Simple coherent technologies for next-generation edge optical networks

Abstract

(English) Optical fiber communications have revolutionized the telecommunications networks in all segments, leveraging a wide set of advantages ranging from THz capacity to low-loss, security and form factor. In long-haul and core networks, optical links use a plethora of properties of the electromagnetic field jointly to maximize the throughput of the deployed infrastructure, such as its frequency, phase, polarization and amplitude, enabled by coherent detection. In contrast, in access and fronthaul systems, cost-effectiveness has typically constrained the dimensions used for data transmission to amplitude and coarse frequency multiplexing, based on direct-detection. While both approaches have succeeded by optimizing link properties for their respective requirements, the growing traffic near the edge of the networks forecasts the need to implement the advantages of coherent detection and full field modulation, such as scalability, increased capacity and network flexibility, even in cost-constrained segments. This thesis aims to develop and assess architectures and technologies to simplify full-field modulation and coherent detection for edge segments like fixed access and mobile front-haul, especially over passive optical networks. In particular, single-sideband techniques of signals modulated over electric carriers are used to achieve single-laser transceivers and spectrally efficient sub-carrier multiplexing with increased sensitivities and avoiding relevant link setbacks such as Rayleigh backscattering. To further reduce the cost and consumption of the systems, analog processing for the phase-noise compensation is included, and the links’ performances are evaluated. The thesis focuses on low-cost and footprint devices, suitable for urban and local access networks, such as fiber to the home, business, antenna, etc. using a wavelength-to-the-user/antenna approach, to deliver the highest sensitivity and spectral efficiency possible with the lowest expression of coherent detection and transmitter complexity. Therefore, the main topics discussed in the thesis are simplified coherent detection and field modulation, phase noise cancelling, coherent passive optical networks power budget, scalability and spectral efficiency, and single-sideband techniques as a key-enabling tool for the accomplishments of the aforementioned targets.

(Català) Les comunicacions per fibra òptica han revolucionat les xarxes de telecomunicacions en tots els seus segments, aprofitant un ampli ventall d’avantatges que abasten des de la capacitat en l’ordre dels THz fins a les baixes pèrdues, la seguretat i el factor de forma. En les xarxes de llarga distància i troncals, els enllaços òptics utilitzen conjuntament múltiples propietats del camp electromagnètic per maximitzar el rendiment de la infraestructura desplegada, com ara la freqüència, la fase, la polarització i l’amplitud, gràcies a la detecció coherent. En canvi, en els sistemes d'accés i fronthaul, la rendibilitat econòmica ha limitat habitualment les dimensions emprades per a la transmissió de dades a l’amplitud i a una multiplexació freqüencial rudimentària, basades en la detecció directa. Tot i que ambdós enfocaments han tingut èxit optimitzant les propietats de l’enllaç segons els requeriments respectius, el creixement del trànsit a la perifèria de les xarxes fa preveure la necessitat d’implementar els avantatges de la detecció coherent i la modulació de camp complet, com ara l’escalabilitat, l’augment de capacitat i la flexibilitat de la xarxa, fins i tot en segments amb restriccions de cost. Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar i avaluar arquitectures i tecnologies per simplificar la modulació de camp complet i la detecció coherent en segments perifèrics com l'accés fix i el fronthaul mòbil, especialment sobre xarxes òptiques passives. En particular, s’empren tècniques de banda lateral única (single-sideband) amb senyals modulats sobre portadors elèctrics per assolir transceptors amb làser únic i una multiplexació espectralment eficient per subportadors, amb sensibilitats millorades i evitant limitacions rellevants de l’enllaç com l’escampament de Rayleigh. Per reduir encara més el cost i el consum dels sistemes, s’incorpora processament analògic per a la compensació del soroll de fase, i s’avalua el rendiment dels enllaços. La tesi se centra en dispositius de baix cost i mínima empremta, adequats per a xarxes d’accés urbanes i locals, com ara fibra fins a la llar, empresa, antena, etc., utilitzant un enfocament de longitud d’ona per usuari/antena, per oferir la màxima sensibilitat i eficiència espectral possible amb la mínima expressió de complexitat en la detecció coherent i en el transmissor. Per tant, els principals temes tractats en aquesta tesi són la detecció coherent simplificada i la modulació de camp complet, la cancel·lació del soroll de fase, el pressupost de potència en xarxes òptiques passives coherents, l’escalabilitat i eficiència espectral, i les tècniques de banda lateral única com a eina clau per assolir els objectius esmentats.

(Español) Las comunicaciones por fibra óptica han revolucionado las redes de telecomunicaciones en todos los segmentos, aprovechando un amplio conjunto de ventajas que van desde la capacidad de THz hasta las bajas pérdidas, la seguridad y el factor de forma. En las redes troncales y de larga distancia, los enlaces ópticos utilizan conjuntamente una plétora de propiedades del campo electromagnético para maximizar el rendimiento de la infraestructura desplegada, como su frecuencia, fase, polarización y amplitud, habilitadas por la detección coherente. En cambio, en los sistemas de acceso y fronthaul, la rentabilidad ha limitado normalmente las dimensiones utilizadas para la transmisión de datos a la multiplexación de amplitud y frecuencia ancha, basada en la detección directa. Aunque ambos enfoques han tenido éxito al optimizar las propiedades de los enlaces para sus respectivos requisitos, el creciente tráfico cerca del borde de las redes prevé la necesidad de implementar las ventajas de la detección coherente y la modulación de campo completo, como la escalabilidad, el aumento de la capacidad y la flexibilidad de la red, incluso en segmentos con costes limitados. Esta tesis pretende desarrollar y evaluar arquitecturas y tecnologías que simplifiquen la modulación de campo completo y la detección coherente para segmentos de borde como el acceso fijo y el front-haul móvil, especialmente sobre redes ópticas pasivas. En concreto, se utilizan técnicas de banda lateral única de señales moduladas sobre portadoras eléctricas para conseguir transceptores de un solo láser y multiplexación de subportadoras espectralmente eficiente con sensibilidades aumentadas y evitando contratiempos relevantes en los enlaces como la retrodispersión de Rayleigh. Para reducir aún más el coste y el consumo de los sistemas, se incluye procesamiento analógico para la compensación del ruido de fase, y se evalúan las prestaciones de los enlaces. La tesis se centra en dispositivos de bajo coste y huella, adecuados para redes urbanas y de acceso local, como fibra hasta el hogar, empresas, antenas, etc., utilizando un enfoque de longitud de onda hasta el usuario/antena, para ofrecer la mayor sensibilidad y eficiencia espectral posibles con la menor expresión de detección coherente y complejidad del transmisor. Por lo tanto, los principales temas tratados en la tesis son la detección coherente simplificada y la modulación de campo, la cancelación del ruido de fase, el presupuesto de potencia, la escalabilidad y la eficiencia espectral de las redes ópticas pasivas coherentes, y las técnicas de banda lateral única como herramienta clave para la consecución de los objetivos mencionados.