TU Darmstadt / ULB / TUprints

Reach Extension for Future Optical Access Networks Based on Optical Amplification

Emsia, Ali :
Reach Extension for Future Optical Access Networks Based on Optical Amplification.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Ali_Emsia_Updated_Grayscale.pdf
Available under CC-BY-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution No-derivatives 4.0.

Download (4MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Reach Extension for Future Optical Access Networks Based on Optical Amplification
Language: English
Abstract:

In den letzten Jahrzehnten wurden optische Netzwerke wegen der Eigenschaften von Glasfasern, die verglichen mit Kupferkabeln eine viel größere Bandbreite bei geringen Übertragungsverlusten erlauben, immer wichtiger. Insbesondere die rasante Entwicklung des Internet durch ständig hinzukommende neue Dienste verlangt den Ausbau des Netzes, damit dem Teilnehmer die notwendige Bandbreite zur Übertragung hochbitratiger Datenströme zur Verfügung gestellt werden kann. Hierfür werden in vielen Ländern passive optische Netze (PON) als breitbandige Zugangsnetze eingesetzt, um die Bedürfnisse der Endverbraucher und der Industrie zu erfüllen, so zum Beispiel G-PON (ITU-T G.984 series [1]) und 10GEPON (IEEE 802.3ah [2]). Die G-PON-Standards, wie 10G-EPON-PRx30 ermöglichen eine symmetrische Übertragungsrate von 10 Gbps und unterstützen ein Leistungs-Budget von 29 dB. Diese Standards wurden für verschiedene Fiber-To-The-x (FTTx) Märkte definiert.

Diese Standards nutzen Zeitmultiplex-Verfahren, die jedoch die Anforderungen an zukünftige Zugangsnetze nicht erfüllen. Die Herausforderung ist, in ein bestehendes PON System neue Dienste zu implementieren, die Reichweite zu vergrößern, jedoch gleichzeitig die Betriebskosten zu senken, ohne die Struktur des Central Office (CO) zu ändern [3, 4].

Wellenlängen-Multiplex für PONs (WDM-PON) ist eine vielversprechende Option für die nächste PON-Generation (NG-PON) [5]. Wegen der Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Optical Line Terminal (OLT) und Optical Network Unit (ONU) gibt es keine Bandbreiten-Beschränkungen, jedoch größere Übertragungsdistanzen und höhere Sicherheit.

Ein fließender Übergang zwischen den aktuellen PONs und den NG-PONs ist notwendig und es muss gewährleistet sein, dass beide Standards nebeneinander koexistieren können. Deswegen werden Hybrid-TDM/WDM-PONs intensiv für Full Service Access Networks (FSAN) betrachtet. Wie bereits erwähnt, muss der Übergang von aktuellen PONs zu NGPONs fließend sein, ohne Unterbrechung der Dienste und ohne zusätzliche Kosten. Mit anderen Worten, der Einsatz der NG-PONs soll durch die Verwendung der bestehenden Glasfaserstrukturen höhere Übertragungskapazitäten zur Verfügung stellen. Netzbetreiber bevorzugen während der Übergangszeit eine Koexistenz von PON und NG-PON , um Nachteile bezüglich der Wartung und der Kosten zu vermeiden. Die Betreiber der Netze erhoffen sich durch die NG-PONs wichtige Vorteile, nämlich die Erhöhung der Übertragungskapazität, größere Übertragungsdistanzen und die Senkung der Entwicklungs- und Betriebskosten.

In dieser Dissertation werden Techniken zur Erhöhung der Reichweite, die auf Halbleiterlaserverstärkern (SOA) und Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFA) basieren, vorgestellt. Ziel ist es, eine geeignete Verstärker-Anordnung zu entwickeln, um mit dem NGPONs die Reichweite und die Anzahl der Teilnehmer zu erhöhen. Des Weiteren werden neue, kosteneffiziente Sende-Empfänger-Anordnungen vorgestellt, die im NG-PON Verwendung finden können. Chirp Managed Laser (CML) sind kosteneffektive Module für OLT/ONUs. Der CML wird direkt moduliert und kann optische PSK-Signale ohne externen Modulator erzeugen. Darüber hinaus ist eine Daten-Remodulation mit einer Fabry-Perot-Injektionssteuerung möglich. Bei der beschriebenen Verstärker-Anordnung sind die ONU-Laser nicht von den eingespeisten Wellenlängen abhängig und werden daher als transparente ONUs bezeichnet. Dies erspart zusätzliche optische Komponenten in den Sende-Empfänger-Modulen. Bei der vorgeschlagenen Verstärker-Anordnung wird ein fortschrittliches, phasenmoduliertes Signalformat (DPSK) verwendet, welches die Anforderung nach hoher spektraler Effizienz erfüllt. Diese Technik wird erstmalig genutzt, um die Anzahl der Teilnehmer deutlich zu erhöhen und gleichzeitig eine einfache Architektur anzubieten. Die Verstärker-Module bestehen aus zwei SOAs, einem Interferometer mit Verzögerungsleitung, variablen optischen Dämpfungsgliedern und zwei Zirkulatoren. Das Konzept wurde mit Simulationen und Experimenten untersucht. Der TDM/WDM-PON-Fall wurde mit zwei verschiedenen Modulationsarten simuliert, mit DPSK und mit dem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM). Die Messergebnisse bestätigen, dass die vorgeschlagene Verstärkeranordnung mehr als tausend Teilnehmer, in einen optischen Kanal, sowohl Upstream als auch Downstream (US/DS), über eine Einmodenfaser (SMF) mit einer Länge von mehr als 50 km versorgen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass die beschriebene Verstärker-Anordnung vorteilhaft und erfolgreich in zukünftigen NG-PONs eingesetzt werden kann.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Over the last decades, optical networks have become important for information society. Due to the features of the optical fiber as a transmitting medium, it offers larger bandwidth and lower loss compared to copper cables. Recently, the information society encountered technological advancements due to the evolution of Internet services. With increasing the demand for emerging applications and services, subscribers will require much higher bandwidth as they have today [6]. Passive optical networks (PONs) have been deployed in may countries as a strong broadband access networks. For instance, G-PON (ITU-T G.984 series [1]) and 10GEPON (IEEE 802.3ah) [2] have been introduced and deployed to satisfy the needs of consumers and business sectors. The G-PONs standards such as 10G-EPON-PRx30 enable symmetrical 10 Gbps rate, and support 29 dB power budget. Other standards such as ITU-T G.984 and IEEE 802.3ah are also considered in different Fiber-To-The-x (FTTx) market. These standards use time division multiplexing (TDM) technology which cannot address the future access network requirements. To incorporate the legacy PON with new services while reducing the operational costs as well as central office (CO) footprints, reach extension (extended transmission distance) techniques are required [3, 4]. Wavelength division multiplexing-PON (WDM-PON) appears to be an intriguing option for next-generation-PON (NG-PON) [5], because of point-to-point connectivity from optical line terminal (OLT) to optical network unit (ONU), no bandwidth limitation, higher security, and longer transmission distance. It is necessary to make a smooth transition from the legacy PON to the NG-PONs, and to assure the co-existence of both standards. Because of this, hybrid TDM/WDM PONs is extensively considered by full service access network (FSAN). Migrating from legacy PONs to NG-PON needs to be smooth without any service interruption or extra-cost. In other words, in NG-PON deployment, the existing fiber infrastructure should be used to provide higher capacity. Network operators prefer the legacy PON and NG-PONs co-existence to avoid any inconvenient issue in terms of maintenance and cost. They consider two significant goals for NG-PONs. First, increasing capacity, and the second is reach extension to reduce the operational and deployment costs. This dissertation reports reach extension techniques based on semiconductor optical amplifiers (SOAs) and erbium doped fiber amplifier (EDFAs). The aim is to investigate a suitable amplifier scheme to increase the reach and the number of subscribers in NG-PONs. Furthermore, new suitable cost-effective transceiver schemes are demonstrated which can be utilized in NG-PONs. One of them is the chirped managed lasers (CML). This type of laser configuration is directly modulated and can generate optical phase-shift-keying (PSK) signals without need of any external modulator. Additionally, another technique is data remodulation with Fabry-P´erot injection locking. In this scheme, the ONUs laser sources do not depend on the incoming wavelength, they are called colorless ONUs. This allows us to remove any extra optical components in the transceiver modules at ONUs. The proposed amplifier configuration uses advance modulation differential phase-shift keying (DPSK) signals format which is another requirement for NG-PON to have high spectral efficiency. This technique is used for the first time to increase a large number of subscriber and offer a simple architecture. The amplification module consists of two SOAs, a delay line interferometer (DLI), variable optical attenuators, and two circulators. The concept is investigated using both simulations and experiments. The TDM/WDM-PON scenario is simulated with two different modulation formats, differential quadrature phase-shift-keying D(Q)PSK and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The experimental results, successfully verify the amplification scheme proposed in the dissertation can support more than a thousand of subscribers on each optical channel in upstream/downstream (US/DS) scenario transmission over more than 50 km of single-mode fiber (SMF). The results show that the amplification technique is a strong candidate for long reach NG-PONs deployments.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Photonics and Optical Communications
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 01 Feb 2017 09:42
Last Modified: 14 Feb 2017 09:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59596
Referees: Küppers, Prof. Dr. Franko and Schmauß, Prof. Dr. Bernhard
Refereed: 24 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5959
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year