Optical transmitter based on self-seeded architectures for passive WDM networks

Future access networks capable of sustaining the increasing demand of capacity have recently been standardized by ITU-T under the Next Generation Passive Optical Network 2 (NG-PON2) recommendations; the proposed hybrid time and wavelength division multiplexing (TWDM) architecture is required to guarantee 10 Gb/s upstream rates per user over tens of kilometers between user and central office. WDM-based networks can greatly benefit from availability of colorless transmitters, reducing inventory costs and eliminating the needs of control layer for wavelength assignment. Due to the evolution of the radio technologies, a new fronthaul segment is appearing between remote radio head (RRH) and base band unit (BBU) to achieve a centralized radio access network (C-RAN) architecture. This optical network has to be optimized in order to make efficient usage of fibers and minimize deployment cost. Moreover, to deal with the high number of digital radio over fiber links per antenna site (one potential link per carrier, per radio sector, per mobile generation), this optical network requires the exploitation of a multiplexing technique. Based on common public radio interface (CPRI) radio, link data rates can range from 614 Mb/s to 9.8 Gb/s and the link length from each antenna and BBU hotel are comparable to the one required in access networks. A WDM network is, at present, one of the most interesting solutions, as is allow to setup a virtual point to point connection between each antenna and the corresponding BBU at the central office. As for access networks, the availability of colorless transmitters is a key factor for successful implementation of WDM networks applied to fronthaul. This PhD work has been focused on the study of a colorless solution for the upstream PON transmitter for access and fronthaul applications; it's based on the exploitation of a reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) located at each optical network unit (ONU) or antenna and physically coincides with a portion of the network itself. The transmitter relies on a laser cavity, which comprises an RSOA active chip, placed at the ONU, whose reflective ends is one of the cavity mirrors, the drop fiber, which connects the ONU and the remote node, the remote node (RN) arrayed waveform guide (AWG) multiplexer and a mirror also placed at the RN. The AWG is the cavity wavelength-selective element. This WDM solution brings the advantage of self-selecting the wavelength by simply connecting the drop fiber to the multiplexing element at the remote node. No more management and control interface by the optical line terminal at the central office (CO) is required to set up the wavelength. The RSOA device in each ONU is the key element in the proposed transmitter as it plays the triple role of sustaining the cavity gain, of modulating the transmitted signal via its bias current and of bleaching the recirculating modulation inside the cavity. We studied in detail each of these functions and showed how each represents a crucial aspects for the proper operation of the transmitter. The small E/O bandwidth of the RSOA, ~2 GHz in typical devices, is the main limit to the maximum upstream bit rate at which the proposed transmitter can reach good performance. In particular, with such small E/O bandwidth, direct modulation of the RSOAs with 10 Gb/s OOK is very challenging. RSOAs devices with E/O bandwidth up to 4 GHz, in C-band devices, are available but, due to the their design, they also present very high polarization dependent gain, higher than 20 dB. If the recirculating state of polarization is not aligned to the principle axis of the RSOA the total losses can be higher than the gain. Hence, we presented and studied a topology of the self seeded transmitter, based on a Faraday rotator mirror at the remote node and a Faraday rotator at the ONU; using this topology we proved that the input polarization is stable and always aligned to the principle axis of the RSOA. Hence, thanks to the proposed topology, we are able to use faster HPDG RSOAs for the self seeded transmitter and have a better performance when the upstream signal is at high bit rate, like 10 Gb/s. With RSOA emitting in the C-band (i.e. 1550 nm) we were able to obtain good performance at 2.5 Gb/s and 5 Gb/s, with optical distribution network (ODN) links up to 50 km and 24 km respectively; at 10 Gb/s measurements with C-band RSOA have showed the great impact of the chromatic dispersion when SSMF are exploited for the optical distribution network, due to the frequency chirp of the output signal. In SSMF the dispersion coefficient is close to zero at 1300 nm; thus, exploiting O-band RSOA (i.e. emitting light in the 1300-nm band) we were able to directly modulate the RSOA at 10 Gb/s and obtain a BER below the 3·10-3 FEC limit with commercial AWG, drop fiber link up to 1 km and feeder fiber link of 40 km, both with SSMF. For legacy consideration with the previous PON generation, the ITU recommendation in NG-PON2 suggest the C-band for upstream signal from the ONU to CO, while the O-band is used by the already deployed GPON. Moreover, the vast majority of the fiber already deployed for access and metropolitan network is SSMF. Hence the self seeded transmitter in the C-band can represent an interesting solution for PON with bit rate limited at 2.5 Gb/s or 5 Gb/s while, for PON at 10 Gb/s more optimization is still required, primarily in the increase of E/O bandwidth of the devices, to allow longer link connections between ONUs and CO with BER below the FEC limit. In a green field environment, with the possibility to deploy dispersion shifted fiber, the C-band transmitter can be suitable even for a signal at 10 Gb/s, allowing the link length required by the recommendation. While permitting the reuse of the deployed SSMF, also the O-band self seeded transmitter can be considered for access network applications only in a green field environment, where the O-band is not already reserved for signal of previous generation of PON solutions. On the other hand, the relatively new network segment for mobile fronthaul lacks of proper standardizations or recommendations, without indications on the dedicated transmission band for example; hence, the colorless transmitter for WDM networks studied in this thesis represents an efficient multiplexing technique to connect several RRHs with centralized BBUs. In particular, the O-band transmitter can support 10 Gb/s (required by standard interfaces such as CPRI) with 40-km long links over SSMF, fulfilling the basic requirements of future mobile networks.

Le futuri reti per l'accesso, in grado di sostenere la forte crescita del traffico Internet, sono state recentemente standardizzate dal'ITU-T all'interno delle raccomandazioni Next Generation Passive Optical Network 2 (NG-PON2). La struttura proposta è una architettura di tipo ibrido a multiplazione di tempo e lunghezza d'onda (TWDM) e dovrà essere in grado di garantire un bit-rate di 10 Gb/s per il segnale upstream lungo decine di chilometri tra l'utente e il central office. Le reti a divisione di lunghezza d'onda (WDM) possono beneficiare enormente della disponibilità di trasmettitori di tipo "colorless" e "self-seeding", in modo da poter ridurre i costi di inventario ed eliminare la necessità di un livello di controllo che assegni all'utente una specifica lunghezza d'onda. In seguito alla evoluzione della tecnologia radio, è stato introdotto un nuovo segmento della topologia di una rete radio, chiamato "fronthaul", tra la remote radio head (RRH) e la base band unit (BBU) con l'obiettivo di ottenere una centralized radio access network (C-RAN). Questa nuova struttura permette un utilizzo più efficiente della fibra ottica già distribuita. A causa dell'elevato numero di collegamenti per ogni antenna radio, si rende necessaria anche una tecnica di multiplazione. Ogni collegamento tra antenna e BBU dovrà poter garantire bit rates da 614 Mb/s a 9.8 Gb/s su lunghezze comparabili a quelle richieste nella rete d'accesso. Una rete WDM rappresenta, al momento, una delle più interessanti soluzioni per il fronthaul poichè permette la creazione di collegamenti virtuali di tipo punto punto tra ogni antenna e la rispettiva BBU al central office. Così come per le reti d'accesso, il successo di tali soluzioni nel fronthaul è legato alla disponibilità di trasmettitori di tipo "colorless" e "self-seeding". Questo lavoro di dottorato si è focalizzato sullo studio di una soluzione colorless per trasmettitori upstram in reti ottiche passive per reti d'accesso e fronthaul. Si basa sull'utilizzo di un reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) collocato presso ogni utente (optical network unit, ONU) o antenna e coincide fisicamente con una parte della rete stessa. Il trasmettitore infatti può essere indicato come una cavità laser estesa, che comprende l'RSOA, la cui faccia riflettente rappresenta uno degli specchi della cavità, la fibra tra utente e nodo remoto (drop fiber), il mux/demux (AWG) e un secondo specchio entrambi collocati al nodo remoto (RN). L'AWG rappresenta l'elemento che seleziona automaticamente la lunghezza d'onda, senza bisogno di ulteriori livelli di controllo e gestione all'OLT. L'RSOA presente in ogni ONU è l'elemento chiave del trasmettitore proposto in quanto ha tre funzioni distinte, tutte necessarie ad un corretto funzionamento dello stesso: fornisce il guadagno ottico per sotenere le perdite dlela cavità laser, è l'elemento modulato direttamente con il segnale upstream e, funzionando in regime di saturazione, cancella la modulazione ricircolante in seguito alla riflessione al RN. Queste funzioni sono state studiate in dettaglio durante il progetto di dottorato. La limitata banda elettro/ottica degli RSOA, tipicamente intorno ai 2 GHz, rappresenta il principale ostacolo all'aumento del bit rate del segnale di upstream, pur mantenendo buone prestazioni in trasmissione. In particolare, modulare direttamente gli RSOA con segnali a 10 Gb/s risulta essere molto impegnativo. Dispositivi con banda E/O fino a 4 GHz sono disponibili, in banda C, ma a causa del design dei componenti, prensentano anche un elevata dipendenza del guadagno dalla polarizzazione, maggiore di 20 dB. Se lo stato di polarizzazione del segnale ricircolante non è allineato con l'asse di guadagno dell'RSOA allora le perdite totali della cavità potrebbero risultare troppo elevate rispetto al guadagno. E' stato quindi studiata una topologia alternativa, basata su un Faraday rotator mirror al RN e un Farday rotator all'ONU, che potesse garantire che lo stato di polarizzazione in ingresso risulti sempre allineato con l'asse principale dell'RSOA. Grazie a questa topologia è stato quindi possibile utilizzare dispositivi ad elevato PDG e con prestazioni migliori anche in presenza di segnali di upstream ad alto bit-rate (10 Gb/s). Con RSOA che emettono in banda C (ovvero intorno ai 1550 nm) sono state ottenute buone prestazioni a 2.5 Gb/s e 5 Gb/s, con collegamenti fino a 50 km e 24 km rispettivamente; nelle misure a 10 Gb/s era invece evidente l'impatto dlela dispersione cromatica se vengono utilizzate fibre standard (SSMF), a causa del chirp in frequenza del segnale in uscita dal trasmettitore. Nelle fibre SSMF il coefficiente di dispersione è quasi nullo nell'intorno dei 1300 nm; quindi, utilizzando RSOA in banda O (in grado quindi di emettere in un intorno dei 1300 nm) è stato possibile modulare a 10 Gb/s e ottenere valori di BER inferiori al limite del FEC (3·10-3), utilizzando AWG commercialmente disponibili, drop fiber fino a 1 km e fibra di distribuzione fino a 40 km.