Análisis de Factores Limitantes en la Escalabilidad de Redes ópticas legadas y de nueva generación: propuesta de soluciones basadas en la gestión de la polarización

Haro García, Justino (2020). Análisis de Factores Limitantes en la Escalabilidad de Redes ópticas legadas y de nueva generación: propuesta de soluciones basadas en la gestión de la polarización. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65781.

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Title: Análisis de Factores Limitantes en la Escalabilidad de Redes ópticas legadas y de nueva generación: propuesta de soluciones basadas en la gestión de la polarización
Author/s:
  • Haro García, Justino
Contributor/s:
  • Rodríguez Horche, Paloma
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Tecnología Fotónica y Bioingeniería
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El trabajo de investigación realizado en esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de Redes Ópticas de alta capacidad, contribuyendo al desarrollo de nuevas metodologías y técnicas, basadas principalmente en la gestión de la polarización de la señal óptica. El objetivo, y principal motivación de este trabajo, es dar solución a las limitaciones impuestas por diversos factores limitantes, como pueden ser la dispersión por modo de polarización (PMD) o los efectos no lineales en la fibra óptica. Es importante resaltar que el ámbito de aplicación de las propuestas desarrolladas en esta tesis incluye tanto las redes DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) legadas, procedentes del inicio de los años 2000 y que aún ofrecen servicio a los grandes operadores y clientes, como las Redes Ópticas de nueva generación. Los resultados obtenidos en este trabajo se han basado fundamentalmente en el diseño y caracterización de sistemas ópticos a través de la simulación, mediante un programa comercial. No obstante, parte de las contribuciones presentadas se han validado mediante la caracterización experimental de diferentes enlaces ópticos. En las redes legadas, el factor limitante más importante es la PMD, debido a la antigüedad de los cables de fibra óptica. Este parámetro es muy dependiente de elementos ambientales, sobre todo en tendidos aéreos. Con el fin de mejorar la comprensión de cómo se comporta la PMD en diferentes situaciones ambientales, se han realizado medidas de PMD de larga duración mediante un método interferométrico. Esto ha permitido caracterizar su comportamiento aleatorio y determinar los efectos que los agentes externos como la temperatura, la humedad y la velocidad del viento tienen sobre la PMD. Se han comparado los resultados experimentales con los modelos analíticos de predicción de la PMD, lo que nos ha permitido validar el método interferométrico como la mejor opción para medidas de larga duración y amplio espectro. Además, se ha propuesto un nuevo modelo analítico de aproximación a la catenaria, para poder estimar la afectación de la birrefringencia de la fibra con las tensiones y flexiones a las que están sometidos los cables aéreos en condiciones de alta velocidad del viento. También, en relación con las redes legadas en las que el formato de modulación usualmente empleado es RZ-DQPSK (Return to Zero - Differential Quadrature Phase-Shift Keying), en esta tesis se propone una técnica de compensación de efectos no lineales como el FWM (Four-wave mixing) y más especialmente el intracanal IFWM, mediante la depolarización de la señal óptica empleando fibras con determinados valores de PMD. Por otro lado, también se ha analizado, caracterizado y medido una ruta óptica legada DWDM comercial, con el fin de mejorar su rendimiento, considerando en todo lo posible las implicaciones económicas derivadas de la migración a tecnologías superiores. Se ha realizado un estudio analítico de factores limitantes de la ruta, que ha incluido, entre otros factores, la tolerancia a la concatenación de filtros y a la emisión espontánea amplificada (ASE) introducida por los amplificadores ópticos en línea (OLA). Este análisis se ha comparado con las medidas experimentales realizadas encontrando una buena concordancia. Basados en los resultados obtenidos, se ha demostrado la posibilidad de aumentar la capacidad de una red DWDM legada. Se ha propuesto, entre otras cosas, la introducción de receptores coherentes para mejorar el OSNR (Optical Signal-To-Noise Ratio) y el uso de nuevos formatos de modulación con polarización dual (DP-QPSK y DP-16/64QAM), sustituyendo a algunos de los canales legados. Los resultados obtenidos nos permiten concluir que los canales modulados con los nuevos formatos DP-QPSK y DP-16QAM, manteniendo la misma separación de 50 GHz, pueden sustituir a los canales legados RZ-DQPSK. Pero en el proceso de escalabilidad a 100 Gbps, solamente la combinación de portadoras DP-QPSK y DP-16QAM es posible, debido a la afectación de los canales RZ-DQPSK y (D)QPSK que están separados 50 GHz de aquellos. Si es necesaria su convivencia, la separación debería aumentar a 100 GHz. Por último, se han propuesto nuevas técnicas para aumentar la capacidad de redes ópticas de nueva generación, haciendo especial énfasis en evitar los efectos dañinos de las no linealidades. Destacar las unidades multiportadora que agrupan varias subportadoras ópticas con modulación DP-QPSK y DP-16QAM, conocido como supercanal óptico. En este sentido, se ha demostrado mediante simulación un nuevo tipo de modulación basado en la multiplexación por conmutación de la polarización, PS-QPSK y PS-16QAM. Los formatos de modulación PS-QPSK y PS-16QAM presentan espectros reducidos y menor potencia necesaria en línea por lo que podrían constituir una manera sencilla de mantener la velocidad de símbolos, disminuyendo las tasas de bits. Esto además mejora la tolerancia frente a los efectos no lineales, fundamentalmente en estructura supercanal. ----------ABSTRACT---------- The research work carried out in this doctoral thesis has focused on the study of High Capacity Optical Networks. This work contributes to the development of new methodologies and techniques, mainly based on the polarization management of the optical signal. The objective, and main motivation of this work is to give a solution to the imposed limitations by some factors, such as polarization mode dispersion (PMD) or non-linear effects in the optical fiber. It is important to highlight that the scope of the proposals developed in this thesis include both the legacy DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) networks, coming from the beginning of the 2000s that are currently working and the new generation Optical Networks. The obtained results have been fundamentally based on the design and characterization of simulated optical systems by a commercial program. However, a part of the contributions of this thesis have been validated by experimental characterization of different optical links. In the legacy networks, the most important limiting factor is the PMD, due to the worn-out of fiber optic cables. This parameter is very dependent on environmental elements, especially in aerial lines. In order to improve understanding of how PMD behaves in different environmental situations, long-term PMD measurements have been performed using an interferometric method. This has allowed to characterizing their random behavior and determining the effects that external agents such as temperature, humidity and wind speed have on the PMD. The experimental results have been compared with the PMD prediction model, this comparison allow us to validate the interferometric method as the best option for long-term and broad-spectrum measurements. In addition, we propose a new approach model for the catenary. This model is able to estimate the fiber birefringence caused by the torsion and flexion of an aerial cable due to high wind speed conditions. Regarding the legacy networks in which the modulation format usually used is RZ-DQPSK (Return to Zero - Differential Quadrature Phase-Shift Keying), this work proposes the compensation of the non-linear effects, such as the FWM (Four-wave mixing) and more especially the intrachannel IFWM, by depolarizing the optical signal using fibers with a certain PMD value. On the other hand, a commercial DWDM legacy optical route has also been analyzed, characterized and measured in order to improve its performance, considering as much as possible the economic implications derived from the migration to higher technologies. An analytical study of limiting factors of the route has been carried out, which has included the tolerance to the concatenation of filters, to the amplified spontaneous emission (ASE) introduced by the optical in-line amplifiers (OLA), and compared with the experimental measurements. Based on the results obtained, the possibility of increasing the capacity of a legacy DWDM network has been demonstrated. It has been proposed, among other things, the use of coherent receivers to improve the OSNR (Optical Signal-To-Noise Ratio) and the application of new modulation formats with dual polarization (DP-QPSK and DP-16 / 64QAM) replacing some of the legacy channels. The results obtained allow us to conclude that RZ-DQPSK legacy channels can be replaced with modulated channels employing the new DP-QPSK and DP-16QAM formats using the same 50 GHz grid. But in the scalability process, only the combination of DP-QPSK and DP-16QAM carriers is possible for 100 Gbps, due to the affectation of the RZ-DQPSK and (D) QPSK channels which are 50 GHz from those. If coexistence is necessary, the separation should increase to 100 GHz. Finally, new techniques have been proposed to increase the capacity of new generation optical networks, emphasizing on the avoidance of the damnific effects of non-linearities. We highlight the multi-carrier units which join several optical subcarriers with DP-QPSK and DP-16QAM modulation, known as optical superchannel. Moreover, it has been demonstrated by simulation a new type of modulation based on polarization-switched PS-QPSK and PS-16QAM and it has been made a comparison with dual-polarization DP-QPSK y DP-16QAM. Our simulations confirm the predicted sensitivity advantage of PS-QPSK. The PS-QPSK and PS--16QAM modulation formats have reduced spectrum and require lower power in fiber, therefore, they could be a simple way to maintain the symbol rate while reducing bit rates. This also improves tolerance against non-linear effects, mainly in superchannel structure.

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Item ID: 65781
DC Identifier: https://oa.upm.es/65781/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65781
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65781
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 18 Dec 2020 06:31
Last Modified: 17 Jun 2021 22:30
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