Advanced modulation formats for optical access networks

Abstract

Nos últimos anos, as comunicações ópticas têm-se revelado a solução para a crescente procura de elevados ritmos de informação. De facto, nenhuma outra tecnologia (com ou sem fios) permite transmissões a Tbps, ou até dezenas de Tbps, como as comunicações ópticas permitem. Contudo, as actuais redes ópticas passivas não exibem uma capacidade agregada de fibra superior a 10 Gbps e os operadores esperam mais delas. Assim, uma evolução destas redes a médio prazo, a NG-PON2, tem sido discutida, sendo 40 e 10 Gbps as velocidades de download e upload que se preveem, respectivamente. Não obstante, estes ritmos podem não ser suficientes no futuro, com a emersão dos formatos 3D, dos novos serviços baseados em cloud computing, vídeo conferência, jogos on-line e outras/os aplicações/serviços. Neste contexto, diversos trabalhos de pesquisa têm sido efectuados. Devido á limitação do espectro e á largura de banda restrita dos dispositivos eletrónicos que complementam o sistema de transmissão óptico, elevadas eficiências espectrais são um requisito e consequentemente, a utilização de formatos de modulação avançados. A implementação intrínseca de detecção coerente e processamento digital de sinal proporcionam técnicas de compensação que melhoram o desempenho do sistema de uma forma muito significativa. Uma vez que, o crescente número de bits por símbolo exige uma maior relação sinal-ruído óptica e torna o sistema mais sensível ás não linearidades da fibra e ao ruído de fase do laser, estes algoritmos de compensação tornam-se essenciais. Esta dissertação fornece uma ampla visão dos sistemas ópticos coerentes que inclui, uma extensiva apresentação dos moduladores externos ópticos, um estudo teórico dos formatos de modulação e do formato do impulso, uma descrição de algoritmos de compensação e técnicas de detecção e finalmente, simulações e resultados laboratoriais que permitem concluir qual é o formato de modulação avançado mais indicado para transmissões ópticas a elevados ritmos.

In the last years, optical fibre communications have revealed themselves as the solution for the increasing demand of high data rates. In fact, no other communication technology (wireline or wireless) enables transmissions at Tbps, or even tens of Tbps, as optical communications do. However, the current passive optical networks do not exhibit aggregate fibre capacity beyond 10 Gbps and operators except more from them. Therefore, a middleterm evolution of these PONs, the NG-PON2, has been discussed, being 40 and 10 Gbps the predicted down- and upstream bit rates, respectively. Nevertheless, these rates upgrades may not be enough in the future, as 3D formats, new cloud computing services, videoconferencing, on-line games and alike applications/services become to emerge. In this context, much research is being carried on. Because of the limited spectrum and the restrict bandwidth of the electronic devices that complement the optical transmission system, high spectral efficiency is a requirement and consequently, the use of advanced modulation formats. The intrinsic employment of coherent detection and digital signal processing provides compensation techniques that increase hugely the performance of the system. Once the increasing number of bits per symbol requires higher optical signal-to-noise ratio and makes the system more sensitive to fibre nonlinearities and laser phase noise, these compensation algorithms become essential. This thesis provides an ample overview of coherent optical systems, which includes an extensive presentation of external modulators, a theoretical study of modulation formats and pulse shaping, a description of compensation algorithms and detection techniques and finally, simulations and laboratory results that will provide a conclusion about what is the most suited advanced modulation format for high data rates optical transmissions.