La demande en applications gourmandes en bande passante, comme la vidéo interactive et le multimédia, s’est encore accrue rendant l’attribution de la bande passante particulièrement problématique. Ainsi, bien que le multiplexage par répartition en longueur d'onde du réseau optique passif (WDM-PON) est considéré comme un candidat prometteur pour réaliser les réseaux d'accès optiques, de nouvelles générations de systèmes hauts débits plus adaptés apparaissent grâce à la gestion d’une bande passante dédiée pour chaque abonné et de façon générale, une gestion de bande passante plus flexible. La première moitié de cette thèse porte sur trois technologies dans un WDM-PON : un système de recouvrement de multidiffusion, un système de protection automatique de commutation et de diode laser accordable Fabry-Pérot (FP-LD) en régime auto-amorcé. Dans la seconde moitié de la thèse, on étudie un réseau optique WDM distribué, utilisé pour un environnement informatique virtuel reliant des ressources informatiques largement distribuées afin de supporter des applications de calcul scientifique, d'ingénierie ou commerciale distribués à grande échelle. Ce système est ainsi appelé "grille" des systèmes optiques. Les applications de réseaux peuvent aller du simple transfert d'un grand ensemble de données à l'exécution complexe d'un ensemble de tâches interdépendantes. Cependant, dans un tel système impliquant de nombreuses ressources informatiques hétérogènes ainsi que des ressources réseau, les imperfections paraissent inévitables. Cette thèse aborde également en conséquence la question de la maximisation de la disponibilité des applications réseau en temps réel (grille de systèmes optiques) grâce à des techniques de planification des ressources et leurs tolérances face aux pannes. / The bandwidth-intensive applications, such as interactive video and multimedia services, have further increased the demand of bandwidth. Thus wavelength division multiplexing passive optical network (WDM-PON) is viewed as a promising candidate to realize the next generation optical access networks due to its dedicated bandwidth for each subscriber and more flexible bandwidth management. The first half of this thesis will cover three technologies in a WDM-PON, including multicast overlay scheme, automatic protection switching scheme and tunable Fabry-Pérot laser diode (FP-LD) self-seeding scheme. In the second half of the thesis, WDM optical network is utilized as a virtual computing environment, which connects widely distributed computing resources to support large-scale scientific, engineering or commercial computing applications. It is so called “optical Grid” systems. Grid applications may range from the simple transfer of a large data set to the complex execution of a collection of interdependent tasks. However, for such a system involving many heterogeneous computing and network resources, faults seem to be inevitable. This thesis will also address the issue of maximizing grid application availability in real-time optical Grid systems through resource-fault-tolerant scheduling techniques.

A demanda de largura de banda exigida pelos usuários de redes de acesso vem aumentando rapidamente e a rede óptica passiva baseada em multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM-PON) tem se destacado como a tecnologia capaz de suprir essa demanda. Dessa forma, este trabalho conduz, inicialmente, uma comparação entre uma rede WDM-PON ideal e uma rede TDM-PON, discutindo também aspectos de segurança desta última, bem como estratégias de migração entre estes dois esquemas. Devido ao custo elevado da WDM-PON em seu esquema original, investigou-se em seguida as principais arquiteturas alternativas relatadas na literatura, em busca de maior viabilidade de implementação. Com base nesse estudo, fez-se então uma análise mais profunda sobre topologias recentes derivadas da RITENET, referenciadas na literatura como arquiteturas baseadas em fontes ópticas centralizadas (CLS). Tais configurações são baseadas no travamento de diodos lasers Fabry-Pérot através da injeção do sinal de ASE de um EDFA e foram estudadas por meio de simulações computacionais empregando o software OptiSystem 8.0. / The demand for bandwidth by access networks users has increased rapidly and the Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Network (WDM-PON) has been pointed out as the technology capable of meeting this demand. In this framework, this work initially carries out a comparison between an ideal WDM-PON network and a TDM-PON network, also discussing TDM-PON security issues as well as migration strategies from TDM-PON to WDM-PON configurations. Next, taking into account the high implementation cost of the WDM-PON original scheme, we investigated alternative topologies available in the literature. Based on this study, we performed a more in-depth analysis regarding recently proposed topologies, derived from the RITENET, which are refered at the literature as centralized light sources (CLS) based architectures. Such networks are based on the locking of Fabry-Pérot lasers diodes through the injection of the ASE signal from an EDFA and were studied by using the software OptiSystem 8.0.

Transmissores agnósticos em comprimento de onda colorless [1], isto é, transmissores que não estão restritos à operação em um único comprimento de onda, são considerados como um dos pré-requisitos para os projetos de redes ópticas passivas baseadas na multiplexação por divisão em comprimento de onda Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network. Esta configuração reduz consideravelmente os custos operacionais e de instalação da rede WDM-PON, uma vez que um único tipo de transmissor pode ser usado em qualquer terminal de assinante, independentemente dos comprimentos de onda pré-estabelecidos para os usuários em questão. Entretanto, a possibilidade de aumento do número de usuários e da capacidade de transmissão agregada, com poucas modificações na estrutura da rede WDM-PON, garantindo uma melhor relação custo-benefício, são questões também essenciais no projeto de sistemas multi-comprimento de onda.Tendo em vista o panoramo exposto, neste trabalho é proposta uma nova topologia de reuso de portadora óptica para redes WDM-PON, a qual combina sinais autoalimentados e remodulação óptica no domínio da intensidade, visando o atendimento das premissas tecnológicas para cenários de nova geração. Como metodologia, investigações experimentais são conduzidas em termos de caracterizações ópticas em função de vários parâmetros e avaliações sistêmicas em taxas simétricas de 1,25 Gb/s, no âmbito de redes de acesso e acesso estendido. Utilizam-se transmissores colorless do tipo amplificadores ópticos semicondutores refletivos e fontes ópticas banda larga baseadas em emissão espontânea amplificada, de forma a garantir a simplificação dos terminais dos usuários. Adicionalmente, são realizadas análises comparativas entre essa proposta frente aos trabalhos encontrados na literatura técnica, quando possível, em termos de custos operacionais, desempenho sistêmico e viabilidade de expansão para cenários a taxas simétricas de 10 Gb/s. De acordo com os resultados obtidos, acredita-se que essa topologia possa ser expandida para cenários de até 10 Gb/s com o uso de técnicas apropriadas de apagamento de portadora, mantendo a melhor relação custo-beneficio para sistemas de remodulação no domínio da intensidade. / Wavelength agnostic (colorless) transmitters [1], i.e, transmitters which are not fixed to a specific wavelength operation, are regarded as one of the essential keys for the designing of wavelength division multiplexing passive optical networks (WDM-PONs). The use of colorless transceiver leads to a reduction in the mainentence cost of the network, once the same basic optoelectronic hardware can be employed to provide any wavelength required by a specific optical network termination (ONT). However, the possibility of a graceful increase on the number of ONTs and transmission capacity offered by the network, with no disruptive changes in the WDM-PON infra-structure, while keeping a cost-effective topology, are also attractive features in the design of future access networks. In this context, a novel wavelength-reuse topology for WDMPON is proposed in this work. The wavelength-sharing technique is based on combined self-seeded and remodulated signals in the intensity domain, in order to comply with the technology requierements for next generation networks. Experimental analysis are carried out in respect to optical characterization and system evaluation on symmetric rates of 1.25 Gb/s, aiming both short reach and extended reach scenarios. Reflective semicondutor optical amplifiers and broadband light sources based on amplified spontaneous emission are used as colorless transceivers in order to guarantee a costeffective ONT configuration. Also, comparative analyses between this proposal and works found in the technical literatural are established in terms of maintenance costs, system performance and feasibility of expansion to symmetric 10 Gb/s scenario. According to the results, we believe that network could be expanded to symmetric 10 Gb/s scenario with the development of proper erasure technique, while keeping the best cost-effective configuration of intensity-remodulated systems.

Transmissores agnósticos em comprimento de onda colorless [1], isto é, transmissores que não estão restritos à operação em um único comprimento de onda, são considerados como um dos pré-requisitos para os projetos de redes ópticas passivas baseadas na multiplexação por divisão em comprimento de onda Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network. Esta configuração reduz consideravelmente os custos operacionais e de instalação da rede WDM-PON, uma vez que um único tipo de transmissor pode ser usado em qualquer terminal de assinante, independentemente dos comprimentos de onda pré-estabelecidos para os usuários em questão. Entretanto, a possibilidade de aumento do número de usuários e da capacidade de transmissão agregada, com poucas modificações na estrutura da rede WDM-PON, garantindo uma melhor relação custo-benefício, são questões também essenciais no projeto de sistemas multi-comprimento de onda.Tendo em vista o panoramo exposto, neste trabalho é proposta uma nova topologia de reuso de portadora óptica para redes WDM-PON, a qual combina sinais autoalimentados e remodulação óptica no domínio da intensidade, visando o atendimento das premissas tecnológicas para cenários de nova geração. Como metodologia, investigações experimentais são conduzidas em termos de caracterizações ópticas em função de vários parâmetros e avaliações sistêmicas em taxas simétricas de 1,25 Gb/s, no âmbito de redes de acesso e acesso estendido. Utilizam-se transmissores colorless do tipo amplificadores ópticos semicondutores refletivos e fontes ópticas banda larga baseadas em emissão espontânea amplificada, de forma a garantir a simplificação dos terminais dos usuários. Adicionalmente, são realizadas análises comparativas entre essa proposta frente aos trabalhos encontrados na literatura técnica, quando possível, em termos de custos operacionais, desempenho sistêmico e viabilidade de expansão para cenários a taxas simétricas de 10 Gb/s. De acordo com os resultados obtidos, acredita-se que essa topologia possa ser expandida para cenários de até 10 Gb/s com o uso de técnicas apropriadas de apagamento de portadora, mantendo a melhor relação custo-beneficio para sistemas de remodulação no domínio da intensidade. / Wavelength agnostic (colorless) transmitters [1], i.e, transmitters which are not fixed to a specific wavelength operation, are regarded as one of the essential keys for the designing of wavelength division multiplexing passive optical networks (WDM-PONs). The use of colorless transceiver leads to a reduction in the mainentence cost of the network, once the same basic optoelectronic hardware can be employed to provide any wavelength required by a specific optical network termination (ONT). However, the possibility of a graceful increase on the number of ONTs and transmission capacity offered by the network, with no disruptive changes in the WDM-PON infra-structure, while keeping a cost-effective topology, are also attractive features in the design of future access networks. In this context, a novel wavelength-reuse topology for WDMPON is proposed in this work. The wavelength-sharing technique is based on combined self-seeded and remodulated signals in the intensity domain, in order to comply with the technology requierements for next generation networks. Experimental analysis are carried out in respect to optical characterization and system evaluation on symmetric rates of 1.25 Gb/s, aiming both short reach and extended reach scenarios. Reflective semicondutor optical amplifiers and broadband light sources based on amplified spontaneous emission are used as colorless transceivers in order to guarantee a costeffective ONT configuration. Also, comparative analyses between this proposal and works found in the technical literatural are established in terms of maintenance costs, system performance and feasibility of expansion to symmetric 10 Gb/s scenario. According to the results, we believe that network could be expanded to symmetric 10 Gb/s scenario with the development of proper erasure technique, while keeping the best cost-effective configuration of intensity-remodulated systems.

A demanda de largura de banda exigida pelos usuários de redes de acesso vem aumentando rapidamente e a rede óptica passiva baseada em multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM-PON) tem se destacado como a tecnologia capaz de suprir essa demanda. Dessa forma, este trabalho conduz, inicialmente, uma comparação entre uma rede WDM-PON ideal e uma rede TDM-PON, discutindo também aspectos de segurança desta última, bem como estratégias de migração entre estes dois esquemas. Devido ao custo elevado da WDM-PON em seu esquema original, investigou-se em seguida as principais arquiteturas alternativas relatadas na literatura, em busca de maior viabilidade de implementação. Com base nesse estudo, fez-se então uma análise mais profunda sobre topologias recentes derivadas da RITENET, referenciadas na literatura como arquiteturas baseadas em fontes ópticas centralizadas (CLS). Tais configurações são baseadas no travamento de diodos lasers Fabry-Pérot através da injeção do sinal de ASE de um EDFA e foram estudadas por meio de simulações computacionais empregando o software OptiSystem 8.0. / The demand for bandwidth by access networks users has increased rapidly and the Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Network (WDM-PON) has been pointed out as the technology capable of meeting this demand. In this framework, this work initially carries out a comparison between an ideal WDM-PON network and a TDM-PON network, also discussing TDM-PON security issues as well as migration strategies from TDM-PON to WDM-PON configurations. Next, taking into account the high implementation cost of the WDM-PON original scheme, we investigated alternative topologies available in the literature. Based on this study, we performed a more in-depth analysis regarding recently proposed topologies, derived from the RITENET, which are refered at the literature as centralized light sources (CLS) based architectures. Such networks are based on the locking of Fabry-Pérot lasers diodes through the injection of the ASE signal from an EDFA and were studied by using the software OptiSystem 8.0.

The aim of this master thesis is comparation of simulation tools OptSim™ and PHO- TOSS which are used to create simulations of data traffi cs in access and metropolitan networks. The outcome of this thesis is three laboratory exercises and their theoretical bases which should explain the way of working in diff erent simulation environments to students.

The aim of this master thesis is comparation of simulation tools OptSim™ and PHOTOSS which are used to create simulations of data traffi cs in access and metropolitan networks. The outcome of this thesis is three laboratory exercises and their theoretical bases which should explain the way of working in diff erent simulation environments to students.

<p>Reflective semiconductor optical amplifiers (RSOA) are widely used in wavelength-division-multiplexed passive optical networks (WDM-PON). RSOAs in optical network units (ONUs) are operated in the gain saturation region so that the amplitude squeezing effect can be used to erase the information on downstream signals, however, the upstream signals go through the same RSOA need to be amplified.</p> <p>In order to use one RSOA to satisfy the need of erasing the information on downstream signal by using amplitude squeezing effect and amplifying the upstream signal at the same time, an asymmetric RSOA design is proposed and demonstrated in this thesis. The ridge width becomes narrower along the traveling direction of the downstream signal so that the downstream signal can be amplified in the saturation region of the RSOA. At the same time, the ridge width increases in the traveling direction of the upstream signal, so that the modulated upstream signal can be amplified by the asymmetric RSOA. In this thesis, I mainly focus on the designing of the structure of the RSOA to enlarge the gain difference between upstream and downstream gain. Difference between wide end and narrow end effective indices, cavity length, the way that effective index changes from the wide end to the narrow end and bias current are factors that can affect the gain difference. How the device performance is affected by the factors were analyzed. An optimized structure of asymmetric RSOA is then proposed according to the effects of the factors. The performance of the asymmetric RSOA, including gain dynamic performance, saturation output power, and upstream output power, is compared with symmetric RSOA. The asymmetric RSOA shows better performance in erasing the downstream signal information as well as amplifying upstream signal.</p> / Master of Applied Science (MASc)

A disponibilização de fontes ópticas multi-comprimento de onda de baixo custo certamente é um dos aspectos fundamentais para viabilizar a implantação de redes WDMPON (Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network). Na literatura, são encontradas propostas de algumas tecnologias para a construção de tais dispositivos como a utilização de fontes ópticas sintonizáveis, uso de um vetor de lasers DFB (Distributed Feedback Laser) ou, até mesmo, o fatiamento espectral de uma fonte de banda larga. Contudo, essas propostas apresentam custo elevado, ou limitações de operação, tornando-se inapropriadas para a aplicação de interesse. Uma alternativa que vem sendo amplamente utilizada é o travamento óptico de diodos laser de Fabry-Pérot (FP-LD - Fabry-Pérot laser diode), realizado por meio da injeção de sinal óptico externo provindo do fatiamento espectral de uma fonte de banda larga. O travamento óptico possibilita o controle espectral do FP-LD, e o seu baixo custo torna essa fonte óptica atrativa na implantação de redes WDM. O entendimento do mecanismo de travamento torna-se, então, crucial na descrição da dinâmica de tais fontes ópticas. Desta forma, nesta dissertação, foi desenvolvido o estudo dos modelos matemáticos que descrevem a dinâmica de lasers travados, assim como foi investigado o desempenho de redes WDM-PON empregando estas fontes ópticas. / The availability of low cost multi-wavelength optical sources is certainly one of the fundamental aspects to allow the deployment of WDM-PON networks. Several technologies for the implementation of such optical sources are discussed in the literature, including tunable lasers, DFB arrays and spectral slicing of a broadband light source. However, those propositions suffer from high cost or operational limitations. One alternative is the optical injection locking of a Fabry Pérot laser diode (FPLD), in which the external optical injection signal is obtained from the spectral slicing of a broadband light source. This option has been widely investigated because the optical injection locking process allows for the FP-LD optical spectral control and wavelength selection. In addition, the low cost of such device makes this optical source an attractive solution for WDM-PON widespread deployment. In this context, the understanding of the locking mechanism becomes important in the optimization of such optical sources. Thus, in this dissertation, we conducted a study of mathematical models that describe the dynamics of locked lasers as well as investigated the performance of WDM-PON based on those optical sources.

As futuras redes de acesso sem-fio, como a quinta geração de telefonia celular (5G), estão introduzindo e consolidando diversas tecnologias, tais como a operação em ondas milimétricas, picocélulas e o emprego massivo de antenas para diversidade espacial e temporal. Todas essas mudanças trazem desafios para a capacidade dos enlaces presentes nessas redes, como o backhaul e fronthaul. Nas últimas gerações, o ifronthaul tem utilizado Rádio-sobre-Fibra Digital (D-RoF, Digital Radio-over Fiber). Entretanto, neste novo paradigma, o processo de digitalização pode vir a consumir uma largura de banda excessiva e a transmissão analógica dos sinais de RF sobre a fibra se torna uma solução mais atrativa. Ao mesmo tempo, WDM-PON (Wavelength-Division-Multiplexing Passive-Optical-Network) é uma proeminente alternativa para o futuro das PONs, especialmente considerando o seu emprego como fronthaul. Para reduzir a necessidade de diversos transmissores diferentes, várias técnicas de auto-alimentação para obtenção de fontes ópticas agnósticas em comprimento de onda têm sido propostas. O presente trabalho faz um estudo de topologias de auto-alimentação com dupla cavidade para operarem como fronthaul analógico nas futuras redes de acesso sem-fio. Simulações numéricas utilizando o software Optisystem demonstram a viabilidade destas topologias em diversos cenários previstos para estas redes de acesso, especialmente considerando a operação em ondas milimétricas. Transmissões bem sucedidas foram obtidas para sinais ASK, M-PSK e M-QAM em frequências de microondas (1,25, 2,5 e 5 GHz) e ondas milimétricas (38 e 60 GHz) com vazões de 155 Mbps a 10 Gbps utilizando modulação direta e modulação externa. / Future radio access networks, such as the fifth generation mobile network (5G), are introducing and consolidating disruptive technologies, such as millimeter wave operation, dense picocell coverage and massive use of antennas for spatial and temporal diversity. These new technologies present a challenge for the capacity of the links that are present on these networks, including backhaul and fronthaul. In the latest cellular network generations, the fronthaul was typically implemented by Digital Radio-over-Fiber (D-RoF) technique. However, in this future context, the digitalization process would require a prohibitive bandwidth and the analog transmission of RF signals over the fiber can be a more attractive solution when compared to D-RoF. At the same time, Wavelength-Division-Multiplexing PON (WDM-PON) is prominent alternative for the future of PONs, especially considering its use as fronthaul. In order to avoid employing numerous distinct transmitters, several self-seeding techniques have been proposed to achieve colorless optical sources. This dissertation presents a numerical study of double-cavity self-seeding topologies to serve as analog fronthaul for future radio access networks. Numerical simulations using the software Optisystem demonstrate the feasibility of these topologies in various scenarios envisioned for these access networks, especially considering operation in millimeter waves. Successful transmission was achieved for ASK, M-PSK and M-QAM signals at microwave (1.25, 2.5 and 5 GHz) and millimeter wave (38 and 60 GHz) frequencies with throughput of 155 Mbps to 10 Gbps using direct and external modulation.