Real-time optical monitoring system based on dispersion-induced frequency-to-time mapping concept.

Shoeib, Afsaneh (2024). Real-time optical monitoring system based on dispersion-induced frequency-to-time mapping concept. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en télécommunications, 118 p.

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Résumé

Dans le monde d'aujourd'hui, les réseaux optiques constituent une pierre angulaire dans le domaine de la communication moderne et de l'échange de données. Ces réseaux sont cruciaux pour maintenir des normes élevées de qualité de service (QoS) et respecter les accords de niveau de service (SLA) requis par les abonnés des services de réseau. Une gestion efficace, en particulier dans la gestion de la performance, est essentielle pour assurer l'intégrité du signal lors de la transmission, de la commutation et du routage. Traditionnellement, la gestion de la performance des systèmes optiques s'est appuyée sur des mesures fondamentales telles que la puissance optique, la longueur d'onde et les niveaux de bruit. Ces paramètres sont analysés à l'aide de logiciels de gestion de réseau pour optimiser l'efficacité du système. Cependant, la demande croissante en bande passante du réseau et les avancées dans les technologies optiques ont poussé les taux de transmission de données sur des canaux de longueur d'onde individuels à dépasser les 40 Gb/s. Parallèlement, le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) a gagné en importance, combinant plusieurs canaux de longueur d'onde sur un seul lien en fibre pour augmenter considérablement la capacité de transmission du système.
Pourtant, ces signaux optiques à haute vitesse sont de plus en plus sujets à une variété de dégradations du système. Cette vulnérabilité nécessite des techniques sophistiquées de traitement des signaux optiques pour caractériser précisément la qualité du signal et assurer la performance des signaux optiques à haute vitesse dans divers formats de modulation. Au cours de la dernière décennie, des efforts de recherche significatifs ont été dirigés vers le développement de méthodes de surveillance de la performance optique (OPM) pour les systèmes et réseaux optiques, marquant une avancée majeure dans le domaine. Malgré des avancées considérables dans les techniques de surveillance, il reste un besoin de méthodes avec des temps de réponse plus rapides et une mise en oeuvre plus simple pour des applications réussies.
La surveillance optique en temps réel du contenu en fréquence des formes d'onde avec une grande vitesse est essentielle pour assurer un fonctionnement fiable du réseau et jouera un rôle clé dans les futurs systèmes de communication optique. La transformation de Fourier dispersive ou la méthode de cartographie fréquence-temps dispersive (D-FTM) permet une analyse spectrale en temps réel de signaux pulsés isolés courts mais ne peut pas être appliquée à des formes d'onde continues. Dans cette thèse, nous proposons pour la première fois un système de surveillance optique en temps réel appelé RTOM pour l'analyse spectrale dynamique des flux de données de télécommunication entrants sur de larges bandes de fréquences, en utilisant un échantillonnage temporel périodique et un schéma de retard dispersif. L'unité d'échantillonnage temporel périodique peut être mise en oeuvre par l'intermédiaire d'un modulateur d'intensité EO, tel qu'un modulateur Mach-Zehnder (MZM) piloté par un train d'impulsions radiofréquence (RF) périodique avec une période de répétition de ��. Le taux de mise à jour des mesures du système proposé est ultimement limité par l'inverse de la période d'échantillonnage ��. Les impulsions d'échantillonnage ont une durée de largeur à mi-hauteur (FWHM) de Δ��, qui doit être suffisamment longue pour capturer assez d'informations sur le signal de données tout en satisfaisant la condition de champ lointain pour la dispersion choisie. L'objectif est de conduire une étude théorique et une analyse du schéma proposé, comprenant la dérivation des équations de conception essentielles et l'exploration des compromis inhérents. Nous validons notre approche à travers des simulations numériques complètes ainsi que des démonstrations expérimentales. Un avantage clé de notre schéma proposé est qu'il offre des améliorations de la vitesse de mesure, avec des taux de mise à jour atteignant le niveau des MHz. Cela surpasse l'un des principaux inconvénients des méthodes de surveillance des signaux WDM actuelles, caractérisées par des taux de mise à jour lents, se situant dans la gamme des kHz. De plus, ce système fournit une approche rentable avec la capacité d'intégration en ligne pour l'analyse spectrale en temps réel de toute forme d'onde large bande dynamique.

In today's world, optical networks serve as a cornerstone in the realm of modern communication and data exchange. These networks are crucial for maintaining high standards of quality of service (QoS) and adhering to service-level agreements (SLAs) as required by network service subscribers. Effective management, especially in performance management, is essential to assure signal integrity during transmission, switching, and routing. Traditionally, optical system performance management has relied on fundamental measurements such as optical power, wavelength, and noise levels. These parameters are analyzed using network management software to optimize system efficiency. However, the escalating demand for network bandwidth and advancements in optical technologies have driven data transmission rates on individual wavelength channels to exceed 40 Gb/s. Concurrently, wavelength-division multiplexing (WDM) has gained prominence, combining multiple wavelength channels on a single fiber link to substantially increase system’s transmission capacity.
Yet, these high-speed optical signals are increasingly prone to a variety of system impairments. This vulnerability necessitates sophisticated optical signal processing techniques to precisely characterize signal quality and ensure the performance of high-speed optical signals in various modulation formats. Over the last decade, significant research efforts have been directed towards developing optical performance monitoring (OPM) methods for optical systems and networks, marking a major advancement in the field. Despite tremendous advancements in monitoring techniques, there remains a need for methods with faster response times and simpler implementation for successful applications.
Real-time optical monitoring of waveform frequency content with high speed is essential for ensuring reliable network operation and will play a key role in future optical communication systems. Dispersive Fourier transformation or dispersive frequency-to-time (D-FTM) mapping method enables real-time spectral analysis of short isolated pulse-like signals but cannot be applied to continuous waveforms. In this thesis, we propose for the first time a real-time optical monitoring system called RTOM for dynamic spectral analysis of incoming telecommunication data streams over broad frequency bands, employing a periodic temporal sampling and dispersive delay scheme. The periodic temporal sampling unit can be implemented through a EO intensity modulator, such as a Mach-Zehnder modulator (MZM) driven by a periodic radiofrequency (RF) pulse train with a repetition period of ��. The proposed system’s measurement update rate is ultimately limited by the inverse of the sampling period ��. The sampling pulses have a full-width at half maximum (FWHM) time-width duration of Δ��, which has to be sufficiently long such that to capture enough data signal information while satisfying the far-field condition for the chosen dispersion. The objective is to conduct a theoretical study and analysis of the proposed scheme, encompassing the derivation of essential design equations and the exploration of inherent trade-offs. We validate our approach through comprehensive numerical simulations as well as experimental demonstrations. A key advantage of our proposed scheme is that it offers orders-of-magnitude improvements in measurement speed (to the MHz update rate level), thus overcoming one of the main drawbacks of present WDM signal monitoring methods (slow update rates in the kHz range). In addition, this system provides a cost-effective approach with in-line integration capability for real-time spectral analysis of any dynamic broadband waveform.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Azana, José
Mots-clés libres:	Surveillance optique ; analyse spectrale en temps réel ; échantillonnage temporel ; cartographie temps-fréquence ; optique de fibre ; dispersion optique ; multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) ; Optical monitoring ; real-time spectral analysis ; temporal sampling ; time-frequency mapping ; fiber optics ; optical dispersion ; wavelength-division-multiplexing (WDM)
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	26 nov. 2024 19:50
Dernière modification:	26 nov. 2024 19:50
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16188

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