Transmission impairments mitigation in next generation coherent optical access networks

Abstract

Worldwide, the coherent technologies have revolutionized the optical communication systems, significantly increasing the capacity of the fiber channel owing to transmission of advanced modulation formats and effective mitigation of propagation impairments. However, the actual commercial solutions for long-haul core/backbone networks are still complex and costly, and therefore hardly feasible for deployment in optical access networks. In particular, the main limitations arise from the customer premises equipment whose cost, footprint and power consumption may be kept down. Thus, the optimal solutions for next generation coherent optical access are required to achieve high performance but at lower complexity and cost, since in the access scenario the cost-effectiveness takes more relevance over achieving the best system performance. The research described in this thesis primarily aims at the development of the customer equipment “namely the coherent transceiver” for a passive optical access network that implements the novel wavelength-to-the-user concept by serving hundreds of users (e.g., 256 users) with dedicated wavelengths allocated in ultra-narrow optical grid. The proposed access network features complexity-reduced coherent technologies by leveraging photonic integration, commercial low-cost lasers and optics, and consumer electronics. To this end, the thesis investigates on the main transmission impairments that affect signal integrity from source to destination in the access network, and proposes novel and enhanced mitigation strategies by either low-complexity digital signal processing or analog hardware design. The covered topics spread over both the optical transmitter and the coherent receiver subsystems. Simplified optical modulation is addressed by direct phase modulation of semiconductor lasers profiting from the laser chirp. Digital pre-equalization of non-ideal frequency response from electronic/photonic devices “such as lasers, amplifiers and data converters” is investigated, focusing on the tolerance to quantization noise from digital-to-analog converters with limited resolution. Hardware-efficient strategies for optical carrier recovery based on differential phase detection are explored in two scenarios: homodyne receivers aided by digital signal processing, or fully analog heterodyne receivers. Finally, to deal with the critical polarization matching in coherent systems, simplified architectures for polarization-independent coherent receivers using low-cost optics and simpler receiver front-end are investigated.

A nivel mundial, las tecnologías coherentes han revolucionado los sistemas de comunicaciones ópticas, aumentando significativamente la capacidad del canal de fibra gracias a la transmisión de formatos de modulación avanzados y a la mitigación efectiva de las degradaciones en la propagación. Sin embargo, las soluciones comerciales actuales para redes troncales de largo alcance siguen siendo complejas y costosas y, por lo tanto, difícilmente viables para su implementación en redes ópticas de acceso. En particular, las principales limitaciones surgen del equipo de usuario cuyo coste, tamaño y consumo de energía deben mantenerse bajos. Por lo tanto, las soluciones óptimas para las redes ópticas de acceso coherentes de nueva generación deben lograr un alto rendimiento pero con menor complejidad y coste, ya que en el escenario de acceso la relación coste-eficiencia toma más relevancia que lograr el mejor rendimiento del sistema. La investigación descrita en esta tesis se enfoca principalmente en el desarrollo del equipo de usuario, es decir, el transceptor coherente¿, para una red óptica pasiva de acceso que implementa el nuevo concepto de longitud de onda al usuario, al servir a cientos de usuarios (e.g., 256 usuarios) con longitudes de onda dedicadas y asignadas en una rejilla óptica ultra estrecha. La red de acceso propuesta implementa tecnologías coherentes de complejidad reducida al aprovechar la integración fotónica, láseres y dispositivos ópticos comerciales y de bajo coste, y electrónica de consumo. Con tal fin, la tesis investiga las principales degradaciones en la transmisión que afectan la integridad de la señal desde la fuente hasta el destino en la red de acceso, y propone nuevas y mejoradas estrategias de mitigación usando tanto procesamiento digital de señales de baja complejidad como diseño de hardware analógico. Los temas tratados abarcan desde el transmisor óptico hasta los subsistemas del receptor coherente. La modulación óptica simplificada se aborda mediante modulación directa de fase de láseres de semiconductor, aprovechando el chirp del láser. Se investiga la pre-ecualización digital de la respuesta frecuencial no ideal de dispositivos electrónicos/fotónicos tales como láseres, amplificadores y conversores de datos, centrándose en la tolerancia al ruido de cuantificación de los conversores digital-analógico con resolución limitada. Las estrategias para la recuperación de la portadora óptica basadas en la detección diferencial de fase y eficientes en hardware, se exploran en dos escenarios: receptores homodinos asistidos por procesamiento digital de señales, o receptores heterodinos completamente analógicos. Finalmente, para hacer frente al crítico ajuste de la polarización en sistemas coherentes, se investigan arquitecturas simplificadas para receptores coherentes independientes de la polarización utilizando óptica de bajo coste y un front-end óptico del receptor más simple.