TÉCNICAS ÓPTICAS DE TRANSMISIÓN AVANZADAS PARA REDES OOFDM-WDM

Abstract

El incesante aumento de ancho de banda por parte de los usuarios finales que requieren actualmente los servicios que ofrecen Internet, vídeo de alta definición, aplicaciones multimedia o juegos on-line hace que las modulaciones avanzadas jueguen un papel fundamental en las redes ópticas. La técnica OOFDM (\emph{Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing}) ha sido ampliamente utilizada como solución para las redes de comunicaciones, gracias a las ventajas que ofrece en cuanto a su resistencia a la dispersión cromática y de polarización, su adaptabilidad a variaciones del canal o su alta eficiencia espectral.

La técnica de modulación OFDM data del siglo pasado, si bien es cierto que su implementación digital le ha dado un impulso importante en las últimas décadas. A partir de una serie de símbolos modulados, esta técnica asocia cada uno de los símbolos a una portadora. El conjunto de todas las portadoras es lo que se conoce como símbolo OFDM, siendo la señal OFDM el conjunto de todos los símbolos OFDM generados. La relación que deben cumplir las portadoras entre sí, los diferentes tipos de símbolos OFDM, las extensiones cíclicas o la estimación del canal son algunos de los bloques que describiremos con detalle a lo largo de esta memoria.

La generación de señales OFDM moduladas en intensidad y detectadas de forma directa a partir de modulaciones en doble banda lateral dan lugar a un uso ineficiente del espectro, además de que sufren penalizaciones importantes debido a la dispersión cromática. De forma alternativa, las modulaciones en banda lateral única evitan este inconveniente. En este trabajo presentaremos un esquema original de transmisión de señales ópticas OFDM basado en la modulación de banda lateral única que permite un uso del espectro más eficiente. Consiste en la definición de canales pareados que incluyen dos portadoras espectralmente próximas moduladas, cada una de ellas con la banda lateral única externa.

Por otra parte, esta tesis ofrece una solución de bajo coste para la implementación de transmisores WDM-OFDM basados en el uso de fuentes ópticas anchas. A pesar de que la dispersión cromática impide el uso de estas fuentes, se propone la utilización de determinadas estructuras previas a la recepción de la señal óptica que habilitan la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. A lo largo de este trabajo se demuestra experimentalmente cómo la utilización de un interferómetro Mach-Zehnder con el diseño adecuado permite la utilización de fuentes ópticas anchas en un sistema tolerante a la dispersión. Se estudiarán todos los parámetros que afectan a la transmisión de las señales, con el fin de definir el funcionamiento óptimo de estos sistemas con especial énfasis en el trabajo experimental, pero facilitando la comprensión teórica de los mismos.

Como ejemplo de la flexibilidad de los sistemas propuestos, se demostrará la transmisión de señales OFDM multibanda, compuestas por diferentes bandas OFDM que aportan mayor eficiencia en el uso del espectro eléctrico. De nuevo, un diseño adecuado del interferómetro Mach-Zehnder aportará una solución adaptativa en función de las necesidades del usuario en cada instante, tal y como demostrarán los resultados experimentales.

Así pues, esta Tesis Doctoral, presentada para la obtención del título de Doctor en Telecomunicaciones, propone y demuestra soluciones avanzadas, novedosas y eficientes para la transmisión de señales OFDM en las redes ópticas, que serán también validadas a lo largo de la Tesis en el marco de la tecnología DWDM con el fin de explorar su potencial de cara a su implementación en las redes futuras.

The increasing demand of bandwidth per end-user required by current Internet services, high-definition video, multimedia applications or on-line gaming drives the advanced modulations to play a significant role in optical networks. OOFDM (Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing) has been widely employed as a solution for network communications due to its advantages, such as overcoming chromatic and polarization dispersion impairments, its adaptability to channel variations and its high spectral efficiency.

The modulation technique OFDM dates from the last century, while it is true that its digital implementation has given a boost in the last decades. From a list of modulated symbols, this technique maps each one with a carrier. The set of every carriers forms an OFDM symbol, and the set of every OFDM symbols results in the OFDM signal. The conditions that carriers must satisfy, the different kind of OFDM symbols, the cyclic extensions or the channel estimation are some of the blocks that will be described in-depth along this work.

The generation of OFDM signals, intensity modulated and directly detected, from double sideband modulations results in an inefficient use of the spectrum, adding the power fading related to the chromatic dispersion. Alternatively, the single band modulations avoid this drawback. In this work, we are introducing an original scheme of transmission of optical OFDM signals based on the single band modulation that makes a better use of the spectrum. It consists of the definition of paired channels. Each one includes two optical carriers with a narrow spectral separation, and the external single sideband.

Furthermore, this Thesis provides a low-cost solution for the implementation of WDM-OFDM transmitters based on the use of broadband sources. Despite the chromatic dispersion avoids the use of this kind of optical sources, the inclusion of some structures before the detection enable the transmission of OFDM signals in optical links. The use of a Mach-Zehnder interferometer, properly designed, enables the use of broadband sources in a dispersion tolerant scheme, as will be experimentally demonstrated. Moreover, every parameter that concerns the transmission of the signals will be studied, with the goal of defining the optimal operation of these systems. Despite the emphasis is focused in the experimental experiences, the theoretical comprehension is also taken into account.

As an example of the flexibility of the introduced systems, the transmission of multiband OFDM signals will also be demonstrated. Different OFDM bands form these signals, increasing the electric spectrum efficiency. Once again, the proper design of the Mach-Zehnder interferometer will result in an adaptive solution regarding the end-user requirements in each moment, as the experimental results will confirm.

Therefore, this Doctoral Thesis, introduced for gaining the title of Philosophae Doctor in Telecommunications, proposes and demonstrates advanced, novel and efficient solutions for the transmission of OFDM signals in optical networks. They will also be validated along the Thesis in the context of the DWDM technology, for exploring their potential as a candidate for implementation in future networks.

L'incessant augment d'amplada de banda per part dels usuaris finals que requereixen actualment els serveis que ofereixen Internet, vídeo d'alta definició, aplicacions multimèdia o jocs en línia fan que les modulacions avançades tinguen un paper fonamental en les xarxes òptiques. La tècnica OOFDM (\emph{Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing}) ha estat àmpliament utilitzada com a solució per a les xarxes de comunicacions, gràcies als avantatges que ofereix quant a resistència a la dispersió cromàtica i de polarització, la seua adaptabilitat a variacions del canal o la seua alta eficiència espectral.

La tècnica de modulació OFDM data del segle passat, si bé és cert que la seua implementació digital li ha donat una espenta important en les últimes dècades. A partir d'una sèrie de símbols modulats, aquesta tècnica associa cadascun dels símbols a una portadora. El conjunt de totes les portadores es coneix com a símbol OFDM, sent el senyal OFDM el conjunt de tots els símbols OFDM generats. La relació que han de complir les portadores entre elles, els diferents tipus de símbols OFDM, les extensions cícliques o l'estimació de canal són alguns dels blocs que descriurem amb detall al llarg d'aquesta memòria.

La generació de senyals OFDM modulats en intensitat i detectats de forma directa a partir de modulacions en doble banda lateral donen lloc a un ús ineficient de l'espectre, a més que pateixen penalitzacions importants a causa de la dispersió cromàtica. Alternativament, les modulacions en banda lateral única eviten aquest inconvenient. En aquest treball presentarem un esquema original de transmissió de senyals òptics OFDM basat en la modulació de banda lateral única que permet un ús de l'espectre més eficient. Consisteix en la definició de canals emparellats que inclouen dues portadores espectralment pròximes modulades, cadascuna d'elles amb la banda lateral única externa.

Per altra banda, aquesta Tesi ofereix una solució de baix cost per a la implementació de transmissors WDM-OFDM basats en l'ús de fonts òptiques amples. Malgrat que la dispersió cromàtica impedeix l'ús d'aquestes fonts, es proposa la utilització de determinades estructures prèvies a la recepció del senyal òptic que habiliten la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. Al llarg d'aquest treball es demostra experimentalment com la utilització d'un interferòmetre Mach-Zehnder amb el disseny adequat permet la utilització de fonts òptiques amples en un sistema tolerant a la dispersió. S'estudiaran tots els paràmetres que afecten la transmissió de senyals, amb l'objectiu de definir el funcionament òptim d'aquests sistemes amb especial èmfasi en el treball experimental, però facilitant la seua comprensió teòrica.

Com a exemple de flexibilitat dels sistemes proposats, es demostrarà la transmissió de senyals OFDM multibanda, compostos per diferents bandes OFDM que aporten major eficiència en l'ús de l'espectre elèctric. De nou, un disseny adequat de l'interferòmetre Mach-Zehnder aportarà una solució adaptativa en funció de les necessitats de l'usuari en cada instant, tal com demostraran els resultats experimentals.

Així doncs, aquesta Tesi Doctoral, presentada per a l'obtenció del títol de Doctor en Telecomunicacions, proposa i demostra solucions avançades, noves i eficients per a la transmissió de senyals OFDM en les xarxes òptiques, que seran també validades al llarg de la Tesi en el marc de la tecnologia DWDM amb l'objectiu d'explorar els seus potencials de cara a la seua implementació en les futures xarxes.