Μελέτη φυσικού στρώματος σύμφωνων οπτικών δικτύων

Abstract

Bandwidth requirements double up every three years. The main amount of this traffic is carried out by optical networks which form the backbone of communication systems. Accordingly, optical fiber has been designated as the ideal telecommunication channel allowing to achieve rates of tens of Terabits per second transmitted over thousands of kilometers. Such enormous data rates are mandated in order to meet the exponentially increasing data traffic. Unfortunately, by stressing the current technology to its limits, we have found that the experimental achieved capacity has reached a plateau of 100 Tb/s for a single fiber. To overcome this “capacity crunch”, novel optical transmission technologies have to be introduced such as new modulation formats, new transmission fibers and new multiplexing technologies at the coming years. In this thesis we study the coherent optical systems and in particular we derive closed-form expressions which calculate the power of the dominant nonlinear effect which is Four Wave Mixing (FWM). Assuming that the signal approaches Gaussian distribution when FWM dominates, we can simply add the calculated FWM crosstalk along with ASE noise in a performance metric similar to OSNR and readily calculate BER. This approach eases performance estimation ensuring very good accuracy over a wide range of critical system parameters. Moreover, the derived expressions can be used for optimization in terms of BER, transmission length, system capacity, amplifier spacing etc. Depending on the installed modules (i.e. transmitters, receivers, amplifiers etc.) the performance of optical systems can vary greatly and as a consequence performance estimation mandates analytical solutions adapted in each particular case. Accordingly, the proposed simplified expressions of this thesis can model various transmission systems such as systems with and without guard band, uncompensated and dispersion managed systems, fixed-grid and flex-grid systems, homogeneous and heterogeneous systems depending on if identical or non-identical fiber spans are assumed etc. The proposed closed-form expression for the flex-grid case can be considered as a “universal” solution which can be applied in all the aforementioned systems, demonstrating very good accuracy. For the derivation of the proposed expressions we start from the exact FWM model which is approximated for different scenarios. The accuracy of the resulting expressions is verified by comparing them against 1) the exact FWM model and 2) numerical results using a commercial simulation tool, where the fiber is modeled using Split Step Fourier Method (SSFM). The simplified models are extensively tested in a wide range of system parameters and configurations, modeling more practical systems than the existing models of the literature. It is worth mentioning that the most general expression, developed in this thesis, can calculate the performance of any channel or superchannel of the spectrum, accounting for any channel distribution at the spectrum as well as considering that the channels can have different power levels. Consequently, this model can be used as an integral part of Routing and Spectrum Assignment Algorithms (RSA) which take into account physical layer constraints and can be used for dynamic resource allocation and optimization of various system parameters such as channel power, bandwidth, modulation format etc.Performance estimation is an inevitable process for optical engineers who aim to upgrade or optimize transmission systems. Accordingly, the proposed models of this thesis are compact and can be used for fast and accurate performance prediction whilst they can be easily used to optimize or explore the limits of the current installed systems in terms of capacity, performance, transmission length etc.

Τα οπτικά δίκτυα τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναδειχθεί ως ο κορμός των συστημάτων επικοινωνίας ο οποίος στηρίζει την εκθετικά αυξανόμενη ζήτηση για εύρος ζώνης κυρίως λόγω του video streaming αλλά και άλλων σύγχρονων εφαρμογών όπως εφαρμογές υπηρεσιών υγείας, πανεπιστημιακές, βιομηχανικές κλπ. Η ζήτηση αυτή επιταχύνεται επίσης λόγω της σύνδεσης στο ίντερνετ όλο και περισσότερων ασύρματων συσκευών οι οποίες με τη σειρά τους αυξάνουν τον όγκο της κίνησης σε παγκόσμιο επίπεδο. Σαν συνέπεια, βασικοί στόχοι των οπτικών επικοινωνιών είναι τόσο η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας των ήδη εγκατεστημένων συστημάτων όσο και η εύρεση νέων όπως π.χ. νέοι τρόποι διαμόρφωσης, νέα είδη ίνας, τα οποία θα παράσχουν ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης.Η παρούσα διατριβή έχει σκοπό τη μελέτη των συμφώνων οπτικών συστημάτων και πιο συγκεκριμένα τη δημιουργία αναλυτικών μοντέλων τα οποία υπολογίζουν με ακρίβεια την κυρίαρχη πηγή μη γραμμικότητας που είναι η μίξη τεσσάρων κυμάτων (Four Wave Mixing-FWM). Κάνοντας τη θεώρηση ότι το σήμα πλησιάζει Gaussian κατανομή όταν το FWM κυριαρχεί, μπορούμε να αθροίσουμε την ισχύ του FWM με την ισχύ του θορύβου ASE του ενισχυτή σε ένα μέγεθος αντίστοιχο του OSNR το οποίο εν συνεχεία εισάγεται άμεσα στον μαθηματικό τύπο του BER. Η απλή αυτή προσέγγιση δίνει τη δυνατότητα για εύκολο και γρήγορο υπολογισμό της απόδοσης των σύμφωνων οπτικών συστημάτων λαμβάνοντας υπόψη διάφορες παραμέτρους του συστήματος. Η σχέση αυτή επιπλέον μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ελαχιστοποίηση του BER ανά κανάλι ή για βελτιστοποίηση διαφόρων παραμέτρων όπως π.χ. η χωρητικότητα ή η απόσταση μετάδοσης για δεδομένο BER λειτουργίας. Τα οπτικά συστήματα μετάδοσης αναλόγως τα εγκατεστημένα στοιχεία που διαθέτουν, μπορεί να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους, οπότε η εκτίμηση της απόδοσης απαιτεί διαφορετικές προσαρμογές ή ακόμη και διαφορετικές αναλυτικές εκφράσεις σε κάθε περίπτωση. Τα αναλυτικά μοντέλα που προτείνουμε, βρίσκουν εφαρμογή σε ένα μεγάλο εύρος διαφορετικών συστημάτων όπως είναι π.χ. συστήματα που περιέχουν κανάλια με συνεχές φάσμα με και χωρίς guard-band μεταξύ τους, μετάδοση σε συστήματα με και χωρίς οπτική αντιστάθμιση διασποράς in-line, συστήματα fixed-grid ή flex-grid και τέλος συστήματα με ίνες ίδιου ή διαφορετικού μήκους. Η αναλυτική έκφραση που προτείνουμε για τα συστήματα flex-grid μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα καθολικό (global) μοντέλο το οποίο μπορεί να μοντελοποιήσει όλα τα προαναφερόμενα συστήματα.Για τη δημιουργία των αναλυτικών μοντέλων έχουμε ως αφετηρία το ακριβές μοντέλο του FWM το οποίο και απλοποιούμε για τα διαφορετικά σενάρια. Η ακρίβεια των δημιουργούμενων μοντέλων πιστοποιείται τόσο συγκρίνοντάς τα με το ακριβές μοντέλο σε ένα μεγάλο εύρος παραμέτρων του συστήματος, όσο και συγκρίνοντάς τα με αριθμητική μέθοδο. Από τις συγκρίσεις αυτές αποδεικνύεται ότι τα μοντέλα αυτά είναι πιο ακριβή από τα υπόλοιπα μοντέλα της βιβλιογραφίας σε ένα μεγάλο εύρος ρεαλιστικών παραμέτρων καθώς επίσης μοντελοποιούν περισσότερα συστήματα από ότι τα μοντέλα της βιβλιογραφίας. Αξίζει να σημειωθεί ότι η πιο γενική μαθηματική έκφραση που προτείνουμε, υπολογίζει την ισχύ οποιουδήποτε καναλιού ή superchannel στο φάσμα, θεωρώντας οποιαδήποτε κατανομή καναλιών στο φάσμα. Σαν συνέπεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για βελτιστοποίηση διάφορων παραμέτρων του συστήματος (όπως π.χ ισχύς) με σκοπό την εισαγωγή της σε αλγορίθμους δρομολόγησης οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τα φαινόμενα που υποβαθμίζουν την ποιότητα του οπτικού σήματος κατά τη μετάδοση.Πρακτική εφαρμογή των μοντέλων αυτών αποτελεί η χρήση τους από μηχανικούς οπτικών συστημάτων οι οποίοι χρειάζονται αναλυτικά μοντέλα γρήγορα και ακριβή, τα οποία μπορούν να εκτιμούν την απόδοση των συστημάτων που θέλουν να εγκαταστήσουν κάθε φορά, ή να δίνουν τη δυνατότητα βελτιστοποίησης των υπαρχόντων συστημάτων ως προς τη χωρητικότητα, την απόδοση, το μήκος μετάδοσης κλπ.