Design and optimization of optical routing techniques and devices

Abstract

Este trabalho apresenta três estudos principais acerca do desenvolvimento e aplicação de sistemas de monitorização óptica avançados com base na análise de histogramas assíncronos, conversão de comprimento de onda de sinais de débito elevado e o impacto das não-linearidades das fibra ópticas em sistemas utilizando técnicas avançadas de transmissão. Mostra-se que a comparação de histogramas assíncronos com histogramas de referência pode ser usada para extrair informação a respeito da qualidade e do ruído que afecta o sinal em análise. O método proposto é validado através de simulação numérica e experiência. Um modelo analítico para a computação das limitações em frequência da modulação cruzada de fase (XPM) em conversores de comprimento de onda de fibra é proposto e validado através de simulação numérica até frequências de modulação acima de 1 THz. O modelo proposto permite a derivação de regras de engenharia para o dimensionamento de conversores de comprimento de onda compostos por espelhos de fibra não linear. O dimensionamento de um novo filtro para a optimização da conversão da XPM em modulação de intensidado é proposto e validado por simulação numérica. O impacto das não-linearidades na transmissão em fibra óptica de sinais de banda lateral única a 10 Gb/s com compensação de dispersão concentrada é avaliado através de simulação numérica. Mostra-se que as não-linearidades intra-canal levam a severa degradação do desempenho. A degradação de sinais de chaveamento por desvio diferencial de fase (DPSK) a 40 Gb/s devida a XPM com sinais de chaveamento por desvio de amplitude herdados de sistemas anteriores é também analisada. Uma análise bomba-sonda mostra que a degradação do sinal resulta da modulação de intensidade induzida por XPM. Este resultado permite a derivação de um modelo para estimar a probabilidade de erro dos sinais DPSK degradados por XPM. Finalmente, é apresentada uma abordagem analítica baseada em pequenas perturbações para o estudo de não linearidades intra-canal em fibra óptica em sinais com razão de extinção finita. Este estudo permite a identificação de duas novas formas de degradação tomando a forma de impulsos entre diferentes símbolos e fluctuações temporais e de amplitude.

This work presents three main studies regarding the development and application of advanced optical monitoring systems based on the analysis of asynchronous amplitude histograms, the wavelength conversion of ultra-high bit-rate signals, and the impact of fiber nonlinearities in systems employing advanced transmission techniques. It is shown that asynchronous amplitude histograms may be numerically compared with reference histograms to extract information regarding quality and the noise degrading the signal under analysis. The proposed method is validated through numerical simulation and experiment. An analytical model to compute the frequency limitations of cross-phase modulation (XPM) in all-optical fiber wavelength converters is proposed and validated using numerical simulation at modulation frequencies exceeding 1 THz. The proposed model allows deriving engineering rules for the dimensioning of wavelength converters using nonlinear optical loop mirrors. A novel filter design to optimize the conversion of XPM-induced phase modulation in intensity modulation is proposed and validated using numerical simulation. Numerical simulation is used to evaluate the impact of fiber nonlinearities in the transmission of 10 Gb/s single sideband signals in links using concentrated electrical or optical dispersion compensation. It is shown that, intra-channel fiber nonlinearities severely degrade the performance. The degradation of 40 Gb/s differential phase-shift-keying (DPSK) signals due to XPM with legacy amplitude-shift keying signals is also analyzed. Pump-probe analysis show that the signal degradation results from XPM-induced intensity modulation. This allows deriving and validating a novel analytical model to estimate the bit-error probability of the XPM-degraded DPSK signals. Finally, an analytical smallperturbations approach to the study of intra-channel fiber nonlinearities in signals with finite extinction ratio is presented. It allows the identification of two new forms of degradation taking the form of impulses between symbols and amplitude and temporal jitter.