A oferta de novos serviços para os usuários finais, como o denominado triple play, que consiste no tráfego simultâneo de voz, vídeo e dados utilizando a mesma infra-estrutura de comunicação, vem exigindo que as estruturas de rede das operadoras ofereçam largura de banda adequada e qualidade de serviço. Nesse contexto, as redes ópticas passivas (PON) vêm se destacando em virtude de oferecerem maior largura de banda a custos relativamente baixos. Nas redes ópticas passivas, trechos de fibras ópticas podem ser compartilhados entre diversos assinantes, exigindo, para isso, a utilização de técnicas de controle de acesso múltiplo. Destaque maior é dado à técnica de acesso múltiplo por divisão de códigos ópticos (OCDMA), por apresentar características tais como maior segurança e capacidade flexível sob demanda. O desempenho dessa tecnologia é basicamente limitado pela interferência de acesso múltiplo, ou interferência multiusuário (MAI). No presente trabalho, cenários OCDMA-PON utilizando códigos ópticos unidimensionais, baseados na codificação prima modificada (MPC), e bidimensionais, baseados na codificação óptica ortogonal de múltiplos comprimentos de onda (MWOOC), são descritos, e seus respectivos desempenhos investigados. Os desempenhos desses sistemas são verificados utilizando-se os seguintes esquemas de modulação: 1) On-off Keying (OOK), cujo formalismo para a codificação padded MPC (PMPC) e double padded MPC (DPMPC) foi aqui desenvolvido, 2) por posição de pulso (PPM), considerando os ruídos poissonianos de deteção, cujo formalismo foi também aqui desenvolvido, 3) por posição de pulso (PPM) considerando apenas a interferência de acesso múltiplo (MAI), 4) semelhante ao (3), porém, utilizando a técnica mitigadora de MAI via cancelamento paralelo de interferência (PIC), e 5) semelhante ao (4) porém utilizando modulação por chaveamento de frequência (FSK). Em seguida, a codificação bidimensional MWOOC, utilizando modulação OOK, é analisada com e sem a utilização de PIC. Além desses esquemas, são também incluídas, pela primeira vez nesses formalismos, técnicas de correção posterior de erro (FEC) baseadas no algoritmo Reed-Solomon (RS). A figura de mérito adotada nas simulações é baseada no cálculo da taxa de erro de bit (BER). Os resultados obtidos para os diversos casos investigados neste trabalho indicam que a combinação PIC/FEC deve ser considerada de modo a se obter níveis de BER compatíveis com a região livre de erros (BER < \'10 POT.-12\') para os cenários de redes de acesso atuais e futuros (visando atender a 32 ou 64 usuários simultâneos). / The advent of new services offered to end users, such as the so called triple play, which consists in the simultaneous traffic of voice, video, and data through the same communication infrastructure, has been pushing telecom operators towards providing adequate bandwidth as well as quality of service. This has brought the spotlight to passive optical networks (PONs) by virtue of their considerably higher bandwidth at relatively low cost. In PONs, certain fiber optic spans can be shared among different users as long as multiple access control techniques are used. One such technique is the optical code division multiple access (OCDMA) technique, which, in addition, presents improved data security and flexible capacity on demand. The performance of this technology is basically limited by multi access interference (MAI), which becomes more severe as the number of simultaneous users increases. In the present work, OCDMA-PON scenarios utilizing one- and two-dimensional optical codes separately such as modified prime codes (MPC) and multi-wavelength optical orthogonal codes (MWOOC), are described and thoroughly investigated. The performances of these systems are investigated based on the following modulation schemes: 1) On-off keying (OOK), where a new formalism for the double-padded MPC is proposed, 2) Pulse position modulation (PPM), and 3) Frequency shift keying (FSK) together with MAI mitigation technique based on parallel interference cancelation (PIC). Besides these schemes, it is also included for the first time in these formalisms forward error correction techniques (FEC) based on the Reed-Solomon (RS) algorithm. The figure of merit adopted in all simulations is the bit error rate (BER). The results obtained for the cases investigated in this work indicate that the combination PIC/FEC must be considered if one is interested in obtaining BER levels compatible with the error-free region (BER < \'10 POT.-12\') for the current and future access network scenarios (aiming at attending 32 or 64 simultaneous users).

A oferta de novos serviços para os usuários finais, como o denominado triple play, que consiste no tráfego simultâneo de voz, vídeo e dados utilizando a mesma infra-estrutura de comunicação, vem exigindo que as estruturas de rede das operadoras ofereçam largura de banda adequada e qualidade de serviço. Nesse contexto, as redes ópticas passivas (PON) vêm se destacando em virtude de oferecerem maior largura de banda a custos relativamente baixos. Nas redes ópticas passivas, trechos de fibras ópticas podem ser compartilhados entre diversos assinantes, exigindo, para isso, a utilização de técnicas de controle de acesso múltiplo. Destaque maior é dado à técnica de acesso múltiplo por divisão de códigos ópticos (OCDMA), por apresentar características tais como maior segurança e capacidade flexível sob demanda. O desempenho dessa tecnologia é basicamente limitado pela interferência de acesso múltiplo, ou interferência multiusuário (MAI). No presente trabalho, cenários OCDMA-PON utilizando códigos ópticos unidimensionais, baseados na codificação prima modificada (MPC), e bidimensionais, baseados na codificação óptica ortogonal de múltiplos comprimentos de onda (MWOOC), são descritos, e seus respectivos desempenhos investigados. Os desempenhos desses sistemas são verificados utilizando-se os seguintes esquemas de modulação: 1) On-off Keying (OOK), cujo formalismo para a codificação padded MPC (PMPC) e double padded MPC (DPMPC) foi aqui desenvolvido, 2) por posição de pulso (PPM), considerando os ruídos poissonianos de deteção, cujo formalismo foi também aqui desenvolvido, 3) por posição de pulso (PPM) considerando apenas a interferência de acesso múltiplo (MAI), 4) semelhante ao (3), porém, utilizando a técnica mitigadora de MAI via cancelamento paralelo de interferência (PIC), e 5) semelhante ao (4) porém utilizando modulação por chaveamento de frequência (FSK). Em seguida, a codificação bidimensional MWOOC, utilizando modulação OOK, é analisada com e sem a utilização de PIC. Além desses esquemas, são também incluídas, pela primeira vez nesses formalismos, técnicas de correção posterior de erro (FEC) baseadas no algoritmo Reed-Solomon (RS). A figura de mérito adotada nas simulações é baseada no cálculo da taxa de erro de bit (BER). Os resultados obtidos para os diversos casos investigados neste trabalho indicam que a combinação PIC/FEC deve ser considerada de modo a se obter níveis de BER compatíveis com a região livre de erros (BER < \'10 POT.-12\') para os cenários de redes de acesso atuais e futuros (visando atender a 32 ou 64 usuários simultâneos). / The advent of new services offered to end users, such as the so called triple play, which consists in the simultaneous traffic of voice, video, and data through the same communication infrastructure, has been pushing telecom operators towards providing adequate bandwidth as well as quality of service. This has brought the spotlight to passive optical networks (PONs) by virtue of their considerably higher bandwidth at relatively low cost. In PONs, certain fiber optic spans can be shared among different users as long as multiple access control techniques are used. One such technique is the optical code division multiple access (OCDMA) technique, which, in addition, presents improved data security and flexible capacity on demand. The performance of this technology is basically limited by multi access interference (MAI), which becomes more severe as the number of simultaneous users increases. In the present work, OCDMA-PON scenarios utilizing one- and two-dimensional optical codes separately such as modified prime codes (MPC) and multi-wavelength optical orthogonal codes (MWOOC), are described and thoroughly investigated. The performances of these systems are investigated based on the following modulation schemes: 1) On-off keying (OOK), where a new formalism for the double-padded MPC is proposed, 2) Pulse position modulation (PPM), and 3) Frequency shift keying (FSK) together with MAI mitigation technique based on parallel interference cancelation (PIC). Besides these schemes, it is also included for the first time in these formalisms forward error correction techniques (FEC) based on the Reed-Solomon (RS) algorithm. The figure of merit adopted in all simulations is the bit error rate (BER). The results obtained for the cases investigated in this work indicate that the combination PIC/FEC must be considered if one is interested in obtaining BER levels compatible with the error-free region (BER < \'10 POT.-12\') for the current and future access network scenarios (aiming at attending 32 or 64 simultaneous users).

Este trabalho faz uma extensa e detalhada análise de sistemas ópticos coerentes baseados na tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código, com ênfase naqueles em que o processo de codificação do sinal óptico é realizado por meio de deslocamentos de fase no domínio espectral (SPECTS-OCDMA). Apesar de ser um estudo numérico, esforços são concentrados na tentativa de aproximar estes cenários simulados aos cenários mais realistas, implementados em laboratórios. Nesse contexto, levando em consideração o impacto dos efeitos dispersivos e nãolineares da fibra óptica em sistemas SPECTS-OCDMA, são modelados diversos dispositivos que constituem o sistema de recepção do sinal óptico (nonlinear optical loop mirror e nonlinear thresholder), e mostradas suas influências no desempenho do sistema. Isso permite identificar o exato grau de interferência que cada código de uma determinada família de códigos causa nos outros códigos da mesma família. Esta análise é diferente de tudo previamente reportado para os sistemas OCDMA, porque até então sempre se supôs que todos os códigos de uma mesma família têm o mesmo desempenho. Também é demonstrado que uma escolha ótima do conjunto de códigos reduz consideravelmente a taxa de erro de bit (BER). Os conjuntos ótimos de códigos são obtidos em termos do padrão de interferência causado por todos os códigos no usuário de interesse. Isso permite mostrar que o uso de conjuntos ótimos de códigos não só melhora o desempenho geral do sistema em termos de BER, mas também elimina a quebra de ortogonalidade (nunca levada em consideração em análises anteriores de sistemas OCDMA) devido à diafonia (crosstalk). Este aspecto também é resolvido com detalhes neste trabalho uma vez que ele compromete seriamente a segurança do sistema contra espiões (intencionais e não intencionais). Ainda visando a modelagem de dispositivos voltados para sistemas ópticos coerentes, também foi investigado neste trabalho a evolução de pulsos ultracurtos e de alta potência (com fase modulada no domínio espectral) em fibras altamente não-lineares. Esse fenômeno conhecido por geração de luz supercontínua é caracterizado por um forte alargamento espectral induzido por efeitos não-lineares no meio óptico, e que encontra uma grande variedade de aplicações, como tomografia por coerência óptica, espectroscopia e metrologia de frequência. Entretanto, o ajuste do espectro obtido após a propagação para uma dessas aplicações requer uma escolha correta da fibra óptica e da fonte de pulsos ultracurtos utilizados. Uma vez que esses parâmetros estão definidos, fica muito difícil conseguir um ajuste fino do espectro obtido. Dessa forma, a vantagem da utilização de pulsos modulados é a possibilidade de se realizar uma sintonia fina do espectro obtido para uma aplicação desejada. Além disso, essa técnica permite a geração de pentes de frequências ópticos (optical frequency combs) sintonizáveis. / In this work we perform a comprehensive analysis of a spectral phase-encoded time spreading optical code division multiple access (SPECTS-OCDMA) system. Despite being a numerical study, efforts were concentrated on the investigation of more realistic scenarios using as much information as possible from implemented test-beds in laboratories. In this context, after take into account the impact of dispersive and nonlinear effects of optical fiber in SPECTS-OCDMA systems, some devices of the optical signal reception subsystem are modeled (nonlinear optical loop mirror and nonlinear thresholder), and their influences on system performance are shown. This allowed for the first time in the OCDMA literature the identification of the exact degree of interference that each code of a particular family of codes causes on other codes of the same family. This analysis considerably advances the common sense adopted in the literature in which all codes of the same family perform equally. It is demonstrated that an adequate (optimal) choice of codes can reduce considerably the bit error rate (BER). The optimal code-sets are obtained in terms of the interference pattern caused by every code on the code of interest. Furthermore, it is shown that the use of optimal code-sets not only improves the overall system performance in terms of BER, but also eliminates the orthogonality failure (never accounted for in previous OCDMA analysis) due to crosstalk. This issue is also addressed in details in this work since it seriously compromises the security of the system against (intentional or unintentional) eavesdroppers. Still aiming at modeling devices for coherent optical systems, it is investigated the evolution of ultrashort high-power pulses (spectrally phase modulated) in high nonlinear fibers. This phenomenon known as supercontinuum generation is characterized by strong spectral broadening induced by nonlinear effects in optical medium, and finds a wide range of applications such as optical coherence tomography, spectroscopy and frequency metrology. However, tailoring the supercontinuum (SC) spectra to a specific application requires the correct choice of the optical fiber and the ultrashort pulse source. Once these parameters are defined, it becomes very difficult to achieve a fine tune of the generated spectra. Therefore, an alternative is to phase modulate the input pulse to adjust the generated spectra to a specific application. Also, we show that this technique allow us to generate tunable optical frequency combs simply by adjusting the modulation parameters.

Este trabalho faz uma extensa e detalhada análise de sistemas ópticos coerentes baseados na tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código, com ênfase naqueles em que o processo de codificação do sinal óptico é realizado por meio de deslocamentos de fase no domínio espectral (SPECTS-OCDMA). Apesar de ser um estudo numérico, esforços são concentrados na tentativa de aproximar estes cenários simulados aos cenários mais realistas, implementados em laboratórios. Nesse contexto, levando em consideração o impacto dos efeitos dispersivos e nãolineares da fibra óptica em sistemas SPECTS-OCDMA, são modelados diversos dispositivos que constituem o sistema de recepção do sinal óptico (nonlinear optical loop mirror e nonlinear thresholder), e mostradas suas influências no desempenho do sistema. Isso permite identificar o exato grau de interferência que cada código de uma determinada família de códigos causa nos outros códigos da mesma família. Esta análise é diferente de tudo previamente reportado para os sistemas OCDMA, porque até então sempre se supôs que todos os códigos de uma mesma família têm o mesmo desempenho. Também é demonstrado que uma escolha ótima do conjunto de códigos reduz consideravelmente a taxa de erro de bit (BER). Os conjuntos ótimos de códigos são obtidos em termos do padrão de interferência causado por todos os códigos no usuário de interesse. Isso permite mostrar que o uso de conjuntos ótimos de códigos não só melhora o desempenho geral do sistema em termos de BER, mas também elimina a quebra de ortogonalidade (nunca levada em consideração em análises anteriores de sistemas OCDMA) devido à diafonia (crosstalk). Este aspecto também é resolvido com detalhes neste trabalho uma vez que ele compromete seriamente a segurança do sistema contra espiões (intencionais e não intencionais). Ainda visando a modelagem de dispositivos voltados para sistemas ópticos coerentes, também foi investigado neste trabalho a evolução de pulsos ultracurtos e de alta potência (com fase modulada no domínio espectral) em fibras altamente não-lineares. Esse fenômeno conhecido por geração de luz supercontínua é caracterizado por um forte alargamento espectral induzido por efeitos não-lineares no meio óptico, e que encontra uma grande variedade de aplicações, como tomografia por coerência óptica, espectroscopia e metrologia de frequência. Entretanto, o ajuste do espectro obtido após a propagação para uma dessas aplicações requer uma escolha correta da fibra óptica e da fonte de pulsos ultracurtos utilizados. Uma vez que esses parâmetros estão definidos, fica muito difícil conseguir um ajuste fino do espectro obtido. Dessa forma, a vantagem da utilização de pulsos modulados é a possibilidade de se realizar uma sintonia fina do espectro obtido para uma aplicação desejada. Além disso, essa técnica permite a geração de pentes de frequências ópticos (optical frequency combs) sintonizáveis. / In this work we perform a comprehensive analysis of a spectral phase-encoded time spreading optical code division multiple access (SPECTS-OCDMA) system. Despite being a numerical study, efforts were concentrated on the investigation of more realistic scenarios using as much information as possible from implemented test-beds in laboratories. In this context, after take into account the impact of dispersive and nonlinear effects of optical fiber in SPECTS-OCDMA systems, some devices of the optical signal reception subsystem are modeled (nonlinear optical loop mirror and nonlinear thresholder), and their influences on system performance are shown. This allowed for the first time in the OCDMA literature the identification of the exact degree of interference that each code of a particular family of codes causes on other codes of the same family. This analysis considerably advances the common sense adopted in the literature in which all codes of the same family perform equally. It is demonstrated that an adequate (optimal) choice of codes can reduce considerably the bit error rate (BER). The optimal code-sets are obtained in terms of the interference pattern caused by every code on the code of interest. Furthermore, it is shown that the use of optimal code-sets not only improves the overall system performance in terms of BER, but also eliminates the orthogonality failure (never accounted for in previous OCDMA analysis) due to crosstalk. This issue is also addressed in details in this work since it seriously compromises the security of the system against (intentional or unintentional) eavesdroppers. Still aiming at modeling devices for coherent optical systems, it is investigated the evolution of ultrashort high-power pulses (spectrally phase modulated) in high nonlinear fibers. This phenomenon known as supercontinuum generation is characterized by strong spectral broadening induced by nonlinear effects in optical medium, and finds a wide range of applications such as optical coherence tomography, spectroscopy and frequency metrology. However, tailoring the supercontinuum (SC) spectra to a specific application requires the correct choice of the optical fiber and the ultrashort pulse source. Once these parameters are defined, it becomes very difficult to achieve a fine tune of the generated spectra. Therefore, an alternative is to phase modulate the input pulse to adjust the generated spectra to a specific application. Also, we show that this technique allow us to generate tunable optical frequency combs simply by adjusting the modulation parameters.

A evolução das redes ópticas para atender o crescimento da demanda por largura de banda tem estimulado a busca por uma maior eficiência na utilização da largura de faixa disponível. O sucesso da implementação prática da técnica de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) em sistemas de comunicações móveis também despertou o interesse por aplicações em redes ópticas (OCDMA). Atributos únicos tais como capacidade flexível sob demanda, segurança na comunicação e alta escalabilidade, incentivaram significativamente as pesquisas. Neste contexto, este trabalho apresenta, primeiramente, uma revisão de várias configurações OCDMA propostas na literatura para qualificar e quantificar códigos válidos, com ênfase nas propriedades de correlação. Em seguida, realiza uma modelagem de sistema óptico abrangendo os subsistemas principais de geração, transmissão e recepção de sinal. O impacto das degradações, referentes à fibra óptica e aos diversos dispositivos que constituem o sistema, é então avaliado e sua influência sobre o desempenho de algumas configurações de codificação é investigado. O conhecimento da forma e das condições de manifestação destas degradações poderá servir de base ao processamento de sinal óptico à luz dos esquemas de codificação. Uma discussão sobre qualidade de serviço (QoS) e sobre flexibilização da aplicação OCDMA em sistemas de comunicação óptica também são também abordadas. / The evolution of optical networks verified in the last few years has been characterized by the search for better bandwidth utilization efficiency. The successful implementation of practical code division for multiple access techniques (CDMA) in mobile communications systems has stimulated new investigations on this topic, particularly in the optical domain (optical CDMA). This is justified due to some remarkable attributes of this technology, such flexibility in code design, capacity on demand, safety, and high scalability. In this context, this dissertation presents, initially, a comprehensive review of several code configurations for OCDMA proposed in the literature, with emphasis particularly on the correlation and users availability properties. Next, it describes the modeling of an optical system consisting of the following three subsystems: generation, transmission, and signal detection. The penalties imposed to the optical codes by the propagating medium, as well as by the devices employed in the system, are accounted for and their influence on the performance of some coding configurations is investigated. The knowledge of how and when these penalties will affect the system is crucial in optical signal processing based on codification schemes. Finally, this work also addresses some aspects related to quality of service (QoS) and flexibility of the OCDMA technology in optical communications systems.

A evolução das redes ópticas para atender o crescimento da demanda por largura de banda tem estimulado a busca por uma maior eficiência na utilização da largura de faixa disponível. O sucesso da implementação prática da técnica de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) em sistemas de comunicações móveis também despertou o interesse por aplicações em redes ópticas (OCDMA). Atributos únicos tais como capacidade flexível sob demanda, segurança na comunicação e alta escalabilidade, incentivaram significativamente as pesquisas. Neste contexto, este trabalho apresenta, primeiramente, uma revisão de várias configurações OCDMA propostas na literatura para qualificar e quantificar códigos válidos, com ênfase nas propriedades de correlação. Em seguida, realiza uma modelagem de sistema óptico abrangendo os subsistemas principais de geração, transmissão e recepção de sinal. O impacto das degradações, referentes à fibra óptica e aos diversos dispositivos que constituem o sistema, é então avaliado e sua influência sobre o desempenho de algumas configurações de codificação é investigado. O conhecimento da forma e das condições de manifestação destas degradações poderá servir de base ao processamento de sinal óptico à luz dos esquemas de codificação. Uma discussão sobre qualidade de serviço (QoS) e sobre flexibilização da aplicação OCDMA em sistemas de comunicação óptica também são também abordadas. / The evolution of optical networks verified in the last few years has been characterized by the search for better bandwidth utilization efficiency. The successful implementation of practical code division for multiple access techniques (CDMA) in mobile communications systems has stimulated new investigations on this topic, particularly in the optical domain (optical CDMA). This is justified due to some remarkable attributes of this technology, such flexibility in code design, capacity on demand, safety, and high scalability. In this context, this dissertation presents, initially, a comprehensive review of several code configurations for OCDMA proposed in the literature, with emphasis particularly on the correlation and users availability properties. Next, it describes the modeling of an optical system consisting of the following three subsystems: generation, transmission, and signal detection. The penalties imposed to the optical codes by the propagating medium, as well as by the devices employed in the system, are accounted for and their influence on the performance of some coding configurations is investigated. The knowledge of how and when these penalties will affect the system is crucial in optical signal processing based on codification schemes. Finally, this work also addresses some aspects related to quality of service (QoS) and flexibility of the OCDMA technology in optical communications systems.