Contributions to optimal detection in OTDM and OCDMA optical receivers
Authors:   , Yazdani Arash 
Published: September 2023

Recent developments in optical communication systems have increased the performance of optical networks. Low attenuation fiber optics, high spectral purity lasers and optical amplifiers, among others, are systems that have allowed to transport terabits per second across thousands of kilometers, in a more reliable, secure and efficient manner, compared to radiofrequency (RF) systems. New optical access network technologies such as EPON and GPON are also providing Gbit/s connectivity to customers in both the enterprise and consumer markets. This transport capacity provides enough data for the growing demand of new communication services.
The main goal of the researchers in optical networks is to provide higher-speed data transmission by exploiting the intrinsically fast behavior of the optical domain. Optical signal processing is a key technology for constructing flexible and ultra high-speed photonic networks. In this context, it will be possible to build ultra-high speed, simple and reliable optical networks, at low operational expenses, regardless of the format of the information.
Before these technologies enter into commercial operation, some obstacles should be removed, such as the problem of obtaining extremely precise synchronization of the network without any optical-electrical conversion. Also, a synchronization-related problem appear at the receiver for some systems such as OTDM and OCDMA, where even the fastest photo-detectors are not able to separate the data of the desired user from the signals of the adjacent users. This means that detection of ultrashort pulses in the presence of the multiple access interference (MAI) is key in these systems. Therefore, it is vital to apply an all-optical signal processing on the received optical signal before the photo-detection. In most of the ultra-high-speed light-wave communication systems, it is an effective technique to use an optical time gating at the receiver side in order to extract the desired user's signal from the received signal. This approach requires an optical clock recovery procedure. But by increasing the data rate in optical networks the accuracy of the optical clock recovery decreases because of increasing jitter and MAI and consequently the system performance is degraded. Currently the only approach is to use a clock signal that has the same pulse-width as the data, and when the jitter is large, this technique fails to properly capture the main part of the data signal and collects more interference instead, so these techniques have to lower the data-rate to avoid large BERs. Our contributions can achieve larger signal to noise ratio versus the fixed pulse-width clock.
The main goal of this work is to discuss the characteristics of the current transmission technologies, including OTDM and OCDMA, providing a detailed analytical model and proposing a solution for improving the performance of optical receivers. We use a nonlinear media (Four Wave Mixing) as a combiner in the receivers. We have modeled analytically the relationship between the input and the output of the nonlinear media systems in these techniques using nonlinear Schrödinger equations. Then, we solved these equations by Volterra series. Our aim is to develop analytical models of the response of the optical receiver, and validate them with simulations. Also we consider the effect of variation of the bandwidth of the clock in the performance of receivers with presence of jitter. We obtain the optimum value of the clock's bandwidth and confirm that theory and simulation results coincide. Using our proposed technique, the data-rate of the optical systems can be increased and we can achieve a lower BER for the same jitter. The goal of these efforts is the improvement of the overall performance of the network, in terms of transmission speed, bit error rate (BER), reliability and cost. The results could be applied to next-generation optical networks, in both the backbone and access scenarios.

Los sistemas de comunicaciones ópticas aumentan constantemente su rendimiento. La disponibilidad de fibras con muy baja atenuación, láseres de alta pureza espectral y amplificadores ópticos, entre otros, hacen factible el transporte de Tbit/s a miles de kilómetros, de una manera más fiable, segura y eficiente que los sistemas basados en radiofrecuencia. Una nueva generación de redes ópticas de acceso, tales como EPON y GPON, ya están proporcionando conectividad a Gbit/s en los mercados tanto empresarial y de consumo, lo que permitirá sostener la creciente demanda de los usuarios. El principal objetivo de los investigadores en el campo de las redes ópticas es aumentar la velocidad de transmisión de datos, explotando el comportamiento intrínsecamente rápido del dominio óptico. En este contexto, el procesado de la señal en el dominio óptico es una tecnología clave para la construcción de redes fotónicas manteniendo su simplicidad y el bajo coste de operación, así como la independencia del formato de la información. Para conseguirlo, hay obstáculos a superar, como el problema del mantenimiento de la sincronía extremadamente precisa que es necesaria en redes sin conversión electro-óptica. Otro problema es la recuperación de la sincronía en los detectores de los receptores usados en las técnicas OTDM y OCDMA, donde incluso los fotodetectores más rápidos no son capaces de separar los datos del usuario deseado de las señales de los usuarios adyacentes. La detección de pulsos ultracortos en presencia de la interferencia debida al acceso múltiple (MAI) es un reto importante. Por ello es vital aplicar procesado óptico en la señal recibida, antes de la fotodetección. Una técnica efectiva para realizar la detección es el uso de una puerta óptica en el receptor, con el fin de extraer la señal del usuario deseado. Esto requiere recuperar por procedimientos puramente ópticos la señal de reloj. Pero al aumentar la velocidad de transmisión, la precisión de la recuperación de reloj disminuye debido al aumento de la fluctuación de fase (jitter) y la MAI, y en consecuencia el rendimiento del sistema se degrada. Actualmente, el enfoque usado es usar un reloj con el mismo ancho de pulso que la señal de datos útiles, pero cuando la fluctuación de fase es grande, esta técnica falla al no capturar correctamente la parte principal de la señal de datos y recoger una mayor interferencia. Forzando estas técnicas a trabajar a velocidades inferiores a las potenciales para evitar que la tasa de errores (BER) se dispare. Este trabajo logra una mayor relación señal a ruido (y por tanto, una BER inferior) respecto el caso de las señales con duración fija del pulso de reloj. Se han analizado las características de las tecnologías OTDM y OCDMA, proponiendo un modelo analítico detallado, y se ha aportado una solución para mejorar el rendimiento de los receptores ópticos, utilizando un medio no lineal (Four Wave Mixing) como combinador en los receptores. Se ha modelado analíticamente la relación entre la entrada y la salida en un medio no lineal, mediante técnicas que utilizan las ecuaciones de Schrödinger, solucionadas mediante series de Volterra. Los modelos analiticos de la respuesta del receptor óptico se han validado con simulaciones, teniendo en cuenta el efecto de la variación del ancho de banda del reloj en el rendimiento de los receptores, con presencia de fluctuación de fase. Se ha obtenido el valor óptimo del ancho de banda de la señal de reloj, y se ha comprobado que los resultados de la teoría y la simulación coinciden. Los resultados obtenidos permiten incrementar la velocidad de transmisión de datos en redes ópticas manteniendo la BER, o bien obtener una BER más baja para el mismo nivel de jitter