Space division multiplexed transmission over multimode fibers to support next-generation high-capacity optical networks

Most of the aspects of our daily life that we take for granted would not have been possible without the tremendous development of optical communications over optical fibers. The technology advance achieved in the last three or four decades have supported the massive connection demand and exponentially increasing data-rates, deriving from the continuous rise of new services that rely on the Internet for their operation. Currently deployed systems are capable of supporting data-rates close to 100 Tb/s, which is generally considered as the capacity limit of single-mode fibers. However, the increasing throughput demand is not expected to stop in the next years, which poses the problem of how to further scale the available capacity in optical networks. Space division multiplexing is regarded as one of the strongest candidates to overcome this shortening. It relies on the use of multiple parallel spatial paths, which potentially enable throughput gain up to 100 times compared to the 100 Tb/s limit for single-mode fibers. This is mainly achieved with optical fibers that have multiple cores within the same cladding (multicore fibers), that support the co-propagation of multiple optical modes (multimode fibers), or a combination of the two approaches. Multimode fibers have the potential of supporting high-capacity transmission, while ensuring compactness and compatibility with the current infrastructure. This thesis is focused on the use of multimode fibers for space division multiplexing implementation, tackling mainly transmission and network aspects, and less extensively optical sensing. The main characteristics of multimode propagation, and the following digital signal processing required at the receiver are discussed as well, as they play keys roles in multimode systems. An analysis of transmission performance in case of the loss of one or more modes on the transmitter and/or on the receiver side is carried out for a point-to-point multimode link, showing a different impact depending on the location of the loss, and on the lost mode itself. The focus then shifts towards an in-depth review concerning the flexibility and processing complexity of multimode systems, and the state of the art of the simplified approaches proposed to overcome them. An innovative simplified approach based on rate-adaptive equalization at the receiver is presented to reduce the complexity of digital signal processing at the cost of a throughput loss. It is demonstrated that a~16\% processing simplification is achieved with just a 1.2% throughput loss compared to the standard processing approach for multimode systems. After that, the problem of heterogeneity of multimode fibers in space division multiplexed systems is considered, showing that the proposed simplified processing approaches are just partially able to support transmission and flexibility in such systems. For this reason, a new simplified processing scheme is introduced and discussed, and it is demonstrated that it helps improving both transmission quality and flexibility in heterogeneous space division multiplexed systems. On one side, this analysis is carried out at a transmission level, showing capacity values higher than 70 Tb/s with the use of only a fraction of the available modes, and of a limited transmission window compared to currently deployed systems. At the same time, processing complexity is reduced by more than 50% compared to the standard processing approach for multimode fibers. On the other side, this analysis is done at a network level, focusing on switching of groups of modes, and on the allocation of resources to support multiple high-capacity tributaries. It is shown that a relevant number of tributaries can be allocated in a variety of network scenarios. In addition, the newly proposed processing scheme also shows a better optimization of the available resources compared to the state of the art algorithm for processing simplification, reducing the required bandwidth for tributaries by a factor greater than 1.5. Finally, an appendix is dedicated to the topic of communication and sensing coexistence over the same multimode fiber. For the first time, a method that allows to achieve sensing capability for free from data-carrying telecommunication signals is proposed for a system comprising all the elements required to support space division multiplexed transmission over multimode fibers. It is demonstrated the simultaneous transmission of a 10 Gb/s telecommunication signal, and detection of a vibration applied to a multimode fiber. During my PhD activity, I have been carrying out an extensive experimental activity that contributed to the knowledge of propagation and networking over MMFs, also tackling complex systems with multiple heterogeneous MMFs. The presented results are valuable for the use of multimode systems both for point-to-point links and for heterogeneous high-capacity space division multiplexed networks, paving the way for their deployment and use in the next decades.

La maggior parte degli aspetti della nostra vita quotidiana che oggi consideriamo normali non sarebbe possibile senza il grande sviluppo delle comunicazioni ottiche su fibra. I progressi tecnologici degli ultimi trent’anni hanno sostenuto la crescente domanda di connessioni e l’aumento esponenziale della velocità di trasmissione dei dati, dovuti alla continua diffusione di servizi che dipendono da Internet. I sistemi attualmente in uso possono raggiungere capacità vicine a 100 Tb/s, valore generalmente considerato il limite delle fibre monomodali. Tuttavia, la richiesta di capacità continuerà a crescere anche nei prossimi anni, rendendo necessario trovare nuove soluzioni per aumentare ulteriormente le prestazioni delle reti ottiche. Il multiplexing spaziale è considerato una delle soluzioni più promettenti per superare questo limite. La tecnica utilizza più percorsi spaziali paralleli, permettendo in teoria di aumentare la capacità fino a cento volte rispetto al limite delle fibre monomodali. Questo risultato può essere ottenuto usando fibre con più core all’interno dello stesso rivestimento (multicore fibers), fibre che supportano la propagazione di più modi ottici (multimode fibers), oppure una combinazione dei due approcci. Le fibre multimodali offrono il potenziale per trasmissioni ad alta capacità, mantenendo al tempo stesso compattezza e compatibilità con le infrastrutture esistenti. Questa tesi si concentra sull’uso delle fibre multimodali per implementare sistemi di multiplexing spaziale, affrontando soprattutto aspetti legati alla trasmissione e alle reti, e in misura minore al sensing ottico. Vengono inoltre descritte le principali caratteristiche della propagazione multimodale e le tecniche di digital signal processing necessarie in ricezione, che hanno un ruolo fondamentale in questi sistemi. È stata analizzata la degradazione delle prestazioni causata dalla perdita di uno o più modi in trasmissione e/o in ricezione in un collegamento punto-punto multimodale, mostrando che l’impatto dipende sia dalla posizione della perdita sia dal modo coinvolto. Successivamente, il lavoro approfondisce i temi della flessibilità e della complessità di processing nei sistemi multimodali, analizzando anche le principali soluzioni semplificate proposte in letteratura. Viene presentato un nuovo approccio basato su equalizzazione adattiva in ricezione, capace di ridurre la complessità del digital signal processing a fronte di una limitata perdita di capacità. I risultati mostrano una riduzione della complessità del processing del 16%, con una diminuzione della capacità di appena l’1,2% rispetto agli approcci tradizionali. La tesi affronta inoltre il problema dell’eterogeneità delle fibre multimodali nei sistemi a multiplexing spaziale, evidenziando come le tecniche semplificate esistenti siano solo parzialmente efficaci in questi scenari. Per questo motivo viene proposto un nuovo schema di digital signal processing semplificato, che migliora sia la qualità della trasmissione sia la flessibilità del sistema. A livello trasmissivo, l’analisi mostra capacità superiori a 70 Tb/s utilizzando solo una parte dei modi disponibili e una finestra di trasmissione più limitata rispetto ai sistemi attuali. Allo stesso tempo, la complessità del processing viene ridotta di oltre il 50% rispetto agli approcci convenzionali. A livello di rete, il lavoro si concentra invece sulla commutazione di gruppi di modi e sull’allocazione delle risorse per supportare più tributari ad alta capacità. I risultati mostrano che è possibile allocare un numero significativo di tributari in diversi scenari di rete. Inoltre, il nuovo schema proposto ottimizza l'uso delle risorse disponibili rispetto agli algoritmi semplificati presenti in letteratura, riducendo di oltre 1,5 volte la banda necessaria per ciascun tributario. Infine, un’appendice è dedicata alla coesistenza tra comunicazione e sensing sulla stessa fibra multimodale. Per la prima volta viene proposto un metodo che permette di ottenere funzionalità di sensing direttamente dai segnali di telecomunicazione utilizzati per la trasmissione dati, in un sistema completo per il multiplexing spaziale su fibre multimodali. Viene dimostrata la trasmissione simultanea di un segnale a 10 Gb/s e il rilevamento di vibrazioni applicate alla fibra. Durante la mia attività di dottorato ho svolto un’intensa attività sperimentale che ha contribuito alla comprensione della propagazione e del networking su fibre multimodali, includendo anche sistemi complessi composti da fibre multimodali eterogenee. I risultati presentati sono rilevanti sia per collegamenti punto-punto sia per reti eterogenee ad alta capacità basate su multiplexing spaziale, e rappresentano un passo importante verso l’impiego di questi sistemi nei prossimi decenni.