Analysis of the capabilities of DMT modulation in a VCSEL-based metropolitan area network

Nowadays most of the traffic is concentrated in Metropolitan Area Network (MAN)s, therefore it is mandatory to find sustainable technological solutions, characterized by low cost and low power consumption, assuring very high transport capacity. It can be interesting to use new laser sources such as Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)s, combined with multicarrier modulation formats that allow to increase even 3 or 4 times the bit-rate with respect to the exploited baud rate, i.e. the available bandwidth of the employed components and devices. In this thesis work we have studied the potentialities of directly modulated VCSELs emitting in the so-called C band, through Discrete Multi-tone (DMT) modulation, analyzing their impact on a MAN network constituted by many amplified spans. Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) has been considered in order to achieve very high capacity per link. Consequently, some aspects taken into account are the presence of optical amplifiers, the nonlinear effects induced during the fiber propagation by the DWDM channels with reduced spacing, and crosstalk introduced by the multichannel filtering at the node level. We have developed an appropriate MATLAB® based simulator simulating all the blocks related to the generation, propagation and direct/coherent reception of the optical signal. Thanks to this suitable simulator and to a systematic simulative analysis, we have identified the limits and the capabilities of the DMT format according to the maximum transportable capacity per link. This study has been conducted within the PASSION project funded by the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme: its aim is to realize a meshed network, supported by smart photonic technologies and innovative transmission/detection methods, that can reach a transmission rate of over 100 Tb/s per link with a switching capacity of over 1 Pb/s per node.

Al giorno d’oggi gran parte del traffico è concentrato nelle Metropolitan Area Network (MAN), quindi bisogna trovare delle soluzioni tecnologiche sostenibili, a basso costo e basso consumo energetico, garantendo un’alta capacità di trasporto. Può essere interessante sfruttare nuove sorgenti laser come i Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL), abbinati a formati di modulazione multicarrier, che permettono di aumentare anche di 3 o 4 volte il bit-rate rispetto al baud rate, ovvero la banda disponibile dei componenti e dispositivi in uso. In questo lavoro di tesi abbiamo studiato quelle che sono le potenzialità dei VCSEL modulati direttamente, che emettono nella cosiddetta banda C, tramite modulazione Discrete Multitone (DMT), andando ad analizzare tale impatto su una rete MAN costituita da molte tratte amplificate. Si è considerata la multiplazione Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) per raggiungere alte capacità per link. Di conseguenza gli aspetti analizzati sono la presenza di amplificatori ottici, gli effetti non lineari indotti durante la propagazione in fibra da canali DWDM a spaziatura ridotta e il crosstalk introdotto dal filtraggio multicanale a livello dei nodi. Abbiamo sviluppato un opportuno simulatore MATLAB® che potesse simulare tutti i blocchi relativi a generazione, propagazione e ricezione diretta/coerente del segnale ottico. Grazie a tale simulatore e ad un’analisi simulativa sistematica, abbiamo individuato i limiti e le potenzialità del formato DMT in funzione della massima capacità trasportabile per link. Questo studio è stato condotto all’interno del progetto PASSION fondato dal Programma per la Ricerca e Innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea: il suo obiettivo è realizzare una rete mesh, supportata da tecnologie fotoniche intelligenti e metodi di trasmissione/ricezione innovativi, che possa raggiungere una velocità di trasmissione di oltre 100 Tb/s per collegamento con una capacità di commutazione di oltre 1 Pb/s per nodo.