Οι απαιτήσεις των δικτύων διασύνδεσης, στα υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης, αυξάνονται με αλματώδη ρυθμό τόσο σε χωρητικότητα, όσο και σε ρυθμούς σηματοδοσίας που πρέπει να εξυπηρετηθούν. Αυτή η αύξηση των ρυθμών σηματοδοσίας επιβάλλει την αντικατάσταση των ηλεκτρικών διακοπτών που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα, από τους οπτικούς. Η τεχνολογία των οπτικών ινών παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα για τέτοιες εφαρμογές διότι επιτρέπει τη μετάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις, παρέχει ευρυζωνικότητα, είναι πιο ανθεκτική στην ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, και μπορεί να είναι πιο συμφέρουσα ενεργειακά, κάτι που εξαρτάται από το ρυθμό σηματοδοσίας και το μήκος της ζεύξης. Σε αυτή την κατεύθυνση, αυτή η διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στο σχεδιασμό και την επίδειξη οικονομικά συμφέροντων, υψηλής διεκπαιρεωτικής ικανότητας, οπτικών δικτύων διασύνδεσης ικρυωμάτων για τα exascale (10^18 Flops) υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης και τα κέντρα δεδομένων. Ειδικότερα, μελετάται μία πρωτότυπη, οικονομικά βελτιστοποιημένη, αρχιτεκτονική ενός αμιγώς οπτικού δικτύου διασύνδεσης η οποία χρησιμοποιεί οπτικούς ημιαγωγικούς ενισχυτές για να επιτελέσει τη μεταγωγή. Αυτή η προτεινόμενη, οικονομικότερη εκδοχή του υπο μελέτη N×N αμιγώς οπτικού, ραβδεπαφικού διακόπτη, χρησιμοποιεί ένα μειωμένο αριθμό απαιτούμενων πυλών ON/OFF. Στην παρούσα διατριβή η προτεινόμενη αρχιτεκτονική συγκρίνεται με την αρχικά προταθείσα και αποδεικνύεται η εξίσου καλή λειτουργία της με την πρώτη, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Επιπλέον, για την αύξηση της χωρητικότητας και παράλληλα για την καταπολέμηση των φαινομένων μετάδοσης στο δίκτυο διασύνδεσης (ιδιαίτερα της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της απολαβής (SGM και XGM), της αυτοδιαμόρφωσης και ετεροδιαμόρφωσης της φάσης (SPM και XPM), και της εξάρτησης της απολαβής από την πόλωση (PDG)), μελετώνται, εκτός από την τεχνική διαμόρφωσης πλάτους με άμεσης φώραση (IM/DD), διάφορες προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης όπως η διαφορική διαμόρφωση φάσης (DPSK) με άμεση φώραση, η διαμόρφωση με ορθογώνια πολυπλεξία συχνότητας (OFDM) με άμεση φώραση, καθώς και μελλοντικά υποψήφιες τεχνικές διαμόρφωσης, για τέτοια είδους δίκτυα, όπως η τετραδική διαμόρφωση φάσης με πολυπλεξία της πόλωσης (PDM-QPSK), και η δεκαεξαδική διαμόρφωση φάσης και πλάτους (16QAM) χωρίς (SP) και με (PDM) πολυπλεξία της πόλωσης, με σύμφωνη φώραση. Τέλος, ως δεύτερη ερευνητική δραστηριότητα, μελετώνται ζεύξεις σημείου-προς-σημείο, που βασίζονται στη χρήση πομπών κάθετης κοιλότητας επιφανειακής εκπομπής (VCSELs) και πολύτροπες (MMF) ή μονότροπες (SMF) ίνες, σε συνδυασμό με συμβατικές τεχνικές διαμόρφωσης, όπως η ΙΜ/DD, και προηγμένες, όπως η διαμόρφωση πλάτους τεσσάρων επιπέδων (4-PAM), και η OFDM διαμόρφωση. Η χρήση των παραπάνω τεχνολογιών επιτρέπει την αύξηση της χωρητικότητας και τη μείωση του κόστους στα τρέχοντα συστήματα οπτικής διασύνδεσης. / Data rates are continuing to increase for box-to-box, rack-to-rack, board-to-board, and chip-to-chip interconnects for terabit switches and routers, multiprocessor computers and high-end servers. The increase in individual line rates and bandwidth drives the need to replace copper interconnects with optical interconnects. Fiber optics are advantageous for these applications because they allow for longer link lengths, increased bandwidth, smaller cables and connectors, less susceptibility to electromagnetic interference, and potentially lower power dissipation, depending on the data rate and link length. Towards this direction, this thesis aims to design and demonstrate low-cost, low-latency, high throughput, rack-to-rack optical interconnect architectures for exascale (i.e., performing 10^18 floating point operations per second) high-performance computing (HPC) systems and data centers. In particular, a novel, cost-effective, optical interconnect architecture for ultrafast optical switching, based on semiconductor optical amplifiers (SOAs), is studied. The proposed design of a fast N×N all-optical, wavelength-space crossbar switch for optical interconnects uses a minimum number of ON/OFF gates. This thesis compares and proves the superiority of the proposed architecture with respect to its originally-proposed counterpart, both theoretically and experimentally. Additionally, in order to increase the capacity and to minimize the impact of transmission effects (especially self-gain modulation (SGM), cross-gain modulation (XGM), self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM), and polarization dependent gain (PDG)), we investigate the performance of conventional binary intensity modulation (IM), in conjunction with direct detection, as well as of advanced, more resilient, spectrally-efficient modulation formats (e.g., Differential Phase Shift Keying (DPSK), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Polarization Division Multiplexed Quadrature Phase Shift Keying (PDM-QPSK), Single (SP)- and PDM- 16-ary Quadrature Amplitude Modulation (16QAM) in conjunction with coherent detection). Finally, as a seperate research activity, we study the performance of point-to-point links based on vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and single- or multi- mode fibers, in conjuction with IM/DD, four-level Pulse Amplitude Modulation (4-PAM), and OFDM, to enable state-of-the-art, high-capacity, low-cost optical interconnects.

Orientador: Prof. Dr. Luiz Henrique Bonani do Nascimento / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Informação, 2016. / A crescente multiplicidade de serviços e a demanda por altas taxas de transmissão e de tráfego na rede fizeram das Redes Ópticas um recurso essencial no mundo contemporâneo. Recentemente, o advento das Redes Ópticas Elásticas (EON) permitiu que os dados sejam transportados em longas distâncias, fornecendo largura de banda e taxas de dados flexíveis, com base na tecnologia de Multiplexação por Divisão de Frequência Ortogonal (OFDM). Nos últimos anos, muitos esforços têm se concentrado na análise de desempenho dessas redes em vários cenários, entre os quais se destacam as variações de tipos de formato de modulação, de algoritmos de roteamento e alocação de espectro e de características nos tipos de serviços. A avaliação de tais cenários mostrou que diferentes tipos de serviço e diferentes estratégias de gerenciamentolevam a níveis muito díspares de desempenho entre serviços. Dessa forma, o objetivo desse trabalho é avaliar políticas híbridas de alocação de espectro, em termos de largura de faixa e taxa de bits, em cenários com compartilhamento dos recursos, de forma a analisar as diferenças de desempenho entre serviços e, assim, o nível de Qualidade de Serviço (QoS). As métricas adotadas para o trabalho são: (i) a probabilidade de bloqueio intraserviço e (ii) a probabilidade de bloqueio geral da rede e os resultados apresentados com a implantação de políticas híbridas permitiu obter fairness em EON. / The increasing amount of services and the demand for high transmission rates and network traffic, turn the Optical Networks as an essential resource in the contemporary world. Recently, the advent of Elastic Optical Networks (EON) allowed data transportation over long distances, providing flexible bandwidth and flexible data rates, based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology. In recent years, many efforts have been made to analyse the performance of these networks in a great amount of scenarios, considering the variation of modulation formats, the variation of routing and spectrum assignment algorithms and the variation of service characteristics. The evaluation of such scenarios has shown that different kind of services and different management strategies lead to different levels of service performance. Therefore, the aim of this work is to evaluate hybrid policies for spectrum assignment, considering bandwidth and bit rate in a scenario where the network resources are shared, in order to analise the differences of performance among service types and than the level of Quality of Service (QoS). The adopted metrics are: (i) the intraservice blocking probability and (ii) the general blocking probability and the results presented to the deployment of hybrid policies yielded fairness in EON.

Os avanços tecnológicos apontam para uma renovação da infraestrutura atual de comunicações ópticas, de modo a torná-la adequada à operação dentro dos novos paradigmas das redes, em que a elasticidade e eficiência espectrais se aliam à alta capacidade de transmissão. Sob o ponto de vista do planejamento de uma operadora de telecomunicação, é desejável que a substituição de equipamentos ocorra de forma mais gradual e que a operação da infraestrutura atual seja otimizada para acomodar a demanda por alta capacidade sem requerer a construção de uma infraestrutura completamente nova. Neste contexto, esta tese investiga estratégias de otimização combinando técnicas que utilizam múltiplas taxas de transmissão (MLR &#8211 Mixed Line Rate) e múltiplos formatos de modulação (MMF &#8211 Multiple Modulation Formats) com foco em um cenário condizente a realidade brasileira, com taxa de transmissão de 10 Gbit/s modulados com a técnica não retorna a zero (NRZ &#8211 non return to zero), migrando para taxa de 40 e/ou 100 Gbit/s. São analisados os benefícios proporcionados com o uso de redes MLR-MMF em comparação com a substituição da rede legada por apenas uma taxa (SLR &#8211 single line rate). A infraestrutura da camada física considerada é uniforme e pode transportar sinais de 10/40/100 Gbit/s, apenas os tipos de transponders são diferentes. Para analisar o desempenho da rede descrita é proposto um modelo de integração entre as ferramentas MatLab e OptiSystem. A primeira é utilizada para definir a rota e a segunda para simular a propagação do sinal óptico na fibra ao longo da rota escolhida. Os valores de taxa de erro de bit (BER &#8211 Bit Error Rate) e a relação sinal ruído óptica (OSNR &#8211 Optical Signal Noise Rate) são armazenados em um banco de dados para uso posterior. Dessa forma diversas topologias podem ser analisadas. Em uma rede real esse tipo de informação pode ser obtido por meio de técnicas de monitoramento óptico (OPM &#8211 Optical Performance Monitoring). Por esse motivo, também são investigados e testados experimentalmente dois métodos de monitoramento da OSNR: i) anulamento da polarização para obter OSNR e ii) monitor multiparâmetro baseado em modulação da polarização em baixa frequência. A partir das análises, concluiu-se que o uso de redes MLR-MMF pode ser uma alternativa para equilibrar o consumo energético e a probabilidade de bloqueio (PB). A opção por esse tipo de rede ajuda na economia energética e mantém a PB em níveis aceitáveis. Além disso, o uso de monitoramento óptico auxilia na obtenção de informações usadas para controlar e gerenciar eficientemente recursos de rede cumprindo os requisitos de qualidade de serviço. / Technological advances point out to an upgrade on the current optical communication infrastructure in order to adequate it to the new networks paradigms, where elasticity and spectral efficiency are associated to the high capacity transmission. From the perspective of a telecom operator planning, it is desirable that the equipment replacement occurs as gradually as possible and that the operation of the current infrastructure is optimized to accommodate the demand for high capacity without requiring the build-upof a completely new infrastructure. In this context, this thesis investigates optimization strategies combining MLR (mixed line rate) and MMF (multiple modulation formats) techniques focusing on a scenario similar to the Brazilian reality, with a transmission rate of 10 Gbit/s NRZ modulated, switching to a rate of 40 and/or 100 Gbit/s. The benefits provided by the use of MMF-MLR network (non return to zero)s compared to the replacing based on a legacy network by only one rate (SLR single line rate) are discussed. The infrastructure of the physical layer is considered uniform and can carry signals 10/40/100 Gbit/s, only the transponder configurations are different. To analyze the network performance we proposed an integration of MATLAB and OptiSystem tools. The first is used to define the route and the second to simulate the propagation of the optical signal in the fiber along the chosen route. The BER and OSNR values are stored in a database for later use. In this way several topologies can be analyzed. In a real network such information may be obtained by optical monitoring techniques (OPM). For this reason, two methods for monitoring OSNR are also investigated: i) the polarization nulling and ii) multiparameter monitor based on modulation of polarization at low frequency. From the analysis it was concluded that the use of MMF-MLR schemes can be an alternative to balance the energy consumption and the blocking probability (BP). The option for this type of network saves energy and helps maintaining BP within acceptable levels. Furthermore, the use of optical monitoring allows the gathering of information used to control and efficiently manage network resources meeting the requirements for quality of service.

Os avanços tecnológicos apontam para uma renovação da infraestrutura atual de comunicações ópticas, de modo a torná-la adequada à operação dentro dos novos paradigmas das redes, em que a elasticidade e eficiência espectrais se aliam à alta capacidade de transmissão. Sob o ponto de vista do planejamento de uma operadora de telecomunicação, é desejável que a substituição de equipamentos ocorra de forma mais gradual e que a operação da infraestrutura atual seja otimizada para acomodar a demanda por alta capacidade sem requerer a construção de uma infraestrutura completamente nova. Neste contexto, esta tese investiga estratégias de otimização combinando técnicas que utilizam múltiplas taxas de transmissão (MLR &#8211 Mixed Line Rate) e múltiplos formatos de modulação (MMF &#8211 Multiple Modulation Formats) com foco em um cenário condizente a realidade brasileira, com taxa de transmissão de 10 Gbit/s modulados com a técnica não retorna a zero (NRZ &#8211 non return to zero), migrando para taxa de 40 e/ou 100 Gbit/s. São analisados os benefícios proporcionados com o uso de redes MLR-MMF em comparação com a substituição da rede legada por apenas uma taxa (SLR &#8211 single line rate). A infraestrutura da camada física considerada é uniforme e pode transportar sinais de 10/40/100 Gbit/s, apenas os tipos de transponders são diferentes. Para analisar o desempenho da rede descrita é proposto um modelo de integração entre as ferramentas MatLab e OptiSystem. A primeira é utilizada para definir a rota e a segunda para simular a propagação do sinal óptico na fibra ao longo da rota escolhida. Os valores de taxa de erro de bit (BER &#8211 Bit Error Rate) e a relação sinal ruído óptica (OSNR &#8211 Optical Signal Noise Rate) são armazenados em um banco de dados para uso posterior. Dessa forma diversas topologias podem ser analisadas. Em uma rede real esse tipo de informação pode ser obtido por meio de técnicas de monitoramento óptico (OPM &#8211 Optical Performance Monitoring). Por esse motivo, também são investigados e testados experimentalmente dois métodos de monitoramento da OSNR: i) anulamento da polarização para obter OSNR e ii) monitor multiparâmetro baseado em modulação da polarização em baixa frequência. A partir das análises, concluiu-se que o uso de redes MLR-MMF pode ser uma alternativa para equilibrar o consumo energético e a probabilidade de bloqueio (PB). A opção por esse tipo de rede ajuda na economia energética e mantém a PB em níveis aceitáveis. Além disso, o uso de monitoramento óptico auxilia na obtenção de informações usadas para controlar e gerenciar eficientemente recursos de rede cumprindo os requisitos de qualidade de serviço. / Technological advances point out to an upgrade on the current optical communication infrastructure in order to adequate it to the new networks paradigms, where elasticity and spectral efficiency are associated to the high capacity transmission. From the perspective of a telecom operator planning, it is desirable that the equipment replacement occurs as gradually as possible and that the operation of the current infrastructure is optimized to accommodate the demand for high capacity without requiring the build-upof a completely new infrastructure. In this context, this thesis investigates optimization strategies combining MLR (mixed line rate) and MMF (multiple modulation formats) techniques focusing on a scenario similar to the Brazilian reality, with a transmission rate of 10 Gbit/s NRZ modulated, switching to a rate of 40 and/or 100 Gbit/s. The benefits provided by the use of MMF-MLR network (non return to zero)s compared to the replacing based on a legacy network by only one rate (SLR single line rate) are discussed. The infrastructure of the physical layer is considered uniform and can carry signals 10/40/100 Gbit/s, only the transponder configurations are different. To analyze the network performance we proposed an integration of MATLAB and OptiSystem tools. The first is used to define the route and the second to simulate the propagation of the optical signal in the fiber along the chosen route. The BER and OSNR values are stored in a database for later use. In this way several topologies can be analyzed. In a real network such information may be obtained by optical monitoring techniques (OPM). For this reason, two methods for monitoring OSNR are also investigated: i) the polarization nulling and ii) multiparameter monitor based on modulation of polarization at low frequency. From the analysis it was concluded that the use of MMF-MLR schemes can be an alternative to balance the energy consumption and the blocking probability (BP). The option for this type of network saves energy and helps maintaining BP within acceptable levels. Furthermore, the use of optical monitoring allows the gathering of information used to control and efficiently manage network resources meeting the requirements for quality of service.

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).

Aiming to achieve the better efficiency in the use of bandwidth (spectral efficiency), as well as a compromise with the energy utilized in the process (power efficiency), the service operators are obliged to change the way in which the information is conveyed. The simplicity of the OOK modulation format has always been the main reason for using it in optical communications. Hence, once the coherent technologies had reached the maturity from a commercial point of view, they have become real alternatives to extend the capacity of networks. In this thesis, the performance of single and multirate FFH-OCDMA networks based on coherent modulation formats is addressed. The following modulation formats are assumed: binary and quadrature phase shift keying (BPSK and QPSK). For single rate networks, BPSK or QPSK are used as the modulation format for all users. For multirate networks, on the other hand, BPSK and QPSK modulation formats are employed for low and high rate transmission users, respectively. For both networks, new bit error rate (BER) formalisms regarding the main deleterious source in OCDMA are derived, namely multipleaccess interference (MAI). The mathematical formalism developed here accounts for any kind of users\' signal waveforms (which are accurately accounted for at the desired user\'s receiver). As a result, it can be successfully used to carry out performance analysis of any OCDMA network. Moreover, it is shown that both low and high rate users can surprisingly achieve similar BER levels. In addition, it is demonstrated that incoherent OOK-based networks are not good candidates for future single and multirate FFH-OCDMA implementations in this interference limited scenario. On the other hand, our results pave the way for BPSK- and QPSK -based networks, which are seen as potential candidates for next generation passive optical networks (NG-PON2), where higher data rates and a vast amount of users will be major network requirements. / No intuito de alcançar uma melhor eficiência no uso da largura de banda (eficiência espectral), bem como um compromisso com a energia utilizada no processo de transmissão de informações (eficiência em potência), as operadoras de serviços estão sendo obrigadas a alterar o modo em que a informações estão sendo transmitidas. Neste sentido, a simplicidade do formato de modulação OOK sempre foi a principal razão para a sua utilização em sistemas de comunicações ópticas. Assim, uma vez que a tecnologia coerente tem alcançado a maturidade do ponto de vista comercial, estas são reais alternativas para aumentar a capacidade das redes de comunicação ópticas. Nesta tese, são avaliados os desempenhos de redes FFH-OCDMA convencionais e de múltiplas taxas baseadas em formatos de modulação coerentes. Os seguintes formatos de modulação assumidos são: modulação por chaveamento de fase binário e por quadratura (BPSK e QPSK). Para redes convencionais, BPSK e QPSK são utilizados como formatos de modulação para todos os usuários. Por outro lado, para redes de múltiplas taxas de transmissão, os formatos de modulação BPSK e QPSK são empregados para baixas e altas taxas, respectivamente. Para ambas as redes, foram derivados novos formalismos matemáticos considerando a principal fonte deletéria de desempenho em OCDMA, comumente chamada de MAI, no cálculo da BER. Os formalismos matemáticos desenvolvidos são generalizados para quaisquer tipos de formas de onda empregada nos sinais dos usuários (as quais são contabilizadas precisamente no receptor do usuário de interesse). Como resultados, o formalismo matemático pode ser utilizado com sucesso para realizar a análise de desempenho de qualquer rede OCDMA. Adicionalmente, é demonstrado que ambos os usuários em baixa ou alta taxa de transmissão podem surpreendentemente alcançar níveis similares de BER. Concomitantemente, é observado que redes incoerentes baseadas em OOK não são boas candidatas para implementações convencionais e de múltiplas taxas de transmissão considerando esse cenário limitado por interferência. Por outro lado, os resultados trilham o caminho para redes baseadas em BPSK e QPSK, as quais são potenciais candidatas para a próxima geração de redes ópticas passivas (NG-PON2), onde os maiores requisitos são as altas taxas de transmissão e grande capacidade de inserção simultânea de usuários.

Aiming to achieve the better efficiency in the use of bandwidth (spectral efficiency), as well as a compromise with the energy utilized in the process (power efficiency), the service operators are obliged to change the way in which the information is conveyed. The simplicity of the OOK modulation format has always been the main reason for using it in optical communications. Hence, once the coherent technologies had reached the maturity from a commercial point of view, they have become real alternatives to extend the capacity of networks. In this thesis, the performance of single and multirate FFH-OCDMA networks based on coherent modulation formats is addressed. The following modulation formats are assumed: binary and quadrature phase shift keying (BPSK and QPSK). For single rate networks, BPSK or QPSK are used as the modulation format for all users. For multirate networks, on the other hand, BPSK and QPSK modulation formats are employed for low and high rate transmission users, respectively. For both networks, new bit error rate (BER) formalisms regarding the main deleterious source in OCDMA are derived, namely multipleaccess interference (MAI). The mathematical formalism developed here accounts for any kind of users\' signal waveforms (which are accurately accounted for at the desired user\'s receiver). As a result, it can be successfully used to carry out performance analysis of any OCDMA network. Moreover, it is shown that both low and high rate users can surprisingly achieve similar BER levels. In addition, it is demonstrated that incoherent OOK-based networks are not good candidates for future single and multirate FFH-OCDMA implementations in this interference limited scenario. On the other hand, our results pave the way for BPSK- and QPSK -based networks, which are seen as potential candidates for next generation passive optical networks (NG-PON2), where higher data rates and a vast amount of users will be major network requirements. / No intuito de alcançar uma melhor eficiência no uso da largura de banda (eficiência espectral), bem como um compromisso com a energia utilizada no processo de transmissão de informações (eficiência em potência), as operadoras de serviços estão sendo obrigadas a alterar o modo em que a informações estão sendo transmitidas. Neste sentido, a simplicidade do formato de modulação OOK sempre foi a principal razão para a sua utilização em sistemas de comunicações ópticas. Assim, uma vez que a tecnologia coerente tem alcançado a maturidade do ponto de vista comercial, estas são reais alternativas para aumentar a capacidade das redes de comunicação ópticas. Nesta tese, são avaliados os desempenhos de redes FFH-OCDMA convencionais e de múltiplas taxas baseadas em formatos de modulação coerentes. Os seguintes formatos de modulação assumidos são: modulação por chaveamento de fase binário e por quadratura (BPSK e QPSK). Para redes convencionais, BPSK e QPSK são utilizados como formatos de modulação para todos os usuários. Por outro lado, para redes de múltiplas taxas de transmissão, os formatos de modulação BPSK e QPSK são empregados para baixas e altas taxas, respectivamente. Para ambas as redes, foram derivados novos formalismos matemáticos considerando a principal fonte deletéria de desempenho em OCDMA, comumente chamada de MAI, no cálculo da BER. Os formalismos matemáticos desenvolvidos são generalizados para quaisquer tipos de formas de onda empregada nos sinais dos usuários (as quais são contabilizadas precisamente no receptor do usuário de interesse). Como resultados, o formalismo matemático pode ser utilizado com sucesso para realizar a análise de desempenho de qualquer rede OCDMA. Adicionalmente, é demonstrado que ambos os usuários em baixa ou alta taxa de transmissão podem surpreendentemente alcançar níveis similares de BER. Concomitantemente, é observado que redes incoerentes baseadas em OOK não são boas candidatas para implementações convencionais e de múltiplas taxas de transmissão considerando esse cenário limitado por interferência. Por outro lado, os resultados trilham o caminho para redes baseadas em BPSK e QPSK, as quais são potenciais candidatas para a próxima geração de redes ópticas passivas (NG-PON2), onde os maiores requisitos são as altas taxas de transmissão e grande capacidade de inserção simultânea de usuários.

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).

La majeure partie des communications mondiales est transportée par des systèmes transocéaniques à fibre optique. Il est estimé que d'ici 2020 le trafic de données atteindra 4.3 ZB par an. Afin de faire face à cette demande, différentes technologies sont actuellement étudiées pour augmenter la capacité des systèmes de transmission très longue distance. Avec l'avènement des circuits intégrés à haute vitesse, des formats de modulation avancés et des techniques de traitement de signal numérique (DSP) peuvent être utilisés pour maximiser l'efficacité spectrale de transmission. Par ailleurs, la capacité des systèmes modernes est fortement limitée par les effets non-linéaires de type Kerr dans la fibre. Ainsi, la première partie de ce travail est axée sur l’étude de la performance et des gains réalisables par des techniques DSP à faible complexité pour mitiger les effets non-linéaires monocanal. En outre, l’utilisation des formats de modulation multiniveaux à haute efficacité spectrale au-delà de 16QAM a pris de l'ampleur pour augmenter le débit de transmission des systèmes, notamment avec l’introduction des formats QAM avec mise en forme probabiliste (PCS-QAM), plus performants que les formats QAM classiques. La deuxième partie de ce travail présente donc une comparaison théorique ainsi qu’expérimentale du format PCS-64QAM avec d’autres formats à haute efficacité spectrale pour les distances transatlantiques. La mise en œuvre d’un format PCS-64QAM conçu pour les distances transpacifiques est également abordée. Enfin, la dernière partie de ce travail concrétise les résultats des travaux menés dans les deux sections précédentes en présentant plusieurs records de transmission / Global data traffic is expected to reach up to 4.3 ZB per year by 2020. With the majority of the global communications being transported on submarine point-to-point fiber-optic systems, different cutting-edge technologies have been under research to cope with this unprecedented traffic growth. Continuous advances in high-speed integrated circuits have allowed the use of advanced modulation formats and digital signal processing (DSP) techniques to maximize the transmission spectral efficiency. With mitigation of fiber linear effects efficiently carried out by DSP with relative low-complexity, the capacity of modern fiber optic systems rests limited by fiber nonlinearities. To this extent, in the first part of this work, the performance and achievable benefits of low-complexity DSP techniques aiming to mitigate fiber Kerr nonlinear effects are investigated. Besides nonlinear compensation techniques, the use of multi-level modulation formats beyond 16QAM and high symbol rate channels have gained momentum to increase the system spectral efficiency. One of the major breakthroughs in the recent years, has been the introduction of QAM-based probabilistic constellation shaping (PCS-QAM), which has proven to outperform regular QAM formats. In this sense, in the second part of this work, the practical achievable rate increase brought by PCS-QAM for transoceanic distances is investigated. A theoretical and experimental comparison with other high-capacity formats is performed, and the design of a PCS-QAM for trans-Pacific distances is addressed. Finally, in the last section, several transmission records using the two above techniques are reported