Next-generation optical networks with multi-band transmission and Hollow-Core Fiber

Next-generation coherent WDM transport networks must evolve under heterogeneous and increasingly stringent requirements. Beyond sustained traffic growth, emerging services impose tight latency constraints, while energy consumption and security are becoming relevant design objectives. Importantly, these goals must be achieved in realistic deployment scenarios, where operators rely on selective and incremental upgrades rather than disruptive infrastructure replacement. This Thesis develops physical-layer-aware, network-wide planning methodologies to guide such selective upgrades through a cross-layer design perspective, jointly accounting for physical-layer transmission constraints and network-layer resource allocation decisions. In this context, multi-band transmission and Hollow-Core Fiber (HCF) are investigated as key technological enablers. The work addresses four core challenges for next-generation optical networks: capacity scaling, support for low-latency services, energy efficiency, and secure communication via Quantum Key Distribution (QKD) coexistence. Capacity Scaling. To scale capacity within existing infrastructures, we investigate incremental spectrum expansion from the C-band to C+L and further to C+L+S, explicitly accounting for wideband physical-layer effects such as inter-channel stimulated Raman scattering. Building on this modeling, we develop physical-layer-aware optimization frameworks to support selective amplifier upgrades toward hybrid fiber amplifiers (i.e., erbium-doped fiber amplifiers/thulium-doped fiber amplifiers and distributed Raman amplification), and show that a targeted deployment strategy can mitigate wideband impairments, increase network throughput, and reduce the need for signal regeneration. In parallel, we assess HCF as a longer-term capacity- scaling option via selective link upgrades. The results indicate that deploying HCF on a limited fraction of links can yield substantial throughput improvements and reduce the network cost per transported bit compared to multi-band or multi-fiber alternatives. Finally, we examine capacity growth from a topology perspective by proposing robust brownfield topology augmentation for data center interconnection under traffic uncertainty. In particular, we show that it is possible to design topologies that sustain high throughput across a broad set of traffic distributions. Low latency services. To support latency-critical services, we propose planning frameworks that jointly optimize edge data center placement and selective HCF deployment under HCF budget limits. Stringent delay requirements typically push networks toward dense edge infrastructures to keep services close to end users; by leveraging the lower propagation delay of HCF on latency-critical paths, the pro- posed methods can reduce end-to-end latency and, in turn, decrease the number of required edge data centers while improving transmission efficiency. Energy efficiency. We develop network-wide methodologies to optimize power consumption per transported bit. In particular, we investigate high-power operation in HCF networks, jointly optimizing amplifier placement and operating points, and show that appropriately engineered high-power amplification can simultaneously increase throughput, reduce transponder needs, and improve energy efficiency. We also consider multi-core networks, quantifying when cladding-pumped amplification (with pump sharing across cores) improves network-wide energy efficiency, and showing that such gains depend strongly on traffic routing and load balancing across spatial channels. Secure optical networks with QKD coexistence. We address the coexistence of QKD and classical communication in shared optical infrastructures, where weak quantum signals are impaired by nonlinear noise generated by high-power classical channels. Leveraging the reduced Raman efficiency and lower attenuation of HCF, we propose a network-wide optimization framework that jointly determines selec- tive HCF upgrades, quantum-channel provisioning, and trusted-relay placement to minimize the number of required quantum modules while meeting secret-key-rate demands. The results indicate that most of the HCF gains can be achieved with partial deployment (on the order of 30–40% of links), allowing substantial reductions in the number of deployed quantum modules compared to a standard single-mode-fiber-only network. Overall, this Thesis suggests that the evolution of optical networks can be effectively supported through selective, budget-aware, and physical-layer-aware planning. By integrating accurate transmission modeling into network-wide optimization, the results indicate that partial, targeted upgrades can achieve a substantial fraction of the benefits of more disruptive approaches, while offering practical pathways toward scalable, low-latency, energy-efficient, and secure next-generation optical networks.

Le reti di trasporto WDM coerenti di prossima generazione devono evolvere in risposta a requisiti eterogenei e sempre più stringenti. Oltre alla continua crescita del traffico, i servizi emergenti impongono vincoli stringenti di latenza, mentre il consumo energetico e la sicurezza stanno diventando obiettivi di progettazione rilevanti. Tali obiettivi devono essere raggiunti in scenari di realizzazione realistici, in cui gli operatori si affidano ad aggiornamenti selettivi e incrementali piuttosto che a sostituzioni infrastrutturali radicali. Questa Tesi sviluppa metodologie di pianificazione di rete consapevoli del livello fisico per guidare tali aggiornamenti selettivi attraverso una prospettiva di progettazione interlivello, che tiene conto congiuntamente dei vincoli di trasmissione del livello fisico e delle decisioni di allocazione delle risorse del livello di rete. In questo contesto, la trasmissione multi-banda e la fibra a nucleo cavo (Hollow-Core Fiber, HCF) sono indagate come tecnologie abilitanti chiave. Il lavoro affronta quattro sfide fondamentali per le reti ottiche di prossima generazione: scalabilità della capacità, supporto a servizi a bassa latenza, efficienza energetica e comunicazione sicura tramite coesistenza con la distribuzione quantistica di chiavi (Quantum Key Distribution, QKD). Scalabilità della capacità. Per scalare la capacità all'interno delle infrastrutture esistenti, indaghiamo l'espansione spettrale incrementale dalla banda C alla C+L e successivamente alla C+L+S, tenendo esplicitamente conto degli effetti del livello fisico a banda larga, come lo scattering Raman stimolato inter-canale. A partire da questa modellazione, sviluppiamo metodologie di ottimizzazione consapevoli del livello fisico per supportare aggiornamenti selettivi degli amplificatori verso amplificatori in fibra ibridi (cioè amplificatori in fibra drogata all'erbio/amplificatori in fibra drogata al tulio e amplificazione Raman distribuita), e mostriamo che una strategia di installazione mirata può mitigare le degradazioni a banda larga, aumentare la capacità di rete e ridurre la necessità di rigenerazione del segnale. Parallelamente, valutiamo la HCF come opzione di scalabilità della capacità a più lungo termine tramite aggiornamenti selettivi dei collegamenti. I risultati indicano che l'installazione della HCF su una frazione limitata di collegamenti può produrre miglioramenti sostanziali della capacità e ridurre il costo di rete per bit trasportato rispetto ad alternative multi-banda o multi-fibra. Infine, esaminiamo la crescita di capacità da una prospettiva topologica proponendo un'estensione topologica robusta su infrastruttura esistente per l'interconnessione di data center in presenza di incertezza del traffico. In particolare, mostriamo che è possibile progettare topologie in grado di sostenere un'elevata capacità trasmissiva attraverso un ampio insieme di distribuzioni di traffico. Servizi a bassa latenza. Per supportare servizi critici in termini di latenza, proponiamo metodologie di pianificazione che ottimizzano congiuntamente il posizionamento dei data center periferici e l'installazione selettiva della HCF sotto vincoli di budget di HCF. Requisiti stringenti di latenza spingono le reti verso infrastrutture periferiche dense per mantenere i servizi vicini agli utenti finali; sfruttando il minore ritardo di propagazione della HCF su percorsi critici in termini di latenza, i metodi proposti possono ridurre la latenza punto-punto e, di conseguenza, diminuire il numero di data center periferici richiesti, migliorando al contempo l'efficienza di trasmissione. Efficienza energetica. Sviluppiamo metodologie di rete per ottimizzare il consumo di potenza per bit trasportato. In particolare, indaghiamo il funzionamento ad alta potenza nelle reti HCF, ottimizzando congiuntamente il posizionamento e i punti operativi degli amplificatori, e mostriamo che un'amplificazione ad alta potenza opportunamente progettata può incrementare simultaneamente la capacità trasmissiva, ridurre il numero di ricetrasmettitori necessari e migliorare l'efficienza energetica. Consideriamo inoltre reti multi core, quantificando quando l'amplificazione con pompaggio attraverso il cladding (con condivisione della pompa tra i nuclei) migliora l'efficienza energetica a livello di rete, e mostrando che tali guadagni dipendono fortemente dall'instradamento del traffico e dal bilanciamento del carico tra i canali spaziali. Reti ottiche sicure con coesistenza di QKD. Affrontiamo la coesistenza di QKD e comunicazione classica in infrastrutture ottiche condivise, dove i deboli segnali quantistici sono degradati dal rumore non lineare generato dai canali classici ad alta potenza. Sfruttando la ridotta efficienza Raman e la minore attenuazione della HCF, proponiamo una metodologia di ottimizzazione di rete che determina congiuntamente gli aggiornamenti selettivi a HCF, l'assegnazione dei canali quantistici e il posizionamento dei ripetitori per minimizzare il numero di moduli quantistici richiesti soddisfacendo al contempo le richieste di tasso di chiave segreta. I risultati indicano che la maggior parte dei guadagni offerti dalla HCF può essere ottenuta con un'installazione parziale (dell'ordine del 30–40% dei collegamenti), consentendo riduzioni sostanziali del numero di moduli quantistici installati rispetto a una rete basata esclusivamente su fibra monomodale standard. Nel complesso, questa Tesi suggerisce che l'evoluzione delle reti ottiche può essere efficacemente supportata attraverso una pianificazione selettiva, consapevole del budget e del livello fisico. Integrando una modellazione accurata della trasmissione nell'ottimizzazione di rete, i risultati indicano che aggiornamenti parziali e mirati possono ottenere una frazione sostanziale dei benefici di approcci più radicali, offrendo al contempo una roadmap verso reti ottiche di prossima generazione scalabili, a bassa latenza, energeticamente efficienti e sicure.