Design and optimization next generation passive all-optical networks

Abstract

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

This work investigates novel methodologies and models for Next-Generation Optical Access Networks (NG-OAN). The work is divided into four main topics of research: network design, numerical models for fiber nonlinear effects, impact of fiber nonlinear effects and network optimization. The used case optical access network is designed to cope with high user density over extended reach, i.e. support large number of users ( 1000) with high speed dedicated connections ( 1 Gb/s) in a narrow bandwidth ( 25 nm) distributed up to 100 km. The scenarios rely on Ultra-Dense Wavelength-Division Multiplexing Passive Optical Networks (UDWDM-PON) employing coherent transceivers in the network terminals. The network is evaluated for various transmission rates using advanced modulation formats, transmitters and receivers specifications, user bandwidth requirements and coexistence with legacy Passive Optical Network (PON) technologies. Numerical models based on Volterra Series Transfer Function (VSTF) are demonstrated for both the analysis of fiber nonlinear effects and evaluation of the overall network performance. It is presented the power and transmission ranges that Volterra series provides accurate results, compared to the reference model Split-Step Fourier (SSF) (experimentally validated), for the overall network performance. Moreover, an algorithm is proposed to provide fast numerical calculations of the series by avoiding zero intensity signal frequency components. The VSTF model is extended to identify the sole effect of the most relevant fiber nonlinearities in UDWDM-PON network scenarios: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) and Four-Wave Mixing (FWM). Numerical simulations are performed to identify the impact of each nonlinear effect, SPM, XPM and FWM, on the performance of coherent UDWDMPON transporting either M-ary PSK (Phase-Shift Keying) or M-ary QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulated channels. The analysis is extended to different lengths of Standard Single-Mode Fibers (SSMF), power per channel and bit rate per channel. From that, analytic expressions are extrapolated to find the evolution of SPM, XPM and FWM with power and transmission distance for NG-AON scenarios. The performance of the network is optimized by mitigating some of the FWM crosstalk (unequally spaced channels), which in this case is the most relevant fiber nonlinear effect. The directions for further performance improvements are pointed out for scenarios in which XPM is enhanced, i.e. networks transporting QAM signaling. The solution in this case is based on digital signal processing techniques.