Σχήματα διαμόρφωσης ανώτερης τάξης για οπτικές τηλεπικοινωνίες σε οπτικά δίκτυα κορμού και πρόσβασης νέας γενιάς

Abstract

Today’s information society relies to an unprecedented extent on broadband communication solutions, with applications such as high-speed Internet access, mobile voice and data services, multimedia broadcast systems, and high-capacity data networking for grid computing and remote storage. Up to now, the demands on data-bandwidth and global IP-traffic handling induced by these applications were adequately addressed by legacy optical networks, exploiting WDM techniques with line rates up to 40 Gb/s per-channel and simple light-encoding schemes based on binary optical modulation. However, even though these traditional light-encoding schemes have dominated in these networks so far, the truth is that soon they will be unable to cope with the complexity and ultra-fast bitrates that the new Zettabyte Era imposes. Recent forecasts on broadband connectivity have reported that in 2014 the total amount of networked devices have officially surpassed the number of people on Earth and by the end of 2016 global IP traffic will experience a Compound Annual Growth Rate of about 29% in the next 3 years, reaching 1.3 zettabytes/year.Fortunately, at the turn of the millennium, this situation started to change significantly. Today, advances in high-speed electronics and optoelectronics are not only used to further push per-channel data rates, but also to increase the sophistication of transponder hardware. Advanced optical modulation formats and sophisticated digital signal processing (DSP) techniques on network transceivers, together with/without coherent reception are currently gaining momentum. This situation is evident not only in industry, with the demonstration of state-of-the-art 100 Gb/s network transponders for core network applications, but also in research where sophisticated modulation formats start to penetrate in optical access scenarios. Following the trend in academia and industry, the scope of my PhD dissertation targets on solving the potential capacity crunch on current and next-generation long haul and access networks by exploring techniques to increase the achievable data rates, spectral efficiency and their overall transmission reach.Coping with the current standards on 100 Gb/s DWDM applications for long haul networks, the first part of my PhD Thesis, focuses on the study of 28 and 32 Gbaud QPSK modulation formats with and without Polarization Multiplexing (PM) over Brownfield and Greenfield optical networks. This study involves the design, development and the implementation of long-reach transmission experiments in combination with direct or coherent detection and DSP at the receiver side, both with simulations and actual laboratory experiments held in PCRL premises at National Technical University of Athens. Additionally, aiming to higher spectral efficiencies and foreseeing that the forthcoming 400 Gb/s Ethernet applications will follow soon, a special investigation on optical 16-QAM, 32-QAM and 64-QAM signal modulation is reported thoroughly, covering the stages of their generation, transmission and demodulation with novel DSP algorithms in a standard coherent detection receiver. Finally, the study on the suitability of the advanced modulation formats in ultra-high long-haul networks is verified with the successful demonstration of a WDM field-trial transmission experiment in a preinstalled optical fiber network of the national operator of Italy- Telecom Italia. The trial involved the transmission and the evaluation of a 422 Gb/s WDM channel with mixed modulation formats over a 50 GHz grid in realistic network conditions. The optical modulation formats used were 28 Gbaud PM QPSK (112 Gb/s), 43 Gb/s PSK and 10 Gbaud (40 Gb/s) 16-QAM.The second part of my PhD dissertation focuses on the introduction of novel advanced modulation format techniques in the so called “last mile” of the optical network, aiming to address current bandwidth bottleneck offering enhanced bit-rates and high spectral efficiencies to the end-user. More specifically, the PhD thesis reports on the design, development and experimental demonstrations in PCRL premises of novel, low cost and low complexity transceiver scenarios for next generation and future access for Passive Optical Network (PON) architectures. These designs are able to handle optical traffic beyond 20 Gb/s either with 4-PAM or more sophisticated constellation diagrams such as: QPSK, 8-, 12- and 16-QAM with coherent detection and DSP. Advancing current-state-of-the art in optical transceivers for future access found in literature, the generation and detection of these advanced modulation formats is implemented with a combination of low-cost, low power-consumption and low-complexity optical modulators, based on Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) and Electroabsorption Modulators (EAMs), together with novel DSP signal-demodulation techniques on the transmitter and receiver side, respectively.

Η σημερινή κοινωνία της πληροφορίας βασίζεται όλο και περισσότερο σε σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές λύσεις για να ικανοποιήσει τις ανάγκες διαφόρων πτυχών της καθημερινότητας, χρησιμοποιώντας κατά κόρον ευρυζωνικές εφαρμογές όπως η γρήγορη πρόσβαση στο διαδίκτυο, οι κινητές υπηρεσίες φωνής και δεδομένων, η κατανεμημένη επεξεργασία δεδομένων, οι υπηρεσίες απομακρυσμένης αποθήκευσης, δεδομένων, το cloud – computing, κτλ. Μέχρι σήμερα οι απαιτήσεις των εφαρμογών αυτών για όλο και περισσότερη χρήση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των δικτύων, ικανοποιούνται σε ένα μεγάλο βαθμό από οπτικά δίκτυα προηγούμενης γενιάς, τα οποία βασίζονται στην τεχνική πολυπλεξίας ως προς το μήκος κύματος WDM χρησιμοποιώντας διαμορφωμένα κανάλια δυαδικών σχημάτων διαμόρφωσης και σε ρυθμούς μετάδοσης έως 40 Gb/s ανά κανάλι. Παρόλο που οι συμβατικές αυτές μέθοδοι είχαν κυριαρχήσει τα προηγούμενα χρόνια στο σχεδιασμό των οπτικών δικτύων μετάδοσης, η αλήθεια είναι ότι τα επόμενα χρόνια δεν θα είναι σε θέση να ανταπεξέρθουν στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση εύρους ζώνης για τις καινούριες υπηρεσίες ευρυζωνικότητας της σύγχρονης εποχής. Πρόσφατες προβλέψεις για την ευρυζωνική διασυνδεσιμότητα αναφέρουν ότι το 2014 ο συνολικός αριθμός των διασυνδεδεμένων συσκευών στο διαδίκτυο ξεπέρασε και επίσημα τον παγκόσμιο πληθυσμό της γης και μέχρι το 2016 ο παγκόσμια IP κίνηση δεδομένων θα αυξηθεί με έναν ετήσιο ρυθμό κατά 29%, αγγίζοντας τα επόμενα 3 χρόνια τα 1.3 Zettabyte/ χρόνο.Ευτυχώς, μέσα στη πρώτη δεκαετία του 21 αιώνα η κατάσταση στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα άρχισε να αλλάζει σημαντικά. Έως τώρα, η μεγάλη ανάπτυξη που σημειώθηκε στην τεχνολογία των υψίρρυθμων οπτο-ηλεκτρονικών κυκλωμάτων δεν χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην αύξηση του ρυθμού μετάδοσης των διαμορφωμένων καναλιών, αλλά παρέχει και μεγάλο επικουρικό ρόλο στην ανάπτυξη πιο εξελιγμένων κυκλωμάτων για τους πομποδέκτες των δικτύων. Η σύγχρονη τάση που αρχίζει να ενσωματώνεται και να αφομοιώνεται σταδιακά στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα είναι αυτή της τεχνολογίας των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης τάξης για την κωδικοποίηση των δεδομένων σε συνδυασμό με τελευταίας-τεχνολογίας τεχνικών σύμφωνης φώρασης με αλγορίθμους ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος στο δέκτη. Η κατάσταση αυτή δεν είναι ορατή μόνο στις σύγχρονες τάσεις της βιομηχανίας των τηλεπικοινωνιών με την επίδειξη σύγχρονων πομποδεκτών των 100 Gb/s ανά οπτικό κανάλι για τις εφαρμογές των δικτύων κορμού, αλλά και στην ερευνητική δραστηριότητα για τα μελλοντικά οπτικά δίκτυα πρόσβασης όπου διαφορετικές τεχνικές για την οπτική διαμόρφωση με σχήματα ανώτερης τάξης αρχίζουν να εμφανίζονται στο προσκήνιο. Μέσα σε αυτά τα πλαίσια και ακολουθώντας τις σύγχρονες αυτές τάσεις, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην διερεύνηση πιθανών τρόπων για την αύξηση: της χωρητικότητας των οπτικών δικτύων μετάδοσης, της φασματικής αποδοτικότητας των διαμορφωμένων καναλιών, του συνολικού ρυθμού μετάδοσης και της συνολικής απόστασης μετάδοσης των διαμορφωμένων καναλιών, μέσω της τεχνολογίας των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης τάξης τόσο στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα κορμού όσο και στα δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς.Εναρμονιζόμενο και με τα τελευταία πρότυπα για τη μετάδοση 100 Gb/s ανά κανάλι στα σύγχρονα οπτικά WDM δίκτυα κορμού, το πρώτο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζει στη μελέτη των σχημάτων διαμόρφωσης 28 και 32 Gbaud QPSK με η χωρίς πολυπλεξία ως προς τη πόλωση [Polarization Multiplexing – (PM)] σε πειράματα μετάδοσης για οπτικά δίκτυα κορμού τύπου Brownfield ή Greenfield. Η μελέτη αυτή περιλαμβάνει το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την υλοποίηση πειραμάτων μετάδοσης μεγάλων χιλιομετρικών αποστάσεων, είτε μέσω προσομοιώσεων είτε μέσω εργαστηριακών πειραμάτων επίδειξης στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (Ε.Φ.Ε) του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. Επιπλέον, στοχεύοντας σε μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης και δεδομένου ότι οι ρυθμοί των 400 Gb/s και 1 Tb/s θα ακολουθήσουν σύντομα στα μελλοντικά οπτικά δίκτυα κορμού, η διατριβή διερευνά τα σχήματα διαμόρφωσης 16-QAM, 32-QAM και 64-QAM ως πιθανές υποψήφιες τεχνολογίες καλύπτοντας τα στάδια διαμόρφωσης, της μετάδοσης και της σύμφωνης λήψης τους με πρωτότυπους DSP αλγόριθμούς στο δέκτη. Τέλος, η καταλληλότητα της τεχνολογίας των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης γενιάς για χρήση στα οπτικά WDM δίκτυα κορμού μεγάλων αποστάσεων, επαληθεύεται μέσω μιας πειραματικής WDM μετάδοσης σε δοκιμή πεδίου του εθνικού Ιταλικού παρόχου τηλεπικοινωνιών. Η δοκιμή πεδίου περιλάμβανε την αξιολόγηση ενός WDM καναλιού με συνολικό ρυθμό μετάδοσης 422 Gb/s σε φασματικό πλέγμα των 50 GHz, διαμορφώνοντας οπτικά κανάλια με σχήματα διαμόρφωσης 28-32 Gbaud (112 Gb/s) DP-QPSK, 43 Gb/s SP-DPSK και 10 Gbaud (40 Gb/s) 16-QAM.Το δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνά την ενσωμάτωση των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης τάξης στα οπτικά δίκτυα πρόσβασης, στοχεύοντας στην επίλυση του ανασχετικού παράγοντα του διαθέσιμου εύρους ζώνης των τωρινών παθητικών οπτικών δικτύων πρόσβασης PONs με την αύξηση της φασματικής αποδοτικότητας των διαμορφωμένων καναλιών και του αριθμού των εξυπηρετούμενων τελικών χρηστών. Ειδικότερα, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει πρωτότυπα οπτο-ηλεκτρονικά κυκλώματα μη συμβολομετρικών πομποδεκτών τα οποία σχεδιάστηκαν, αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν σε εργαστηριακά πειράματα μετάδοσης στο Ε.Φ.Ε, επιδεικνύοντας μεγάλη φασματική αποδοτικότητα με χαμηλό κόστος και πολυπλοκότητα. Οι συγκεκριμένες προτάσεις είναι ικανές να διαχειριστούν οπτικά διαμορφωμένα κανάλια πέραν των 20 Gb/s με το σχήμα διαμόρφωσης 4-PAM, είτε πιο εξελιγμένα σχήματα διαμόρφωσης όπως \: QPSK, 8-QAM, 12-QAM και 16-QAM σε συνδυασμό με τεχνικές σύμφωνης φώρασης και DSP στο δέκτη. Τα κυκλώματα των πομποδεκτών που παρουσιάζονται βασίζονται στους μη συμβολομετρικούς διαμορφωτές των ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών [(Semiconductor-Optical Amplifiers - (SOA)], ως διαμορφωτές της φάσης ή της έντασης του οπτικού πεδίου, και στους διαμορφωτές ηλεκτρο-απορρόφησης [Electro-Absorption Modulators] ως διαμορφωτές της έντασης του πεδίου, επιδεικνύοντας χαμηλή πολυπλοκότητα, δυνατότητα ολοκλήρωσης σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο πλινθίο και δυνατότητα ενσωμάτωσης ως κυκλώματα πομποδεκτών στα οπτικά τερματικά του δικτύου στα νέας γενιάς οπτικά δίκτυα PONs.