Advanced optical modulation and format conversion

Over the years, the increased search and exchange of information lead to an increase of traffic intensity in todays optical communication networks. Coherent communications, using the amplitude and phase of the signal, reappears as one of the transmission techniques to increase the spectral efficiency and throughput of optical channels. In this context, this work present a study on format conversion of modulated signals using MZI-SOAs, based exclusively on all- optical techniques through wavelength conversion. This approach, when applied in interconnection nodes between optical networks with different bit rates and modulation formats, allow a better efficiency and scalability of the network. We start with an experimental characterization of the static and dynamic properties of the MZI-SOA. Then, we propose a semi-analytical model to describe the evolution of phase and amplitude at the output of the MZI-SOA. The model’s coefficients are obtained using a multi-objective genetic algorithm. We validate the model experimentally, by exploring the dependency of the optical signal with the operational parameters of the MZI-SOA. We also propose an all-optical technique for the conversion of amplitude modulation signals to a continuous phase modulation format. Finally, we study the potential of MZI-SOAs for the conversion of amplitude signals to QPSK and QAM signals. We show the dependency of the conversion process with the operational parameters deviation from the optimal values. The technique is experimentally validated for QPSK modulation.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

All-optical routing functionalities

All-optical solutions for switching and routing packet-based traffic are crucial for realizing a truly transparent network. To meet the increasing requirements for higher bandwidth, such optical packet switched networks may require the implementation of digital functions in the physical layer. This scenario stimulated us to research and develop innovative high-speed all-optical storage memories, focusing mainly on bistables whose state switching is triggered by a pulsed clock signal. In clocked devices, a synchronization signal is responsible for controlling the enabling of the bistable. This thesis also presents novel solutions to implement optical logic gates, which are basic building blocks of any processing system and a fundamental element for the development of complex processing functionalities. Most of the proposed schemes developed in this work are based on SOA-MZI structures due to their inherent characteristics such as, high extinction ratio, high operation speed, high integration capability and compactness. We addressed the experimental implementation of an all-optical packet routing scheme, with contention resolution capability, using interconnected SOAMZIs. The impact on the system performance of the reminiscent power of the blocked packets, from the non ideal switching performed by the SOA-MZIs, was also assessed.

Monitoring and all-optical signal processing techniques for transparent networks

Optical networks are under constant evolution. The growing demand for dynamism require devices that can accommodate different types of traffic. Thus the study of transparent optical networks arises. This approach makes optical networks more "elegant" , due to a more efficient use of network resources. In this thesis, the author proposes devices that intend to form alternative approaches both in the state of art of these same technologies both in the fitting of this technologies in transparent optical networks. Given that full transparency is difficult to achieve with current technology (perhaps with more developed optical computing this is possible), the author proposes techniques with different levels of transparency. On the topic of performance of optical networks, the author proposes two techniques for monitoring chromatic dispersion with different levels of transparency. In Chapter 3 the proposed technique seems to make more sense for long-haul optical transmission links and high transmission rates, not only due to its moderate complexity but also to its potential moderate/high cost. However it is proposed to several modulation formats, particularly those that have a protruding clock component. In Chapter 4 the transparency level was not tested for various modulation formats, however some transparency is achieved by not adding any electrical device after the receiver (other than an analog-digital converter). This allows that this technique can operate at high transmission rates in excess of 100 Gbit / s, if electro-optical asynchronous sampling is used before the optical receiver. Thus a low cost and low bandwidth photo-detector can be used. In chapter 5 is demonstrated a technique for simultaneously monitoring multiple impairments of the optical network by generating novel performance analysis diagrams and by use of artificial neural networks. In chapter 6 the author demonstrates an all-optical technique for controlling the optical state of polarization and an example of how all-optical signal processing can fully cooperate with optical performance monitoring.