Department of Broadband Infocommunications and Electromagnetic Theory (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2013-09-01
Closing date
2016-08-31
Funding (in million HUF)
10.460
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A növekvő felhasználói igények miatt a jelenleg már széleskörűen használt passzív optikai hálózatokat tovább kell fejleszteni, kapacitásukat növelni. Egyik legígéretesebb fejlődési irány a hullámhossz multiplexálás technikájának alkalmazása ebben a hálózati szegmensben is (WDM-PONs). A WDM-PON nagy kapacitást, védett összeköttetést és magas flexibilitást nyújt. Ugyanakkor a WDM eszközök, elsősorban a speciális fényforrások alkalmazása jelentős költségnövekedéssel jár. A költséghatékonyság érdekében hullámhossz független optikai hálózati egységekre van szükség. Erre számos megoldás létezhet, de a reflektív félvezető optikai erősítő (RSOA) az egyik legperspektivikusabb jelölt, hiszen széles frekvenciatartományban működik és multifunkcionális eszközként egyszerre képes lehet az optikai átviteli csillapítások kompenzálására, illetve az optikai moduláció megvalósítására. Ugyanakkor a SOA alapú egység részletes vizsgálata még nem befejezett. Számos nyitott kérdés van a tématerületen, melyek közül legfontosabb probléma a SOA korlátos modulációs sávszélessége, de érdekes kérdés a különböző típusú (in-line és reflektív) eszközök összehasonlítása vagy a további minőségrontó hatások feltérképezése. Tehát a project javaslat motivációja a rendszer kulcsszereplője, a SOA miatt felmerült problémák optimális megoldása. Korábbi munkám során már végeztem előtanulmányokat és kísérleteket a témában. Ezek alapján azt gondolom, hogy a feladat elvégzéséhez megfelelő felkészültséggel rendelkezem.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A fogyasztói igények rohamos növekedésének következtében fontos az optikai hozzáférési hálózatok folyamatos fejlesztése. Egy perspektivikus irány a RSOA alapú WDM-PON, amelyben a megoldatlan problémák alapkutatás jellegű munkát és megfontolásokat igényelnek és amelyek nem oldhatók meg az eszköz belső folyamatainak ismerete és a távközlési megközelítés nélkül. A project javaslat kutatási kérdése ezeknek a problémáknak a vizsgálata és az optimális megoldás keresése rendszer és eszközszinten is. Egyrészt kérdés, hogy az in-line vagy a reflexiós eszköz tulajdonságai felelnek meg jobban az adott alkalmazásnak. Ez az eszközök belső folyamatait is leíró modellezést igényel, amely lehetővé teszi a részletes vizsgálatokat és az összehasonlítás elvégzését. A második kérdés a SOA töltéshordozó élettartamából adódó korlátozott modulációs sávszélesség problémájának megoldása. A project egy optikai szűrő használatát javasolja, mellyel a SOA kimenetén megjelenő fázismodulációt intenzitásmodulációvá konvertálhatjuk. A módszerrel az átviteli függvényt változtatjuk meg, a rendszer sávszélességét növeljük. Az ötlet további kidolgozást igényel, mely során a szükséges optikai szűrő karakterisztikák is meghatározhatóak. A kutatás utolsó kérdése, hogy a rendszerben fellépő további hatások (SOA nemlineáris modulációs karakterisztikája és chirp-je, fényvezető szál diszperziója, detektálás négyzetes karakterisztikája, optikai reflexiók) milyen mértékben rontják a jelátvitelt. Összefoglalva a project kérdése az RSOA alapú WDM-PON rendszerek minőségrontó hatásainak feltérképezése, ezek kompenzálási lehetőségeinek vizsgálata, optimális megoldási módszerek megadása.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatásban elért eredmények új lehetőségeket teremtenek a költséghatékony optikai hozzáférési hálózatok, a Fiber To The Home (FTTH) rendszerek kapacitásának növelésével. Az alkalmazott eszköz részletes, belső folyamatokat is leíró modellezése alapján egyszerűen és hatékonyan lehet a felhasználók igényeinek megfelelő, optimális eszközöket és rendszer struktúrát kiválasztani. A vizsgálatok eredménye megfelelő eszközt ad a hálózattervezők kezébe a különböző minőségrontó tényezők elleni harcban, kiemelten igaz mindez az alkalmazott perspektivikus eszköz korlátos sávszélességével kapcsolatban. Mindez megfelelő megoldást kínál a jövő intelligens otthonainak kiszolgálására.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az utóbbi években bekövetkező változások, az informatikai rendszerek egyre szélesebb körű használata új kihívások elé állítják a távközlési hálózatokat. Ennek következménye, hogy már nem csak a nagytávolságú összeköttetésekben, hanem a felhasználókhoz közeli szegmensekben is megjelent az optikai átvitel alkalmazása. Ugyanakkor az ilyen típusú rendszerek nagyon költségérzékenyek, a költséghatékony megoldások azonban gyakran a minőség rovására mennek. A kutatás fő célja ennek az ellentmondásnak a feloldása. Tehát a költséghatékony megoldások problémáinak felmérése, a megoldási lehetőségek vizsgálata és optimális megoldási módszer meghatározása a téma elméleti és gyakorlati kutatási módszereinek segítségével.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Broadband access networks based on optical technology are being worldwide deployed and further developed such as wavelength division multiplexed passive optical networks (WDM-PONs). The WDM-PON is one of promising candidates for the future access networks thanks to its very large capacity, strong security, and high flexibility. However, WDM can be relatively expensive to implement owing to the cost of the specified wavelength sources. In respect to cost effectiveness, the development of colourless optical network units (ONU) source is a key issue in WDM-PON technologies to reduce the system cost dramatically. Among various solutions, RSOAs is a good candidate due to flexibility to assign a wavelength to the upstream signal, modulation with amplification at the same time. However the SOA based transmitters are not analyzed in details. There are several open questions, e.g. in-line or reflective device is more suitable, the modulation bandwidth of the SOA limits the performance, other physical effects limit the transmission. So motivation of the project is to propose and demonstrate the best solution of the problems which come from the key device (SOA) of the system. I have already made preliminary theoretical and experimental works in this field; therefore, I believe I am able to carry out the proposed research with success.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. In order to meet consumer needs at affordable costs it is important to develop access networks platforms. The WDM-PON architectures based on RSOA have been considered a cost effective solution providing colourless operation. However several unsolved problems present, which require fundamental considerations and research. The research question is the investigation these problems and the determination of the optimal device and system architectures. First question is the determination, that in-line or reflective device is more suitable. For this purpose investigation and comparison study are necessary. The task requires deep modelling work. Second problem is the limited bandwidth comes from the long carrier lifetime in the SOA. Several approaches have been already proposed, but I suppose the application an optical filter for phase to amplitude conversion, which modifies the frequency response and improves the system bandwidth. It is necessary to develop the idea in details to establish the optimal optical filter parameters. The next tasks are the feasibility study and the investigation on multifunctional optical filter. The last question is the study of the other degradation effects. The investigation will be done on the intermodulation arising from the nonlinear characteristics of the SOA modulator, the chirp of the SOA, the fiber dispersion, the square law characteristics of the photodetection process and the optical reflection. In general, the main question of the research is the exploration of the degradation effects in the RSOA based WDM-PON systems, the investigation on the compensation techniques, and the determination the optimal solution methods.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The expected results of the research project ensure novel prospect, because it can improve the capacity of the cost-effective passive optical networks, Fiber-to-the-home (FTTH) systems. The new detailed model will describe the inside physical effects of the semiconductor optical amplifier and the degradations arising from other optical elements. It will provide a simple and effective method to select the optimal device and system structures. So the results of the research work will help to the network designers, who have to calculate with the optical degradation effects. The project will give substantial consideration to the improvement of the modulation bandwidth which determines the capacity of the system. Above all, the research offers adequate solution for the feeding of the future intelligent homes.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Changes in recent years, the increase in the use of IT systems and new services cause quite challenges to the telecommunications networks. As a result, not only in the long-haul connections use optical transmission, but it is already used in the last mile segment. On the other hand, this segment is cost-sensitive. The applications of cost-effective solutions may cause the degradation of the quality. The main purpose of this research is solving this conflict. Thus, the assessment problems of the cost-effective approaches, the investigation of the alternative methods and the determination the optimal solution are the main tasks. It will be done by combining the theoretical and experimental research methods.
Final report
Results in Hungarian
A project tudományos célkitűzése a reflektív félvezető optikai erősítőt (RSOA) alkalmazó hullámhossszosztáson alapuló optikai hozzáférési hálózatokban felmerülő problémák elméleti és gyakorlati megoldása volt. A kísérleti karakterizálás eredményeit felhasználva rate egyenleteken alapuló, az eszköz belső folyamatait leíró modellt alkottam. A modell figyelembe vette a többszekciós viselkedést (változások az eszköz hossza mentén), a chirp hatást (nem kívánt fázismoduláció) és a belső optikai reflexiókat.Ezután a modellt integráltam a VPI Transmission Maker optikai rendszerszimulátorba, amely lehetővé tette a teljes hálózat viselkedésének vizsgálatát. Új módszert javasoltam a legfontosabbnak talált korlátozó tényező, a limitált modulációs sávszélesség javítására. Az RSOA közvetlen modulációjának következtében a kimeneti optikai jel intenzitásban és fázisban modulált komponenst is tartalmaz. Közvetlen vétel esetén csak az intenzitásmodulációs tagot használjuk fel. A javasolt megoldásban a fázismodulált tagot egy fázis-intenzitás konverterrel intenzitásmodulációvá alakítjuk, ezzel az átviteli függvény sávszélességét növeljük. A konverziót egy megfelelően beállított félrehangolt optikai szűrővel lehet megvalósítani. A javasolt rendszert implementáltam a VPI környezetben. A kialakított szimulációs programmal vizsgálható a különböző optikai szűrő típusok, a szűrő meredeksége, illetve az elhangolás mértékének hatása. A szimulációs eredményeket mérési vizsgálatokkal támasztottam alá.
Results in English
The scientific goal of the project is to produce new theoretical and practical results in semiconductor optical amplifier based colorless optical unit for wavelength division multiplexed optical access networks.
Based on experimental characterization of the device a detailed device structural model based on the rate equations was developed, which described the internal physical effects of the device. It took into account the behaviour of the multisession devices, the chirp effect and the internal reflection. The models were integrated to the VPI Transmission Maker optical device and system simulation environment.
Next a novel method was proposed, which enhance the bandwidth of the transfer function of the system. Direct modulation of RSOA produces optical signals modulated both in amplitude and phase. The phase modulation part can be converted to amplitude modulation by proper detuned optical filter and it can be received by direct detection. The suggested system was implemented in VPI. It can determine the effects of optical filter type, optical filter slope and the off-set frequency. The simulation results were validated by experimental work.
Domján Zsolt: Reflektív és In-line félvezető optikai erősítő összehasonlítása, MSc diploma 1 beszámoló, Budapesti Műszaki Egyetem, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék, 2014
Kun András: Reflektív SOA alapú optikai modulátor sávszélességének vizsgálata, BSc önálló labor beszámoló, Budapesti Műszaki Egyetem, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék, 2014
Bokori Nóra: RSOA modulációs sávszélességének vizsgálata, MSc 1 önálló labor beszámoló, Budapesti Műszaki Egyetem, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék, 2015, 2015
Nóra Bokori (supervisor: Eszter Udvary): RSOA modulációs sávszélességének vizsgálata, MSc thesis, , Budapest University of Technology and Economics, Department of Broadband Infocommunication and Electromagnetic Theory, 2016
András Kun (supervisor: Eszter Udvary): Reflektív SOA alapú optikai modulátor sávszélességének vizsgálata, BSc Project Laboratory report, Budapest University of Technology and Economics, Department of Broadband Infocommunication and Electromagnetic Theory, 2014
