Next generation optical high-speed network

Abstract

The research ‘Next generation optical high speed networks’ considers new paradigms for optical access and long-haul (1000 km and above) communications, to satisfy the increasing demand for capacity, spectral efficiency and quality of service in telecom networks. In long-haul transmissions, digital signal processing (DSP), with high-order modulation and coherent detection, has revolutionized optical systems, thanks to its effectiveness to digitally mitigate chromatic dispersion and polarization mode dispersion, with an increase in transmission length. However, the drastic increase in system complexity creates a severe challenges for real-time implementation, related also to limited bandwidth of digital to analog converters (DAC), high power consumption of electronic devices, massive use of hardware parallelization and pipeline, making the system intolerant to any feedback path. On the other hand, future access optical passive networks (PON) need to increase per-user bandwidth, evolving towards wavelength-division multiplexing (WDM) systems, with colourless (wavelength independent) low-cost transmitters at the user’s side, also allowing different operators to share the same infrastructure. For both core and access networks, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is proposed to overcome the electronic bottleneck, reduce power consumption and increase the spectral efficiency, satisfying current large bandwidth requests. During the three-year research work, within the EU ASTRON and the Italian ROAD-NGN projects, new optical network architectures, systems and subsystems have been proposed and their performances have been analytically, numerically and experimentally evaluated. In particular, new digital OFDM systems for unbundling the local loop (ULL) in access networks have been investigated for ultra-high speed PONs, along with discrete multitoned (DMT) approaches, based on reflective semiconductor optical amplifier (RSOA). All optical OFDM (AO-OFDM) systems have been experimentally tested during a 6-month staying at the National Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Japan, using both coherent and direct detection receivers. The performance of two different optical devices, able to demultiplex the AO-OFDM signal, have been experimentally compared, without optical dispersion compensation or time gating. For long haul transmissions, AO-OFDM can also reduce the power consumption in case of superchannels, with a high number of sub-channels. Analytically formula have been found for performance evaluation, in terms of maximum number of spans, frequency offset, phase noise and equalization enhancement phase noise (EEPN), supported and validated by numerical simulation. Finally, a novel transmission system is proposed, based on the digital fractional Fourier transform, to generate sinc-shaped time domain pulse at the receiver side, reducing the DSP complexity for real time implementation at high data rates.

Il tema di ricerca ‘Reti ottiche di nuova generazione ad alta velocità’ considera nuovi paradigmi sia per l'accesso ottico che per le trasmissioni a lungo raggio (più di 1000 km), per soddisfare la crescente richiesta di capacità, efficienza spettrale e qualità del servizio nelle reti di telecomunicazione. Nelle trasmissioni a lungo raggio, il processamento del segnale nel dominio digitale, l’utilizzo delle modulazioni complesse e la rivelazione coerente, hanno rivoluzionato i sistemi ottici grazie alla loro efficacia di compensare digitalmente la dispersione cromatica e da polarizzazione, con un aumento della lunghezza di trasmissione. Tuttavia, il drastico aumento della complessità crea delle difficoltà per l’implementazione in tempo reale. Questo è dovuto alla banda limitata dei convertitori digitale analogico (DAC), ad un elevato consumo energetico dei dispositivi elettronici, a un uso massiccio di parallelizzazione hardware, rendendo il sistema intollerante a qualsiasi percorso di controreazione. D'altra parte, le future rete d’accesso ottiche passive devono aumentare la velocita di cifra per utente, evolvendo verso sistemi di multiplazione a divisone di lunghezza d’onda, utilizzando trasmettitori economici e indipendenti dalla lunghezza d’onda al lato dell'utente, consentendo anche ai diversi operatori di condividere la stessa infrastruttura. Per entrambe le reti di trasporto e di accesso, la multiplazione ortogonale a divisione di frequenza ortogonale (OFDM), permette di superare il ‘collo di bottiglia’ dovuto all’elettronica, ridurre il consumo energetico e aumentare l'efficienza spettrale, soddisfacendo le richieste di banda. Durante il lavoro di ricerca di tre anni, nell'ambito dei progetti ROAD-NGN e ASTRON, sono state proposte nuove architetture, sistemi e sottosistemi in una rete ottica, valutando le loro prestazioni, analiticamente, numericamente e anche sperimentalmente. In particolare, i nuovi sistemi OFDM digitali per la disaggregazione dell'ultimo tratto nelle reti di accesso sono stati accuratamente studiati ad alta velocità di cifra utilizzando la tecnica DMT e un amplificatore ottico a semiconduttore riflettente (RSOA). I sistemi tutto-ottici OFDM (AO-OFDM) sono stati valutati sperimentalmente presso National Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Giappone utilizzando ricevitori coerenti e diretti. Sono state valutate sperimentalmente le prestazioni di due dispositivi ottici in grado di demultiplare il segnale AO-OFDM senza compensazione della dispersione ottica o campionando otticamente. AO-OFDM può ridurre il consumo di energia nelle reti di trasporto utilizzando dei ‘Supercanali’ costituito da un elevato numero di sottoportanti. Sono state trovate formule analitiche per la valutazione delle prestazioni, in termini di numero massimo di span (1 span è lungo 80km di fibra), offset di frequenza, rumore di fase e rumore di fase originato dalla dispersione cromatica non-equalizzata. I risultati ottenuti sono stati validati da simulazioni numeriche. Infine, è stato proposto un nuovo sistema di trasmissione multi-portante basato sulla trasformata frazionaria di Fourier digitale in grado di generare degli impulsi sinc nel tempo al lato ricevente sfruttando l’effetto della dispersione cromatica. La complessità degli algoritmi al lato ricevente è stato ridotto drasticamente redendo cosi possibile l’implementazione in tempo reale del sistema a una velocita di cifra elevata.