Coherent technologies for flexible optical networks

Abstract

Next-generation networks enable a broad range of innovative services with the best delivery by utilizing very dense wired/wireless networks. However, the development of future networks will require several breakthroughs in optical networks such as high-performance optical transceivers to support a very-high capacity optical network as well as optimization of the network concept, ensuring a dramatic reduction of the cost per bit. At the same time, all of the optical network segments (metro, access, long-haul) need new technology options to support high capacity, spectral efficiency and data-rate flexibility. Coherent detection offers an opportunity by providing very high sensitivity and supporting high spectral efficiency. Coherent technology can still be combined with polarization multiplexing. Despite the increased cost and complexity, the migration to dual-polarization coherent transceivers must be considered, as it enables to double the spectral efficiency. These dual-polarization systems require an additional digital signal processing (DSP) subsystem for polarization demultiplexing. This work seeks to provide and characterize cost-effective novel coherent transceivers for the development of new generation practical, flexible and high capacity transceivers for optical metro-access and data center interconnects. In this regard, different polarization demultiplexing (PolDemux) algorithms, as well as adaptive Stokes will be considered. Furthermore, low complexity and modulation format-agnostic DSP techniques based on adaptive Stokes PolDemux for flexible and customizable optical coherent systems will be proposed. On this subject, the performance of the adaptive Stokes algorithm in an ultra-dense wavelength division multiplexing (U-DWDM) system will be experimentally evaluated, in offline and real-time operations over a hybrid optical-wireless link. In addition, the efficiency of this PolDemux algorithm in a flexible optical metro link based on Nyquist pulse shaping U-DWDM system and hybrid optical signals will be assessed. Moreover, it is of great importance to find a transmission technology that enables to apply the Stokes PolDemux for long-haul transmission systems and data center interconnects. In this work, it is also proposed a solution based on the use of digital multi-subcarrier multiplexing, which improve the performance of long-haul optical systems, without increasing substantially, their complexity and cost.

As redes de telecomunicações futuras permitirão uma ampla gama de serviços inovadores e com melhor desempenho. No entanto, o desenvolvimento das futuras redes implicará vários avanços nas redes de fibra ótica, como transcetores óticos de alto desempenho capazes de suportar ligações de muito elevada capacidade, e a otimização da estrutura da rede, permitindo uma redução drástica do custo por bit transportado. Simultaneamente, todos os segmentos de rede ótica (metropolitanas, acesso e longo alcance) necessitam de novas opções tecnológicas para suportar uma maior capacidade, maior eficiência espetral e flexibilidade. Neste contexto, a deteção coerente surge como uma oportunidade, fornecendo alta sensibilidade e elevada eficiência espetral. A tecnologia de deteção coerente pode ainda ser associada à multiplexação na polarização. Apesar de um potencial aumento ao nível do custo e da complexidade, a migração para transcetores coerentes de dupla polarização deve ser ponderada, pois permite duplicar a eficiência espetral. Esses sistemas de dupla polarização requerem um subsistema de processamento digital de sinal (DSP) adicional para desmultiplexagem da polarização. Este trabalho procura fornecer e caracterizar novos transcetores coerentes de baixo custo para o desenvolvimento de uma nova geração de transcetores mais práticos, flexíveis e de elevada capacidade, para interconexões óticas ao nível das futuras redes de acesso e metro. Assim, serão analisados diferentes algoritmos para a desmultiplexagem da polarização, incluindo uma abordagem adaptativa baseada no espaço de Stokes. Além disso, são propostas técnicas de DSP independentes do formato de modulação e de baixa complexidade baseadas na desmultiplexagem de Stokes adaptativa para sistemas óticos coerentes flexíveis. Neste contexto, o desempenho do algoritmo adaptativo de desmultiplexagem na polarização baseado no espaço de Stokes é avaliado experimentalmente num sistema U-DWDM, tanto em análises off-line como em tempo real, considerando um percurso ótico hibrido que combina um sistema de transmissão suportado por fibra e outro em espaço livre. Foi ainda analisada a eficiência do algoritmo de desmultiplexagem na polarização numa rede ótica de acesso flexível U-DWDM com formatação de pulso do tipo Nyquist. Neste trabalho foi ainda analisada a aplicação da técnica de desmultiplexagem na polarização baseada no espaço de Stokes para sistemas de longo alcance. Assim, foi proposta uma solução de aplicação baseada no uso da multiplexagem digital de múltiplas sub-portadoras, tendo-se demonstrado uma melhoria na eficiência do desempenho dos sistemas óticos de longo alcance, sem aumentar significativamente a respetiva complexidade e custo.