fase, para lograr tasas de transmisión más altas y una mejor eficiencia espectral. Posteriormente, se aborda el tema de la integración fotónica, demostrando por primera vez un transmisor (Tx) con modulación híbrida de fase y amplitud de ocho puntos, mediante el uso de un dispositivo pequeño, de bajo coste y eficiente energéticamente, como lo es el láser dual de electro-absorción modulada (DEML). Finalmente, se presentan dos propuestas novedosas para reducir la complejidad de la detección heterodina e intradina, afrontando el problema típico de la complejidad y alto coste de los sistemas coherentes. La primera explora la posibilidad de usar solo un láser DFB en la ONU, como LO y Tx. La segunda, demuestra por primera vez, una nueva técnica de diversidad fase en el tiempo, que alterna la modulación de fase en cada componente del plano complejo (fase-I y cuadratura-Q) logrando una transmisión de 10 Gb / s / λ con independencia de polarizació

Analysis of the performances and tolerances of the 2nd generation passive optical networks (NGPON2) for FTTH systems

[ENGLISH] In a Fiber to the Home (FTTH) system, the fiber is connected until the household users. A passive optical network (PON) is a particular type of FTTH networks that uses P2MP (point-to-multipoint fiber premises) in which unpowered optical splitters are used to share part of the infrastructure enable a single optical fiber to serve multiple premises. The evolution of PON systems across the years can be associated with the evolution in multiplexing technologies. In the first years with the use of TDM the achieved upstream and downstream aggregate bandwidth was in the order of 155 Mbit/s until 10 GBit/s in XG-PON standard. But with the implementation of WDM the capacities have been increased significantly until get bandwidths of 250 GBit/s and 500 GBit/s using ud-WDM with coherent detection. This new standards use advanced modulation and codification formats. This project will evaluate the new international standard ITU-T G.989 for next generation optical fiber access to the home (FTTH) network operating at 4x 10GBit/s, that uses time multiplexing and dense wavelength multiplexing (TWDM). The key commercial devices for its implementation will be identified and modelled. Next, the access network will be built in a computer simulator, different tests will be run, and the system will be optimized. Tasks: · Study of the state of art of optical access networks comparing different technologies, devices, and architectures. · Analysis of the new international standard ITU-T G.989 to review the optical spectrum management, devices and subsystems proposed. · Use of VPI simulator in order to build an access network architecture and realize different tests, linking it with · MATLAB to analyze the achieved results. · Optimization of the network built.[CASTELLÀ] En un Sistema de Fibra hasta el hogar (FTTH, Fiber to the Home), la fibra es conectada hasta el hogar de los usuarios. Una red óptica pasiva (PON) es un tipo particular de red redes FTTH que utiliza instalaciones punto a multipunto (P2MP), en las cuales se comparte parte de la infraestructura permitiendo enviar información de múltiples canales a través de una sola fibra. Este trabajo presenta un compendio de los principales conceptos sobre redes de acceso y sistemas PON y algunas de las tecnologías usadas para el desarrollo de los mismos, incluyendo multiplexación por división en el tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) y multiplexación por división de la longitud de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), independientes o en configuración híbrida (TWDM). A partir de aquí se identifican y modelan los dispositivos comerciales clave para su implementación, especificando sus parámetros característicos para cumplir con los requerimientos del nuevo estándar internacional ITU-T G.989 para redes FFTH. Este proyecto evalúa dicho estándar, el cual plantea la implementación de sistemas NG-PON2 a 4x10GBit/s, los cuales usarán una arquitectura híbrida TWDM y transceptores sintonizables, además de garantizar la coexistencia con otros sistemas PON heredados, ubicando el tráfico en downstream y upstream en unas bandas de longitud de onda adecuadas sin solapamiento. El trabajo de análisis se enfoca en la identificación de los dispositivos clave, como trasmisores y filtros ópticos sintonizables para alcanzar los requerimientos mímos especificados. Además se da una primera aproximación al diseño del elemento de coexistencia (CE, Coexistence element) para el soporte de los sistemas PON heredados. Una vez especificados los requerimientos mínimos e identificados los dispositivos clave, se diseña e implementa la red en el simulador VPIphotonicsTM usando láseres de onda continua, moduladores externos de intensidad, multiplexores de longitud de onda y divisores de potencia apropiados. En recepción se usa detección directa con fotodiodos PIN y APD y filtros ópticos sintonizables en la ONU. Una vez completado el diseño, se realizan diferentes test, se analizan los resultados y se optimiza el diseño para dimensionar la red en términos de número de usuarios, alcance, balance de potencias, capacidad de acho de banda, etc