All-optical add-drop multiplexer for OFDM signals

We summarize our research work on the design and development of an add-drop multiplexer for spectrally overlapping OFDM signals. The standard node functions of sub-channel drop, extraction and insertion were obtained whilst the signals remained fully in the optical domain. Numerical simulations have been carried out to identify the main sources of degradation and to benchmark the architectural performance against critical design parameters, whereas the experimental demonstration of the scheme has been achieved for both single quadrature and dual quadrature signals. The reported scheme enables a fully flexible node compatible with future terabit per second super-channel transmission.

Generation of drifting optical pulses

The radiation in the form of Airy and Gaussian optical pulses is investigated. It is shown that the pulse envelope moves decelerating in the time-spatial coordinates on the surface of a parabolic cylinder for the Airy pulse and a hyperbolic cylinder for the Gaussian. © 2013 IEEE.

Novel cost-effective PON-to-mm-wave RoF photonic bridge for multigigabit access networks

A novel low-cost photonic PON-to-RoF bridge is presented, allowing simultaneous wireline and wireless multi-Gbps data transmission with minor impact on deployed PON networks. Simulation results show that the proposed scheme does not require narrow-linewidth lasers when envelope detector mobile terminals are used, since the transmission performance is not limited by the phase noise but by the RIN and the frequency difference between the two beating lasers. © 2013 IEEE.

Impact of reduced complexity inverse Volterra series transfer function-based nonlinear equalizer in coherent OFDM systems for next-generation core networks

A modern electronic nonlinearity equalizer (NLE) based on inverse Volterra series transfer function (IVSTF) with reduced complexity is applied on coherent optical orthogonal frequency-division multiplexing (CO-OFDM) signals for next-generation long- and ultra-long-haul applications. The OFDM inter-subcarrier crosstalk effects are explored thoroughly using the IVSTF-NLE and compared with the case of linear equalization (LE) for transmission distances of up to 7000 km. © 2013 IEEE.

Reductions of peak-to-average power ratio and optical beat interference in cost-effective OFDMA-PONs

The peak-to-average power ratio (PAPR) and optical beat interference (OBI) effects are examined thoroughly in orthogonal frequency-division multiplexing access (OFDMA)-passive optical networks (PONs) at a signal bit rate up to ∼ 20 Gb/s per channel using cost-effective intensity-modulation and direct-detection (IM/DD). Single-channel OOFDM and upstream multichannel OFDM-PONs are investigated for up to six users. A number of techniques for mitigating the PAPR and OBI effects are presented and evaluated including adaptive-loading algorithms such as bit/power-loading, clipping for PAPR reduction, and thermal detuning (TD) for the OBI suppression. It is shown that the bit-loading algorithm is a very efficient PAPR reduction technique by reducing it at about 1.2 dB over 100 Km of transmission. It is also revealed that the optimum method for suppressing the OBI is the TD + bit-loading. For a targeted BER of 1 × 10-3, the minimum allowed channel spacing is 11 GHz when employing six users. © 2013 Springer Science+Business Media New York.

Enhanced spectral compression in nonlinear optical fibres

We propose two new approaches to enhance the spectral compression process arising from nonlinear pulse propagation in an optical fibre. We numerically show that an additional sinusoidal temporal phase modulation of the pulse enables efficient reduction of the intensity level of side lobes in the spectrum. Another strategy is to select a regime of propagation in which normal group-velocity dispersion reshapes the initial stretched pulse to a near-Fourier-transform-limited rectangular waveform.

The effect of high optical power on modern fibre at 1.5 μm

Here we study the impact of high optical power, within the C-band, on the reliability of modern single mode fibre. Our experiments show that modern fibre demonstrates >10 dB higher power handling performance beyond what has previously been reported.

Miniature optical delay lines and buffers

Creation of miniature optical delay lines and buffers is one of the greatest challenges of the modern photonics which can revolutionize optical communications and computing. Several remarkable designs of slow light optical delay lines employing coupled ring resonators and photonic crystal waveguides has been suggested and experimentally demonstrated. However, the insertion loss of these devices is too large for their practical applications. Alternatively, the recently developed photonic fabrication platform, Surface Nanoscale Axial Photonics (SNAP) allows us to fabricate record small delay lines with unprecedentedly small dispersion and low loss. In this report, we review the recent progress in fabrication and design of miniature slow light devices and buffers, in particular, those based on the SNAP technology.

Temporal scaling of optical rogue waves in unidirectional ring fiber laser

A fiber mode-lock laser allows generation of the optical rogue wave (ORW) at different time scales. The criteria for distinguishing between them is a comparison of the event lifetime with the main characteristic time of the system. The characteristic time can be estimated from the decay of an autocorrelation function (AF). Thus, in comparison with AF characteristic time, fast optical rogue wave (FORW) events have duration less than the AF decay time and it appeared due to pulse-pulse interaction and nonlinear pulses dynamics. While slow optical rogue wave (SORW) have a duration much more longer than the decay time of the AF which it papered due to hopping between different attractors. Switching between regimes can be managed by change the artificial birefringence that induced in a laser cavity. For understanding the role playing by the periodical amplification and the resonator, we have performed an unidirectional fiber laser experiments without a saturable absorber. This laser experiment allowed to generate of most of the RW patterns which were either observed experimentally or predicted theoretically. In this way, we have observed the generation of an FORW along with SORW under similar conditions. Most of the patterns were found to be mutually exclusive which means that only one RW mechanism was realized in each regime of generation.

Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde.

Graphene-based nanostructures: Plasmonics in the THz range

The properties of surface plasmon-polaritons (SPPs) in graphene are discussed and several possible ways of coupling electromagnetic radiation in the terahertz (THz) spectral range to this type of surface waves are described: (i) the attenuated total reflection (ATR) method employing a prism, (ii) graphene-based gratings or graphene monolayers with modulated conductivity, (iii) a metal stripe on top of the graphene layer, and (iv) a nanoparticle located above it. Potentially interesting for applications SPP effects, such as switching, modulation and polarization of THz radiation, as well as its enhanced absorption in graphene, are considered. The discussion also concerns the impact of the nonlinear properties of graphene, such as optical bistability.

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Routage adaptatif et qualité de service dans les réseaux optiques à commutation de rafales

Les réseaux optiques à commutation de rafales (OBS) sont des candidats pour jouer un rôle important dans le cadre des réseaux optiques de nouvelle génération. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et au provisionnement de la qualité de service dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la capacité du routage multi-chemins et du routage alternatif (par déflection) à améliorer les performances des réseaux OBS, pro-activement pour le premier et ré-activement pour le second. Dans ce contexte, nous proposons une approche basée sur l’apprentissage par renforcement où des agents placés dans tous les nœuds du réseau coopèrent pour apprendre, continuellement, les chemins du routage et les chemins alternatifs optimaux selon l’état actuel du réseau. Les résultats numériques montrent que cette approche améliore les performances des réseaux OBS comparativement aux solutions proposées dans la littérature. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons au provisionnement absolu de la qualité de service où les performances pire-cas des classes de trafic de priorité élevée sont garanties quantitativement. Plus spécifiquement, notre objectif est de garantir la transmission sans pertes des rafales de priorité élevée à l’intérieur du réseau OBS tout en préservant le multiplexage statistique et l’utilisation efficace des ressources qui caractérisent les réseaux OBS. Aussi, nous considérons l’amélioration des performances du trafic best effort. Ainsi, nous proposons deux approches : une approche basée sur les nœuds et une approche basée sur les chemins. Dans l’approche basée sur les nœuds, un ensemble de longueurs d’onde est assigné à chaque nœud du bord du réseau OBS pour qu’il puisse envoyer son trafic garanti. Cette assignation prend en considération les distances physiques entre les nœuds du bord. En outre, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour améliorer les performances des rafales best effort. Dans l’approche basée sur les chemins, le provisionnement absolu de la qualité de service est fourni au niveau des chemins entre les nœuds du bord du réseau OBS. À cette fin, nous proposons une approche de routage et d’assignation des longueurs d’onde qui a pour but la réduction du nombre requis de longueurs d’onde pour établir des chemins sans contentions. Néanmoins, si cet objectif ne peut pas être atteint à cause du nombre limité de longueurs d’onde, nous proposons de synchroniser les chemins en conflit sans le besoin pour des équipements additionnels. Là aussi, nous proposons un algorithme de sélection des longueurs d’onde pour les rafales best effort. Les résultats numériques montrent que l’approche basée sur les nœuds et l’approche basée sur les chemins fournissent le provisionnement absolu de la qualité de service pour le trafic garanti et améliorent les performances du trafic best effort. En outre, quand le nombre de longueurs d’ondes est suffisant, l’approche basée sur les chemins peut accommoder plus de trafic garanti et améliorer les performances du trafic best effort par rapport à l’approche basée sur les nœuds.

Optimal Traffic Grooming in WDM using Lighttours

Recent developments in optical communications have allowed simpler optical devices to improve network resource utilization. As such, we propose adding a lambda-monitoring device to a wavelength-routing switch (WRS) allowing better performance when traffic is routed and groomed. This device may allow a WRS to aggregate traffic over optical routes without incurring in optical-electrical-optical conversion for the existing traffic. In other words, optical routes can be taken partially to route demands creating a sort of "lighttours". In this paper, we compare the number of OEO conversions needed to route a complete given traffic matrix using either lighttours or lightpaths