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O presente trabalho tem por objectivo a optimização de sistemas de comunicação ópticos multicanal de alta densidade, tendo em especial atenção os filtros ópticos utilizados na separação e tratamento dos canais, e os dispositivos de adição/subtracção de canais. Para tal, caracterizam-se primeiramente as funções de transferência de diferentes filtros ópticos, nomeadamente de filtros Fabry-Pérot simples e de três espelhos, filtros de matriz de guias de onda e redes de Bragg, tendo em consideração as limitações relacionadas com a sua implementação prática. Em seguida, procede-se à optimização do produto capacidade de transmissão × distância, recorrendo ao método de transmissão suportada pela dispersão, conjugada com códigos de reduzida ocupação espectral (duobinário e quaternário) e filtros ópticos optimizados para aumentar a eficiência espectral dos sistemas multicanal. A optimização de filtros ópticos para conseguir uma elevada eficiência espectral e simultaneamente compensar a dispersão é um dos principais conceitos deste trabalho. Essa optimização é aplicada a filtros ópticos que efectuam a filtragem de um único canal ou de vários canais simultaneamente, em sistemas multicanal. Procede-se ainda à optimização da estrutura de adição/subtracção de um canal, e analisa-se o seu desempenho, na perspectiva das redes ópticas multicanal. Aborda-se também a sintonia de filtros ópticos, e estudam-se os efeitos do seu desalinhamento indesejável na frequência, conjugado com alterações na sua função de transferência (espectro e fase), considerando cascatas de diferentes tipos de filtros ópticos. Neste âmbito, desenvolvem-se modelos estatísticos teóricos para prever as tolerâncias aceitáveis dessas variações. The objective of this thesis is the optimisation of high density multichannel optical communication systems, with emphasis on the optical filters used to extract and process the channels, as well as on the devices that perform channel add/drop functionalities. To achieve such goal, first we characterise the transfer functions of different optical filters, namely the Fabry-Pérot cavity, the three mirror Fabry-Pérot, the arrayed waveguide grating and the fibre Bragg grating, considering the limitations related to their practical implementation. We proceed with the transmission capacity × distance product optimisation, by using the dispersion supported transmission method, together with compressed bandwidth data formats (duobinary and quaternary) and optimised optical filters to increase the multichannel system spectral efficiency. The optical filter optimisation to achieve high spectral efficiency and simultaneous compensation of the transmission fibre dispersion is one of the main concepts of this work. This optimisation is also extended to optical filters capable of filtering several channels simultaneously. We have also optimised an add/drop structure, and analysed its performance, when included in a multichannel optical network. We have also studied tuneable optical filters, and the effects of their undesirable misalignment, together with the inherent changes in the transfer function (spectrum and phase), considering cascades of different types of optical filters. In this context, we have developed statistical models to predict the acceptable tolerances of such variations.

This dissertation purpose is the design and implementation of circuits to be used in the synchronization of high bit rate digital signals. At those rates clock recovery is done using an opne-loop structure, since the technology needed for developing closed-loop synchronisers is still not completely mature. (...), Esta dissertação insere-se na área de projecto e implementação de circuitos para uso em telecomunicações, mais especificamente, de circuitos utilizados no sincronismo de sinais digitais a muito alta velocidade. (...)

Esta dissertação insere-se na área de projecto e implementação de circuitos para uso em telecomunicações, mais especificamente de circuitos utilizados no sincronismo de sinais digitais a muito alta velocidade. A essas taxas de transmissão a recuperação do sinal de relógio efectua-se usando geralmente uma estrutura em malha aberta. Outro facto importante a considerar a essas velocidades elevadas é a integração da unidade recuperadora, que apresenta muitas vantagens em termos de custo, tamanho, fiabilidade e desempenho, pelo que os circuitos construídos foram implementados no mesmo circuito integrado. Assim, apresenta-se o projecto e caracterização de uma não-linearidade e de um amplificador sintonizado, implementados no mesmo circuito integrado monolítico de microondas, para serem usados num circuito recuperador de relógio em malha aberta a 20 Gsimb/s. É também caracterizado o desempenho da unidade formada pelos dois circuitos projectados, ligados por um filtro de banda estreita previamente implementado, na recuperação do sinal de relógio em sistemas práticos. A unidade de recuperação de relógio implementada destina-se a ser usada numa demonstração piloto de transmissão a muito alta velocidade, no âmbito do projecto SPEED (Superhighway by Photonically and Electronically Enhanced Digital Transmission) do programa ACTS. This thesis purpose is the design and implementation of circuits to be used in the synchronization of high bit rate digital signals. At those bit rates clock recovery is usually done using an open-loop structure. Another important aspect to consider at those bit rates is the integration of the timing recovery circuit, that represents many advantages from the viewpoint of cost, size, reliability and performance. Motivated by this, the circuits were developed in the same integrated circuit. Thus, it is presented the design and experimental characterization of a nonlinear circuit and a tuned amplifier, developed in the same monolithic microwave integrated circuit, to be used in a 20 Gsymb/s open-loop clock recovery unit. Performance assessment of the clock recovery unit consisting of the two designed circuits and a narrow bandpass filter previously implemented is also carried out, in pratical systems. The implemented clock recovery unit is to be used in a high speed experimental demonstration, supported by the European Community through the SPEED (Superhighway by Photonically and Electronically Enhanced Digital Transmission) project of the program ACTS.

Este trabalho foi financiado pelo FEDER - COMPETE 2020 no âmbito do projeto plugPON (ref. POCI-01-0247-FEDER-047221). Devido à grande procura de ritmos de transmissão cada vez mais elevados, as tecnologias baseadas em arquiteturas PON (Passive Optical Network) sofreram um enorme desenvolvimento nos últimos anos e são atualmente as mais utilizadas nas redes de acesso. Com o aparecimento da quinta geração de redes móveis (5G), surgiram novos desafios para as redes PON, tais como: aumento do ritmo de transmissão, minimização do custo e coexistência com tecnologias anteriores. Neste âmbito, foi desenvolvida uma nova norma, o 25G-PON. No seguimento, esta dissertação foca-se na caracterização e otimização de transceivers a 25 Gbit/s, que utilizam diferentes tipos de modulação, nomeadamente, EML (Externally Modulated Laser) e DML (Directly Modulated Laser). Assim, pretendeu-se entender os limites e as vantagens de cada uma das opções. Adicionalmente, foram realizados testes experimentais em NG-PON2 e em 25G-PON, com o objetivo de comparar a performance de uma tecnologia que já se encontra em funcionamento (como é o caso de NG-PON2) com uma tecnologia que ainda se encontra na sua fase de testes (como é o caso de 25G-PON). Este trabalho demonstra a viabilidade de transmissores que fazem uso de modulação direta, que com um custo de produção bastante inferior conseguem atingir os valores requeridos pela norma. Foi também possível demonstrar a viabilidade do uso de comprimentos de onda da banda O (banda onde ocorre a transmissão downstream e upstream em 25G-PON). Também se caracterizou experimentalmente, com sucesso, dois transceiveirs do tipo XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) em NG-PON2 e dois do tipo SFP28 (Small Form Factor Pluggable 28) em 25G-PON. Adicionalmente foram caracterizados e optimizados vários ROSAs (Receiver Optical Sub Assembly), todos eles com um recetor do tipo APD (Avalanche Photo-Diode) em sua constituição. This work was supported by FEDER - COMPETE 2020 under the project plug- PON (ref. POCI-01-0247-FEDER-047221). Due to the great demand for higher and higher transmission rates, technologies based on PON (Passive Optical Network) architectures have undergone enormous development in recent years and are currently the most used in access networks. With the emergence of the fifth generation of mobile networks (5G), new challenges have arisen for PON networks, such as: increased transmission rate, cost minimization and coexistence with previous technologies. In this context, a new standard, 25G-PON, was developed. Subsequently, this dissertation focuses on the characterization and optimization of 25 Gbit/s transceivers, which use different types of modulation, namely, EML (Externally Modulated Laser) and DML (Directly Modulated Laser) . Thus, it was intended to understand the limits and advantages of each option. Additionally, experimental tests were carried out in NG-PON2 and in 25G-PON, with the objective of comparing the performance of a technology that is already in operation (as is the case of NG-PON2) with a technology that is still in use. its testing phase (as is the case with 25G-PON). This work demonstrates the feasibility of transmitters that make use of direct modulation, which, with a much lower production cost, are able to reach the values required by the standard. It was also possible to demonstrate the feasibility of using O-band wavelengths (band where downstream and upstream transmission occurs in 25G-PON). Two XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) type transceivers were also experimentally characterized in NG-PON2 and two SFP28 (Small Form Factor Pluggable 28) type transceivers in 25G-PON. Additionally, several ROSAs (Receiver Optical Sub Assembly) were characterized and optimized, all of them with an APD type receiver (Avalanche Photo-Diode) in their constitution. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

O trabalho realizado centrou-se em atividades de investigação relacionadas com o desenvolvimento de hardware para um sistema de análise e monitorização de parâmetros fisiológicos e ambientais com recurso a sistemas óticos e eletrónicos. Efetivamente, o plano de trabalhos centrou-se em desenvolver e implementar um sistema de aquisição e transmissão em regime elétrico de dados relativos à postura, temperatura e frequências cardíaca e respiratória de uma pessoa sentada, como também dados relativos à temperatura, ruído, concentração atmosférica de CO2 e luminosidade ambiente. Também, um dos objetivos propostos foi o de permitir que o sistema tenha a funcionalidade de controlar a luminosidade ambiente. Numa primeira fase foram utilizados sensores eletrónicos em toda a sensorização e, numa fase posterior, os sensores eletrónicos relativos à postura corporal situados no assento foram substituídos por sensores óticos baseados em LEDs, fotodetetores e fibra ótica, podendo assim realizar um estudo de comparação entre ambas as tecnologias. Para além de todo o estudo e análise relativa ao desenvolvimento dos sensores óticos construídos no âmbito desta dissertação, também é feito o estudo e análise relativo às metodologias e escolhas adotadas no dimensionamento e construção do circuito de receção e acondicionamento de sinal. É de salientar que o trabalho descrito nesta dissertação foi também realizado no âmbito do projeto de I&D Plataforma e-Health para otimização de condições no local de trabalho, financiado pela AlticeLabsUA. Por fim, todo o processamento de sinal efectuado por software necessário ao estudo realizado foi efectuado pelo estudante André Filipe da Costa Mendes, tanto no âmbito do projeto descrito anteriormente, como também no âmbito da sua dissertação de mestrado. The work carried out focused on research activities related to the development of hardware for an analysis and monitoring system of physiological and environmental parameters using optical and electronic devices. Effectively, the work plan focused on developing and implementing a system for the acquisition and transmission, in electrical regime, of data relating to posture, temperature, and heart and respiratory rates of a seated person, as well as data relating to temperature, noise, atmospheric concentration of CO2 and ambient luminosity. Also, one of the proposed objectives was to allow the system to have the functionality to control ambient luminosity. In a first phase, electronic sensors were used and, in a later phase, the electronic sensors related to body posture located in the seat were replaced by optical sensors based on LEDs, photodetectors and optical fiber, thus being able to carry out a comparison study between the technologies. In addition to all the study and analysis related to the development of optical sensors built within the scope of this dissertation, the study and analysis related to the methodologies and choices adopted in the design and construction of the signal reception and conditioning circuit is also carried out. It should be noted that the work described in this dissertation was also carried out within the scope of the e-Health Platform R&D project for optimizing conditions in the workplace, funded by AlticeLabsUA. Finally, all the signal processing performed by software necessary for the study was carried out by the student André Filipe da Costa Mendes, both within the scope of the project described above, as well as within the scope of his master’s thesis. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

O trabalho realizado centrou-se em atividades de investigação relacionadas com desenvolvimento de um sistema para análise e monitorização de parâmetros fisiológicos e ambientais com recurso a sistemas óticos e eletrónicos. O plano de trabalho centrou-se no desenvolvimento e implementação de um sistema de aquisição e monitorização de dados relativos à temperatura corporal, deteção de frequências cardíaca e respiratória e deteção de postura de uma pessoa sentada, como também dados relativos ao ambiente de trabalho onde a pessoa se encontra, neste caso, a temperatura e humidade relativa, a concentração atmosférica de CO2, ruído sonoro e níveis de luminosidade, aliados à possibilidade de interação com equipamentos de controlo de níveis de conforto, geração de notificações de tempos de descanso e mudança de posição e visualização em tempo real dos dados em aplicações para Windows e Android. Nesta dissertação são estudados e implementados métodos de aquisição e processamento de sinais de dados obtidos dos diversos sensores utilizados no sistema e desenvolvimento de aplicações de visualização de dados em tempo real. Numa primeira fase é estudada a metodologia a ser usada para a deteção e monitorização da posição sentada de uma pessoa com um sistema de avisos e notificações, como também a deteção de frequências cardíaca e respiratória e temperatura corporal. É também desenvolvido o sistema de aquisição de dados relativos ao espaço ambiente. De seguida, foram desenvolvidas aplicações para Windows e Android com a capacidade de mostrar dados em tempo real obtidos no sistema. Finalmente, foi utilizada uma base de dados a fim de efetuar a recolha e amostragem de dados obtidos através do sistema de aquisição desenvolvido. O trabalho descrito nesta dissertação foi realizado no âmbito do projeto de I&D Plataforma e-Health para otimização de condições no local de trabalho, financiado pela AlticeLabsUA. O hardware utilizado no projeto desta dissertação foi implementado pelo estudante João Oliveira e Silva, no âmbito do mesmo projeto e da sua dissertação de mestrado. The work carried out focused on research activities related to the development of a system for the analysis and monitoring of physiological and environmental parameters using optical and electronic systems. The work plan focused on the development and implementation of a system for the acquisition and monitoring of data relating to body temperature, detection of heart and respiratory rates and detection of the posture of a seated person, as well as data relating to the working environment where the person is, in this case, the temperature and relative humidity, the atmospheric concentration of CO2, noise and light levels, together with the possibility of interaction with comfort level control equipment, generation of rest time notifications and repositioning and realtime visualization of data in applications for Windows and Android. In this dissertation, methods of acquisition and processing of data signals obtained from the various sensors used in the system and the development of real-time data visualization applications are studied and implemented. In a first phase, the methodology to be used for detecting and monitoring a person’s sitting position is studied with a system of warnings and notifications, as well as the detection of heart and respiratory rates and body temperature. The data acquisition system relating to ambient space is also developed. Then, applications for Windows and Android were developed with the ability to show real-time data obtained on the system. Finally, a database was used in order to collect and sample data obtained through the developed acquisition system. The work described in this dissertation was also carried out within the scope of the e-Health Platform R&D project for optimizing conditions in the workplace, funded by AlticeLabsUA. The hardware used in the project of this dissertation was implemented by student João Oliveira e Silva, within the scope of the same project and of his master’s dissertation. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

Selecting the most suitable transmission method has become extremely important due to the unstoppable growth of services, both in number and quality. This leads to the imposition of new challenges regarding the implementation of passive optical networks (PON), where are integrated the transceivers that need to operate as efficiently as possible (the management of the cost/performance ratio has become essential). The work presented in this document focuses on the study of the three most common techniques of modulation in an optical transmitter, EML (Externally Modulated Laser), DML (Directly Modulated Laser) and CML (Chirp Managed Laser). In this dissertation, a general analysis of the implementation of PONs is presented, followed by the study of the most essential optical components necessary to perform an optical communication through fiber. Here, the three modulation topologies used in transmitters are presented, which are subsequently tested, either by simulation or through experimental tests. The most detailed characterization was performed considering the CML architecture since it is both the less common and the less studied from the three, while at the same time presents a high potential with good performances associated with low implementation costs. Regarding the experimental tests, commercial XFPs (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) were used for the study of EML and DML, while for the study of CML, BOSAs (Bidirectional Optical Sub-Assemblies) prototypes under development were used. From this dissertation, it was possible to characterize and prove the expected performance by the different transceivers. The simulation results were, generally, supported by the experimental tests performed for the three modulation methods under study. Additionally, it was also possible to demonstrate the feasibility in the development of transceivers by PICadvanced, SA, that operate with the CML topology. One of the tested transceivers was already capable of reaching the requirements imposed by the XGS-PON standard, demonstrating the capacity of expansion and integration of this type of optical transmitter in PONs. A escolha do método de transmissão mais adequado tem-se revelado de extrema importância devido ao contínuo crescimento dos serviços, tanto em número como em qualidade. Isto leva à imposição de novos desafios relativamente à implementação de redes óticas passivas (PON), da qual fazem parte os transceivers que necessitam de operar da forma mais eficiente possível (a gestão da relação custo/desempenho tornou-se essencial). O trabalho apresentado neste documento foca-se no estudo de três técnicas de modulação de um transmissor ótico mais comuns, EML (Externally Modulated Laser), DML (Directly Modulated Laser) e CML (Chirp Managed Laser). Nesta dissertação é então apresentada uma análise geral da implementação das redes óticas passivas, seguida do estudo dos componentes óticos essenciais para realizar uma comunicação por fibra ótica. Desta forma, são apresentadas as três topologias de modulação usadas nos transmissores que são testadas posteriormente, quer por simulação, quer através de testes experimentais. A caracterização mais detalhada foi efetuada para a arquitetura CML, uma vez que esta é a menos explorada das três e ao mesmo tempo apresenta elevado potencial com bons desempenhos associados a um baixo custo de implementação. Relativamente aos testes experimentais, para o estudo de EML e DML foram usados XFPs (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) comerciais, já quanto ao estudo de CML foram usados protótipos de BOSAs (Bidirectional Optical Sub-Assemblies) que estão de momento a ser desenvolvidos. Com esta dissertação foi possível caracterizar e comprovar o desempenho dos diferentes transceivers. Os resultados de simulação foram, de forma geral, corroborados pelos testes experimentais efetuados para as três técnicas de modulação estudadas. Além disso, foi também possível demonstrar a viabilidade do desenvolvimento de transceivers a operar com a tipologia CML que se encontram em desenvolvimento por parte da PICadvanced, SA. Um dos transceivers em teste foi já capaz de cumprir todos os requerimentos impostos pelo standard XGS-PON, demonstrando a capacidade de expansão e integração deste tipo de transmissor ótico nas PONs. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

As comunicações óticas têm demonstrado ser a tecnologia capaz de satisfazer a crescente procura do consumidor por serviços e produtos, através das redes de comunicação, procurando tecnologias com maior largura de banda. Desse modo, esta procura estimula o desenvolvimento de novas soluções eficientes e economicamente viáveis. As comunicações óticas na rede de acesso utilizam Passive Optical Network (PON), com fibra ótica desde o Optical Line Terminal (OLT) até aos consumidores finais (Optical Network Unit (ONU)). As redes óticas passivas de próxima geração pressupõem o uso de multiplexagem no comprimento de onda para aumentar a sua capacidade de transmissão. Neste cenário são requeridas funcionalidades de flexibilidade e ajuste dinâmico nas ONUs, sendo valorizadas abordagens de baixo custo. Para tal, as soluções de filtragem, a serem usadas nos transceptores das ONUs, desempenham um papel fulcral na execução desta funcionalidade. Nesse sentido, estas soluções de filtragem podem ser implementadas através de filtros de filme fino. Estes demarcam-se por permitirem implementar a resposta espetral desejada, e proceder à sintonia através da variação de temperatura e/ou pelo desvio do ângulo de incidência. Aliado às suas características, podem ser integrados oticamente com circuitos óticos integrados e produzidos em grande escala e a baixo custo. Desse modo, os principais objetivos desta dissertação são o estudo e modelização de TFF e o desenvolvimento de uma solução de filtragem TFF, conforme os requisitos impostos pela norma NG-PON2. Optical communications have demonstrated to be the technology capable of satisfying the growing need of consumers for services and products, through communication networks, searching technologies with greater bandwidth. This search stimulates the development of new e_cient and economically viable solutions. The optical communications on the access network use PON, with optic _ber from the OLT to the _nal consumers (ONU). The next generation passive optic networks assume the usage of multiplexing on the wavelength to increase its transmission capacity. In this scenario, the functionalities of exibility and dynamic tuning of the ONUs are required, being low cost approaches preferable. To this end, the _lter solutions, to be used in the transceivers of the ONUs, play a major role in the execution of this functionality. For this goal, these solutions can be implemented through thin _lm _lters. These stand out for allowing the desired spectral response to be implemented and proceed to the tuning by the variation of temperature and/or deviation of the incidence angle. In combination with its characteristics, can be integrated optically with integrated optic circuits and be produced on a large scale and at a low cost. This way, the main goals of this dissertation are the study of the TFF modulation and the development of a TFF _lter solution, per the requirements imposed by the NG-PON2 standard. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

The increase in services provided by mobile network operators, as well as traffic over wireless networks (WiFi), has intensely exploited the available radio frequency (RF) spectrum. The fixed telecommunications network that connects radio antennas, Wi-Fi access points, or other technologies (eg, Wimax) supports new services that require higher transmission rates and connections, such as cloud computing, HDTV, Internet of Things (IoT) or Machine-to- Machine (M2M) communication. Silicon single-mode fiber optic (SMF) has been chosen as a means of transporting data on the fixed network as it offers higher bandwidths and transmission rates. In a desirable ubiquitous and transparent optical network context, there are still several bottlenecks in the network structure, whether due to the characteristics of SMF or economical from a cost/return perspective. Besides, current access networks based on SMF cable or RF connections are subject to interruptions and should therefore be able to provide alternative transmission paths. On the other hand, the expected increase in information traffic in the near future leads to the establishment of new spectral allocation protocols for SMF. The ITU-T G.989 standard thus emerges to promote next-generation (NGPON2) networks that seek to exploit the spectrum available in SMFs through point-to-multipoint Wavelength Division Multiplexing (WDM) networks as well as in UDWDM (Ultra-Dense WDM) in a point to point configuration, addressed to the end-user. In this context, plastic optical fiber (POF) appears as an alternative transmission medium to the SMF and promising in the short-range network. The implementation of the POF extends to the telecommunications operators' access network, the residential / building telecommunications network, transport vehicles or the rapid re-establishment of communications in accidentprone optical networks. Free Space Optical Transmission (FSO) is also a promising means of communication and alternative for short-range RF or SMF connections. FSO connections can be applied to the telecom operator's access network, standby connections between GSM antennas, the connection between an institution's buildings, point-to-multipoint wireless communications, or the quick re-establishment of a cable optical device accidentally interrupted. Thus, the POF and FSO transmission media will be studied here, exploring new spectral limits and transmission capabilities involving GPON and NGPON2 network protocols. Coherent reception and data retrieval through software-defined receivers for real-time digital signal processing will be explored. O aumento dos serviços prestados pelas operadoras de rede móvel, assim como do tráfego nas redes-sem-fios (WiFi) têm explorado intensamente o espectro de radiofrequência (RF) disponível. A rede fixa de telecomunicações que conecta as antenas rádio, pontos de acesso WiFi ou outras tecnologias (ex. Wimax), suporta novos serviços que exigem maiores taxas de transmissão e conexões, como por exemplo a computação na nuvem, HDTV, Internet das Coisas (IoT) ou a comunicações de Máquina-a-Máquina (M2M). A fibra óptica monomodo em silício (SMF) tem sido a escolhida como o meio de transporte de dados na rede fixa, uma vez que disponibiliza maiores larguras de banda e taxas de transmissão. Num contexto desejável de rede óptica ubíqua e transparente, subsistem variados estrangulamentos na estrutura da rede, sejam devido às características da SMF, sejam económicos numa perspectiva de custo/retorno. Além disso, as actuais redes de acesso, baseadas em cabos de SMF ou em ligações RF, estão sujeitas a interrupções e, portanto, devem poder contemplar caminhos de transmissão alternativos. Por outro lado, o aumento esperado no tráfego de informações no futuro próximo leva ao estabelecimento de novos protocolos de alocação espectral para a SMF. O padrão ITU-T G.989 surge, assim, para promover as redes de próxima geração (NG-PON2) que procuram explorar o espectro disponível em SMFs através de redes WDM (Wavelength Division Multiplexing) pontomultiponto, bem como através de redes em UDWDM (Ultra-Dense WDM) numa configuração ponto a ponto, endereçado ao utilizador final. Neste contexto, a fibra óptica plástica (POF) surge como um meio de transmissão alternativo à SMF e promissor na rede de curto alcance. A implementação da POF estende-se à rede de acesso das operadoras de telecomunicações, à rede de telecomunicações residencial/predial, aos veículos de transporte ou no rápido restabelecimento das comunicações em redes ópticas propensas a acidentes. A transmissão óptica de espaço livre (FSO) também é um meio promissor de comunicação e uma alternativa nas conexões em RF ou SMF de curto alcance. As conexões FSO podem ser aplicadas à rede de acesso do operador de telecomunicações, às conexões em reserva entre as antenas dos operadores móveis, à conexão entre os edifícios de uma instituição, às comunicações sem fio ponto-multiponto ou no rápido restabelecimento de um cabo óptico interrompido acidentalmente. Assim, os meios de transmissão POF e FSO serão aqui estudados, explorando-se novos limites espectrais e capacidades de transmissão envolvendo os protocolos de redes GPON e NG-PON2. Serão exploradas a recepção coerente e a recuperação de dados através de receptores definidos por software, para o processamento de sinais digitais em tempo real. Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnica

Next generation optical systems can highly benefit from optimized photonic integrated solutions. Photonic integrated circuits (PIC) appear as a promising technology under the current demand for flexibility/reconfigurability in optical systems and telecommunications networks. PIC-based optical systems offer an efficient and cost-effective solution to data transmission increasing claims. In order to contribute to the development of integrated photonic technology, optimized PIC solutions addressing different steps of the PIC development chain, mainly design, testing, and packaging processes, are investigated. Optical signal data compression techniques are progressing to sustain the fast processing/storing of large amounts of bandwidth demanding data, with the advantage of resorting to photonic integrated solutions for the implementation of optical transforms, e.g., Haar transform (HT). This demand motivated the research of an optimized PIC design solution in silicon nitride (Si3N4) based platform comprising a two-level HT network for compression, and a switching network as a framework that supplies all logical inputs of the HT network for testing/characterization purposes. Optimized design models for the multimode interference key building block structure of the PIC design solution, are proposed. Additionally, a first test and characterization of PIC solutions implementing the HT for compression applications in indium phosphide (InP) based platform and in a new organic-inorganic hybrid material were realized. Taking advantage of a tunable lattice filter dispersion compensator in Si3N4-based integrated platform, it was demonstrated a real-time extended reach PAM-4 transmission over 40 km enabled by the photonic integrated dispersion compensator, with application in data center interconnects. Under photonic integrated high-Q resonators need for accurate performance measurement, a technique based on RF calibrated Mach-Zehnder interferometer, and Brillouin gain measurements through Lorentzian fitting analysis were successfully attained. Finally, as technical and functional requirements of PIC demand a thorough characterization/testing to provide an accurate prediction of its performance, and current testing platforms can be expensive and have low flexibility, a proof of concept of a new soft-packaging flexible platform for photonic integrated processors and spatial division multiplexing systems, based in spatial light modulation operation principle is proposed. Os sistemas óticos de nova geração beneficiam com a otimização de fotónica integrada. Com os circuitos de fotónica integrada (PIC) avançados a surgir como uma tecnologia promissora, dentro da crescente procura por flexibilidade/ reconfigurabilidade dos sistemas óticos e redes de telecomunicações. Os sistemas óticos baseados em PIC oferecem soluções eficientes e rentáveis em resposta às necessidades crescentes de transmissão de dados. De modo a contribuir para o desenvolvimento tecnológico associado à fotónica integrada, são investigados no âmbito desta dissertação diferentes soluções otimizadas de PIC, abordando diferentes estágios do seu desenvolvimento, nomeadamente projeto/design, teste e encapsulamento. Técnicas de compressão de sinais óticos estão a progredir no sentido de apoiar a expansão de velocidade de processamento e quantidade de armazenamento com elevada largura de banda associada. São esperadas vantagens recorrendo a PIC para a implementação de transformadas óticas, e.g., transformada de Haar (HT). Esta necessidade motivou a investigação de soluções de PIC com design otimizado, desenvolvidas em plataforma integrada de nitreto de silício (Si3N4). O PIC desenhado é constituído por uma rede 2D a executar a HT para fins de compressão e uma rede de comutação para produzir todas as entradas lógicas esperadas para teste e caracterização. São propostos modelos de design otimizados para a estrutura elementar que compõe o PIC, i.e., componente de interferência multimodal. Adicionalmente, foi realizado o primeiro teste e caracterização experimental de um PIC implementando a HT para fins de compressão, numa plataforma integrada de fosfato de índio (InP) e num material orgânico-inorgânico híbrido. Tirando partido de um filtro sintonizável para compensação de dispersão, desenvolvido em plataforma integrada de Si3N4, foi demostrado um link de transmissão alargada (40 km) em modulação PAM-4, com possível aplicação em centros de processamento de dados de interconexão. A necessidade de medições precisas de desempenho para a caracterização efetiva de soluções integradas de ressoadores de elevado fator de qualidade, motivou a implementação de uma técnica de medição eficaz. Esta é baseada num interferómetro de Mach-Zehnder calibrado em rádio frequência e na realização de mediações de ganho de Brillouin por análise Lorentziana de ajuste de curva. Por fim, tendo em conta os rigorosos requisitos técnicos e funcionais associados ao teste/caracterização precisa de PIC e o facto de as atuais soluções serem dispendiosas e pouco flexíveis. Uma prova de conceito de uma nova plataforma flexível de encapsulamento por software é proposta com aplicação em processadores PIC e sistemas com multiplexagem por divisão espacial. Programa Doutoral em Telecomunicações

The constant emergence of new products and services through communication networks, namely the Internet, leads to the demand for technology capable of providing these services with increasing speeds and bandwidth. Nowadays, the technology suitable to provide these features is communication through an optical fiber (optical communications). This technology is applied by PON networks, in which architectures distribute optical fiber from the central office (OLT) through the final user (ONT or ONU). It is in the context of these networks that arise the integrated optical applications for implementation of these structures (OLTs and ONTs) for data transmission and reception with reduced energy consumption, complexity as well as size. Therefore, these chips pretend to include, in one single copy, several optical components multiplying its functionalities in very reduced sizes and, for power consume reduction, using mostly passive elements. This dissertation intends to contribute with new solutions development for implementation of new structures capable to meet the user needs, with a development of a new architecture for implementing a PIC transmitter to be integrated on the client-side at the ONT. The optoelectronic solution should be capable of address 40 GBit/s of data rate and, for that, it should also be evaluated an implementation method to apply channel multiplexing to the system that, at the same time that it allows the 40 Gbit/s bit rate output, presents low additional loss values to the system. The proposal architecture should also ensure an 8 dBm of minimum output optical power. Besides, the final chip must be compliant with NG-PON2 network requirements A constante eclosão de novos produtos e serviços através das redes de comunicação, nomeadamente a internet, ocasiona a procura por tecnologia capaz de fornecer estes serviços respondendo com cada vez maiores velocidades e largura de banda. Actualmente, a tecnologia apta para estas características é a comunicação via fibra ótica (comunicações óticas). Esta tecnologia é aplicada sob redes Passive Optical Network (PON), arquitecturas que realizam a distribuição de fibra desde a origem (Optical Line Terminal (OLT)) até ao consumidor final (ONT ou Optical Network Unit (ONU)). E no contexto destas redes que surge a aplicação de ótica integrada para implementação destas estruturas (OLTs e ONTs) para transmissão e envio de informação com redução de consumo de energia, de complexidade e, por fim, de tamanho. Assim sendo, estes chips pretendem incluir num único exemplar, vários componentes óticos replicando as suas funções em tamanhos muito reduzidos, com recurso a elementos maioritariamente passivos. Esta dissertação contribui assim com o desenvolvimento de novas soluções para implementação de futuras redes capazes de dar resposta aos requisitos dos utilizadores. Deste modo, pretende-se desenvolver uma arquitectura para a implementação de um transmissor em formato Photonic Integrated Circuit (PIC), a ser implementado no lado do cliente - ONT. Este PIC deverá conseguir atingir uma taxa de transmissão de 40 Gbit/s e, para tal, deverá ainda ser estudado um método de implementação da técnica de multiplexagem de canais que adicione poucas perdas ao sistema, mas que, ainda assim, permita obter os 40 Gbit/s à saída pretendidos. A arquitectura proposta deverá ainda garantir um mínimo de 8 dBm de potência ótica à saída. Além disto, o chip deve ser concordante com os requisitos de rede impostos pela norma NG-PON2 Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

The optic communications are more and more present in our day-to-day lives. With the increase of the connected devices to the internet, there is an urge of a great capacity e efficiency in data transmission. Due to this evolution it is necessary to improve device performance. This assignment focuses on thermal, electric and optic encapsulation, where through a Photonic Integrated Circuit (PIC), entitled \Case Study", a XFP transceiver demonstrator the used integrated optic. The first phase the rules for an optic and electric encapsulation were addressed, as well as, the active and passive alignments techniques of an PIC. Subsequently, had been made electric viability tests of a PIC where it has been tested with a distributed feedback laser at high temperatures. Afterward it was done thermic control tests to the system, where the temperature sensors integrated in the holder have been characterized of gold and platinum. At last, it was done a prototype a XFP transceiver demonstrator, used a PIC transceiver assembled onto the Silicon (Si)-holder with a Thermoelectric Cooler (TEC) attached directly on the holder bottom surface, approaching all the progression processes of this same prototype. As comunicações óticas estão cada vez mais presentes no nosso dia a dia. Com o aumento dos dispositivos ligados a internet, existe a necessidade de uma grande capacidade e eficiência na transmissão de dados, devido a essa evolução é necessário melhorar a performance dos dispositivos. Este trabalho aborda o encapsulamento elétrico, térmico e ótico, onde se desenvolveu, através de um PIC, denominado como Caso de Estudo, um demonstrador XFP transceiver utilizando ótica integrada. Numa primeira fase foram abordadas as regras para um encapsulamento elétrico e ótico, bem como as técnicas de alinhamentos ativos e passivos num circuito ótico integrado (PIC). Posteriormente, foram realizados testes à viabilidade elétrica de um PIC, onde foi testado um laser de realimentação distribuída a altas temperaturas. Em seguida efetua-se testes para controlo térmico do sistema, onde foram caraterizados sensores de temperatura integrados no holder, de ouro e platina. Por fim foi feito um protótipo de um transmissor XFP utilizando um PIC transmissor assemblado em um holder de Silicio com um TEC fixo na parte inferior do holder, abordando todos os processos de desenvolvimento desse mesmo protótipo. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

For the last two decades, the Internet has been target of a technological revolution. The amount of new services and applications that came up with this revolution demanded the search to obtain more bandwidth and bigger data rates. The only technologies capable of satisfying these conditions are the optical communications. The current technology that is capable to satisfying all these needs is the Passive Optical Network(PON). There are some variations of this technology currently being used such as the GPON and EPON. New evolutions of PON are being developed, such as the Next Generation Passive Optical Network 2(NG-PON2) This technology multiplexes different services into separated wavelengths, making its performance more effective. One tool of great matter in this business is the Photonics Integrated Circuit(PIC). The photonic integrated technology has been taking over the conventional optical equipment because it allows the integration of several functionalities into one single chip, saving space and energy. Having in mind the objective of developping next generation optical communication systems, the work presented in this document intends to test PIC in way that they can be used in optical equipment, as for example the Optical Line Terminal(OLT) which has functions of transmitter/receiver situated at the operator's station, and the Optical Network Unit(ONU) situated at the user's location. To make it possible for PIC to be integrated in optical networks these must be tested in order to assure that they perform their functions without any anomalies happening. For such reason, these PIC are at our labs, read to be tested. This work, consisted of the execution of tests to PIC as well as the optimization of the techniques and adequate procedures. In the first place, it is presented an overview of optical networks and PIC. Then the do's and dont's of testing PIC as well as the procedure and preparations of these tests. At last, the tests to the PIC will be performed which represents most of the work shown in this document. No decorrer das últimas duas décadas a Internet tem sofrido uma grande revolução. A quantidade de serviços e aplicações que surgiram desta revolução criaram a necessidade de obter mais largura de banda e maiores velocidades. As únicas tecnologias capazes de satisfazer estas condições são as comunicações óticas. A tecnologia que é usada atualmente para satisfazer todas estas necessidades é chamada de Passive Optical Network( PON). Existem algumas evoluções desta tecnologia a serem utilizadas atualmente, nomeadamente a GPON ou EPON. Novas evoluções de PON estão a ser desenvolvidas, nomeadamente a Next Generation Passive Optical Network 2(NG-PON2). Esta tecnologia multiplexa serviços diferentes em diferentes comprimentos de onda, tornando o seu desempenho mais eficaz. Um dispositivo de grande importância neste ramo são os Photonic Integrated Circuit(PIC). A tecnologia integrada tem vindo a substituir a ótica convencional, uma vez que possiblita a integração de varias funcionalidades óticas num único chip, poupando energia e espaço. Com o obectivo de desenvolver sistemas óticos de futura geração, este trabalho pretende testar PICs de maneira que estes possam ser integrados em equipamentos óticos, como por exemplo no Optical Line Terminal(OLT) com funções tais como transmissor/receptor situado na estacão da operadora de telecomunicações ou no Optical Network Unit(ONU) que se situa na localização do utilizador. Para possível integração dos PICs em redes óticas, estes deve ser testados de modo a garantir que todas as funções se realizem sem anomalias. Para tal, estes componentes encontram-se em teste nos nossos laboratórios. Estes trabalho, consistiu na realização de testes a circuitos integrados óticos, bem como a otimização das técnicas e procedimentos adequados para os mesmos. Em primeiro lugar, _e apresentado um resumo teórico acerca das redes óticas e PIC. De seguida, são apresentados cuidados de realização de testes, bem como procedimento de preparação dos mesmos. Por fim são realizados testes aos PIC que representam o maior volume em trabalho deste documento. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

Submitted by Marisa Figueiredo (marisa@ua.pt) on 2020-10-26T10:58:45Z No. of bitstreams: 1 Documento_Joao_Arantes.pdf: 8817545 bytes, checksum: a5f1966e4fe1538871b6bee55aeeeab5 (MD5) Made available in DSpace on 2020-10-26T10:58:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Documento_Joao_Arantes.pdf: 8817545 bytes, checksum: a5f1966e4fe1538871b6bee55aeeeab5 (MD5) Previous issue date: 2019-12 Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

O mundo está a evoluir nas mais diversas _áreas. Contudo, a evolução mais assinalável verifica-se ao nível do desenvolvimento tecnológico, como uma resposta ás necessidades da população. O avanço no mundo tecnológico implica um aumento no tráfego de dados e no ritmo de transmissão a que os mesmos são transportados. Para fazer face ás exigências no que toca ao desempenho dos sistemas digitais, é esencial que existam técnicas que permitam a otimização do processo de transferência de informação. Embora a utilidade da modulação Quadrature Amplitude Modulation (QAM) seja um dado adquirido, nomeadamente em aplicações de entrega de transmissão domésticas por cabo ou em comunicações por ondas de rádio, nada impede que a comunicação QAM seja melhorada. _E neste contexto que surge o Probabilistic Constellation Shaping (PCS), que promete diminuir o número de erros ocorridos durante a transmissão, assim como reduzir a energia necessária para que a modulação QAM seja efetuada. Tratando-se de um esquema de codificação, a aplicação do Forward Error Correction (FEC), a um sistema de transmissão digital, permite a obtenção de um número de erros extremamente reduzido. Tanto o PCS como o FEC providenciam ganhos, em termos de relação sinal-ruído, ao sistema no qual são aplicados. Nesta dissertação, pretende-se explorar o conceito de PCS, apresentando-se algumas técnicas para a sua implementação em sistemas a operar a uma taxa de 400Gb/s. Ilustrar-se-ão as constelações QAM modeladas probabilisticamente e comparar-se-ão os valores de Bit Error Ratio (BER), energia média e entropia dos sistemas com e sem o bloco de PCS presente. O conceito do FEC também é explicado, com destaque para os códigos de blocos, que são os escolhidos para a implementação do mesmo num contexto pratico. Nos resultados das simulações dos sistemas com codificação, o principal objetivo é a determinação do ganho de codificação. The world is evolving in many different areas. However, the most remarkable improvement occurs in the technological development, as a response to the needs of the population. The advancement in technological world implies increases in data trafic and at the transmission rate at which they are carried over. To meet the performance demands of digital systems, techniques allowing the optimization of the information transfer process are essential. Although the usefulness of Quadrature Amplitude Modulation (QAM) is taken as guaranteed, namely in cable home transmission delivery applications or radio wave communications, nothing prevents QAM communication from being improved. It is in this sense that Probabilistic Constellation Shaping (PCS) arises, which promises to decrease the number of errors occured during the transmission, as well as reducing the required energy for QAM modulation being performed. As a coding scheme, Forward Error Correction (FEC) is applied to a digital transmission system to obtain extremely small error numbers. Both PCS and FEC provide gains, in terms of signal-to-noise ratio, to the system in which they are applied. In this dissertation, it is intended to explore the concept of PCS, introducing some techniques for its implementation on systems operating at a rate of 400 Gb/s. Probabilistically modeled QAM constellations will be ilustrated and the values of Bit Error Ratio (BER), average energy and entropy of the systems will be compared, with or without the PCS block. The concept of FEC is also explained, highlighting the block codes, which are the codes chosen for its implementation in a practical context. In the simulation results of systems with coding, the main objective is to determine the coding gain. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

Over the recent past, there has been a clear evolution in the development and implementation of fiber optics to the end user. FTTH networks were developed and standardized across the world, but the bandwidth requirements by users and services demanded by this technology evolved, from GPON to XG-PON, and now to NG-PON2. For the next generation optical components, it is relevant to create solutions that allow the testing and calibration of these components, however this is only possible if a manual sweep of the parameters is carried out in a first phase, which will be done in this dissertation. In this work, some optical transceivers are presented and several tests for characterizing transmitters and receivers were performed, intended to be implemented in a OLT XFP for NG-PON2. With this dissertation, it was possible to conclude that both the transmitter and the receiver tested present results compliant to the commercial ones, and which regards the figures of merit addressed, they meet the requirements of ITU-T G.989.2 standards. This leaves good prospects for the development of an OLT XFP compliant and low cost by PICadvanced, SA. No passado recente, houve uma clara evolução no desenvolvimento e implementação de fibra ótica até ao utilizador final. As redes FTTH foram desenvolvidas e normalizadas em todo o mundo, mas os requisitos de largura de banda por parte dos utilizadores e serviços exigidos por essa tecnologia foram evoluindo, de GPON para XG-PON e agora para NG-PON2. Para os componentes óticos da próxima geração, é relevante criar soluções que permitam testar e calibrar estes componentes, no entanto isto apenas é possível se numa primeira fase for realizado um varrimento manual dos parâmetros, trabalho esse que será feito nesta dissertação. Neste trabalho, são apresentados transceivers óticos e foram realizados vários testes visando a caracterização de transmissores e recetores, com o objetivo de serem posteriormente implementados num XFP da OLT para NG-PON2. Com esta dissertação, foi possível concluir que tanto o transmissor como o recetor que foram testados apresentam uma resposta compatível com os comerciais, e relativamente às figuras de mérito abordadas vão de encontro às exigidas na norma ITU-T G.989.2, abrindo assim boas perspetivas para o desenvolvimento num futuro próximo de XFP da OLT compliant e de custos reduzidos por parte da PICadvanced, SA. Este trabalho é financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER), através do Programa Operacional Regional do Centro (CENTRO 2020) do Portugal 2020 [Projeto HeatIT com o nº 017942 (CENTRO-01-0247-FEDER-017942)]. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2019-01-10T09:30:48Z No. of bitstreams: 1 Documento.pdf: 13670741 bytes, checksum: 8de68e25f08a9d9e9fc09410ee1ebe4f (MD5) Made available in DSpace on 2019-01-10T09:30:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Documento.pdf: 13670741 bytes, checksum: 8de68e25f08a9d9e9fc09410ee1ebe4f (MD5) Previous issue date: 2018-10-26 Programa Doutoral em Telecomunicações

The present work aims the production and characterization of cost-effective photonic integrated circuits (PICs) to encounter green photonics goals, namely in the optical communications and sensing fields. Therefore, organic-inorganic hybrids (di-ureasil and tri-ureasil), doped with zirconium propoxide stabilized with methacrylic acid, were synthesized by the versatile sol-gel methodology, at room temperature, as planar waveguides processed in the form of monoliths, with controlled shape and size, and films with variable thickness (10−5-10−6 m) in vitreous or silicon oxide substrates. They exhibit stable and tunable properties, mechanical and thermal stability resulting from the synergy between the organic and inorganic counterparts. Their main feature is the heavily facilitated control of the surface optical properties by the inherent flexibility offered by these materials that are easily self-patterned by direct UV laser writing, and the refractive index tuning through chemical doping. The influence of different concentrations of zirconia-based clusters (20-60 mol%) in the local structure of di-ureasils and tri-ureasils was studied through X-ray diffraction, nuclear magnetic resonance of 13C and 29Si atoms, infrared spectroscopy by Fourier transform, Raman spectroscopy by Fourier transform and thermogravimetry analysis. The relevant optical features for applications in PICs were determined, showing acceptable attenuation values (∼1-5 dB·cm−1) for low dimension circuits, and reduced insertion losses arising from the fibre-device similar refractive index (1.49-1.52). Taking advantage of the material photosensibility, direct UV laser writing was used to pattern the desired optical architecture on the surface of organic-inorganic hybrids. In what concerns optical communications, passive and active devices were produced: a thermo-optic integrated variable wave plate device to control the state of polarization of an optical signal, showing a linear retardation coefficient of 17±1 °/°C; a 90° hybrid coupler to demodulate a 20 Gb/s quadrature phase shift keying transmission over 40 km of fibre, yielding a 2.5 dB power penalty, relatively to back-to-back; an electro-optic phase modulator based on a Mach-Zehnder interferometer (MZI) with a voltage shift required for a π phase change of 2.9±0.3 V; an optical amplifier in the blue spectral region for visible light communications with a maximum optical gain efficiency of 1.62±0.02 cm∙μJ−1. In the sensing field, the development of portable low-cost PICs based biosensors for lab-on-a-chip devices are of great interest. Thus, a biosensor based on an MZI was produced to monitor the growing concentration of bacteria in a liquid medium, presenting a sensitivity of 2×10−4 RIU and limit of detection of 2.0 pg·mm−3. O presente trabalho tem como objetivos a produção e caracterização de circuitos de ótica integrada (OI) eficientes e de baixo custo, no contexto dos requisitos de fotónica sustentável, nomeadamente na área das comunicações óticas e dos sensores. Para isso, híbridos orgânico-inorgânicos (di-ureiasil e tri-ureiasil), dopados com propóxido de zircónio estabilizado com ácido metracrílico, foram sintetizados pela metodologia sol-gel, à temperatura ambiente, como guias de onda planares processados na forma de monólitos, com forma e tamanho controlados, ou filmes de espessura variável (10−5-10−6 m), em substratos vítreos e de silício oxidado. Estes materiais exibem propriedades óticas estáveis e ajustáveis, estabilidade mecânica e térmica resultantes da sinergia entre os componentes orgânicos e inorgânicos. A sua principal propriedade é o fácil controlo das propriedades óticas devido à inerente flexibilidade dos materiais que são auto-padronizados pela escrita direta por radiação ultravioleta (UV), e o controlo do índice de refração por dopagem química. A influência de diferentes concentrações de aglomerados de zircónio (20-60 mol%) na estrutura local dos di-ureails e tri-ureasils foi analisada através de difração de raio-X, ressonância magnética nuclear dos átomos de 13C e 29Si, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia Raman por transformada de Fourier e análise termogravimétrica. As características óticas relevantes para aplicações em OI foram determinadas, revelando coeficientes de atenuação aceitáveis (∼1-5 dB·cm−1) para circuitos de baixas dimensões, e baixas perdas de inserção devido à similaridade entre os índices de refração do dispositivo-fibra (1,49-1,52). Tomando partido da fotossensibilidade do material, foi utilizada a escrita direta por radiação UV para padronizar a arquitetura ótica desejada na superfície de híbridos orgânico-inorgânicos. No que respeita às comunicações óticas, foram produzidos dispositivos passivos e ativos: controlador de polarização termo-ótico para monitorizar o estado de polarização de um sinal ótico, apresentando um coeficiente de retardamento linear de 17±1 °/°C; um acoplador híbrido de 90° para demodular uma transmissão de quadratura de chaveamento de fase com 20 Gb/s em 40 km de fibra, resultando numa penalidade de potência de 2,5 dB comparativamente à configuração sem fibra; um modulador de fase eletro-ótico baseado num interferómetro Mach-Zehnder (MZI) com uma diferença de potencial para uma variação de fase de π de 2,9±0,3 V; amplificador ótico na região espectral do azul para comunicações óticas no visível com uma eficiência máxima de ganho ótico de 1,62±0,02 cm∙μJ–1. Na área dos sensores, o desenvolvimento de biosensores portáteis de baixo custo baseados em OI para dispositivos é de grande interesse. Sendo assim, um biosensor baseado na arquitetura de um MZI foi produzido para monitorizar a concentração de bactérias num meio líquido, apresentando uma sensibilidade de 2×10−4 RIU e um limite de deteção de 2,0 pg·mm−3. Programa Doutoral em Telecomunicações

Optical communications are part of our daily routines being the basis of most of nowadays telecommunications infrastructures, standing out for the quality and e ciency concerning the data transmission. Thanks to the technological advances, there is a need to develop these communication infrastructures in order to satisfy the consumer's needs. Passive Optical Network (PON) is one of the architectures used to bring optical ber to the nal consumer. Its implementation and conservation are inexpensive, and the bandwidth is divided by the connected users. However, with the increasing access to information through digital channels it is necessary to optimize costs, increase its rate, widen the amount of information and develop the quality of the data transmission. In the future, the use of integrated optical circuits (PIC) will allow the improvement of the PON networks, since they incorporate di erent optical components with various functions. The characterization of these chips is still in an early stage in our laboratories and needs to be optimized. Thus, this work addresses tests that have been carried out to establish a testing model and present a generic test setup. This can be used as a tool with all the necessary stages to the completion of the tests. It starts with the theoretical framework about PON and the integrated optical circuits. Then, there is a chapter dedicated to measures theory and proper treatment of data obtained in an experiment. Some of the PICs tests performed in the laboratory are presented. Finally, a generic test setup and a test model are suggested. As shown in this essay, the recommended setup is less time consuming, and it o ers a higher quality in the data receiving and processing. As comunicações óticas fazem parte do nosso dia a dia, pois atualmente são a base das infraestruturas de telecomunicações, destacando-se pela qualidade e eficiência na transmissão de dados. Devido ao desenvolvimento tecnologico que caracteriza o nosso quotidiano, torna-se necessário a evolução destas infraestruturas de comunicação para satisfazer as necessidades e exigências do consumidor final. A Rede Ótica Passiva (PON) é uma das várias arquiteturas de distribuição de fibra otica ate ao consumidor final e caracteriza-se pelo baixo custo de implementação e de manutenção e pela divisão de banda larga disponível aos clientes. No entanto, e tendo em consideração o incremento do acesso à informação através dos canais digitais, impõe-se otimizar os custos dessa rede, aumentar a sua rapidez, ampliar a quantidade de informação e melhorar cada vez mais a qualidade da transmissão dos dados. O recurso, no futuro, à utilização dos Circuitos Oticos Integrados (PIC) permitir a melhorar as redes PON, pois estes circuitos consistem em chips que integram vários componentes óticos capazes de ter variadissimas funcionalidades. A caracterização e teste destes chips encontram-se ainda numa fase inicial e pouco otimizada nos nossos laboratórios. Neste contexto, este trabalho consistiu na realização de testes que permitissem definir um protocolo de teste e apresentar uma proposta de um setup de teste genérico, sendo o principal objetivo desta dissertação que a mesma possa ser utilizada como ferramenta com todos os passos necessários à realização destes testes. Inicialmente é feito um enquadramento teórico acerca de redes óticas passivas (PON) e de circuitos oticos integrados (PIC). De seguida, é apresentado um capítulo sobre teoria de medidas e o tratamento correto dos dados obtidos numa experiência. Depois são apresentados alguns testes de PICs realizados em laboratório, constatando-se as dificuldades dos mesmos. No fim, é proposto um setup de teste genérico, acompanhado de um protocolo de teste, tendo como objetivo a otimização do tempo gasto na experiência, e da qualidade da receção e tratamento dos dados recebidos. COMPRESS - PTDC/EEI-TEL/7163/2014; HEATIT 017942 (CENTRO-01-0247-FEDER-017942) Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

The need to have ever increasing transmission rates makes optical communications the technology to adopt, being the only technology that currently allows transmission of data in the Tb/s region. However, with passive optical networks NG-PON2 it is possible to achieve speeds of 40 Gb/s downstream and 10 Gb/s upstream but, due to the constant increasing of demanding services and applications, there is an incessant investigation in order to suppress these future needs. OFDM has been used successfully in numerous applications, such as digital audio/video transmission, wireless communication systems, among others. It is a very viable solution that has in its favor a low interference between symbols and a good spectral efficiency, besides passing the complexity of the transmitters and receivers from analog domain to the digital domain. This dissertation studies OFDM technology, describing all processes from generation, modulation, transmission and reception of the signal. It is performed an exhaustive simulation study using a 40 Gb/s bit rate and advanced modulation techniques, such as QPSK and 16QAM. It's also studied the impact that direct and coherent detection techniques have on the system, as well as the effect that the optical channel length has on the transmitted signal. This dissertation aims to demonstrate that OFDM is a viable technology and a true alternative to be used in future optical access networks.The need to have ever increasing transmission rates makes optical communications the technology to adopt, being the only technology that currently allows transmission of data in the Tb/s region. However, with passive optical networks NG-PON2 it is possible to achieve speeds of 40 Gb/s downstream and 10 Gb/s upstream but, due to the constant increasing of demanding services and applications, there is an incessant investigation in order to suppress these future needs. OFDM has been used successfully in numerous applications, such as digital audio/video transmission, wireless communication systems, among others. It is a very viable solution that has in its favor a low interference between symbols and a good spectral efficiency, besides passing the complexity of the transmitters and receivers from analog domain to the digital domain. This dissertation studies OFDM technology, describing all processes from generation, modulation, transmission and reception of the signal. It is performed an exhaustive simulation study using a 40 Gb/s bit rate and advanced modulation techniques, such as QPSK and 16QAM. It's also studied the impact that direct and coherent detection techniques have on the system, as well as the effect that the optical channel length has on the transmitted signal. This dissertation aims to demonstrate that OFDM is a viable technology and a true alternative to be used in future optical access networks. A necessidade de aumentar cada vez mais os ritmos de transmiss~ao fazem das comunicações oticas a tecnologia a adotar, sendo esta a única tecnologia que, atualmente, permite transmissão de dados na região dos Tb/s. Todavia, com as redes óticas passivas NG-PON2 é possível obter velocidades de 40 Gb/s downstream e 10 Gb/s upstream mas, devido ao constante aumento de serviços e aplicativos cada vez mais exigentes, é espectável que seja insuficiente para suprimir necessidades futuras, havendo uma incessante investigação de forma a colmatar essas esse defice. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) tem vindo a ser utilizado com sucesso em in umeras aplicações, tais como transmissão áudio/vídeo digital, sistemas de comunicação wireless, entre outras. É uma solução bastante viável que tem a seu favor uma baixa interferência entre símbolos e uma boa eficiência espectral, alem de passar a complexidade dos transmissores e recetores do dominio analógico para o domínio digital. Nesta dissertação é estudada a tecnologia OFDM, descrevendo todo processo desde geração, modulação, transmissão e recepção do sinal. Foi tamb em feito um estudo de simulação exaustivo usando um bit rate de 40 Gb/s e técnicas de modulação avançadas, sendo estas QPSK e 16QAM. Foi também estudado o impacto que as técnicas de detecção direta e coerente têm no sistema, assim como o efeito que o comprimento do canal ótico tem no sinal transmitido. Esta dissertação visa demonstrar que OFDM é uma tecnologia viável e uma verdadeiras alternativa a ser usada em futuras redes óticas de acesso. Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

The current society is increasingly dependent on communication services, requiring better and faster connections, predicting in a near future connections in the order of hundreds of Gbit/s. During the data transmissions, the increase of speed reflects an increase of the error ratio due to factors such as noise, reductions of signal or jitter, which for low speed these were not emphasized so much. This project involves the development of a BER test system for both continuous and Burst mode of the transmission, demonstrating the viability of communication over the next-generation technology, NG-PON2, which uses high transmission rates (10 Gbit/s). For this purpose, an FPGA architecture was implemented that allows for long distances in the optical network, high transmission rates. This choice reflects a more economical alternative in relation to commercial equipment and has several advantages, such as the flexibility to reprogram and prepare the architecture according to the needs of the user. To achieve the proposed requirements, the project was divided into three parts. In the first part an architecture was developed that allows to obtain the error rate during a continuous mode transmission. In order to obtain the real-time viability of the communication referred and to have control over the system, an interface was developed between the computer and the FPGA to change certain characteristics of the communication channel. This is the second part of the project. The last part of the project has an architecture similar to the previous one, that is, instead of the transmission to be done in continuous mode, it is performed in mode Burst, being this the requirement with more interest to the technology NG-PON2. Finally, proof of concept was performed through an optical network provided by the company PICadvanced that allowed the validation of the different parts of the project. These validations will allow the development of new modules that will later contribute to the main project that is under development in the company PICadvanced, which aims at the construction of an automatic calibration board for the XFP transceivers. A sociedade atual depende cada vez mais dos serviços de comunicação, exigindo melhores ligações e mais rápidas, prevendo-se num futuro próximo a necessidade de ligações na ordem das centenas de Gbit/s. O aumento dos ritmos de transmissão refletem um aumento no que se refere à taxa de erro (BER), uma vez que o impacto associado a fatores como ruı́do ou interferência entre sı́mbolos, é maior do que para baixos ritmos. Este trabalho foca-se no desenvolvimento de um sistema de teste BER, tanto para uma transmissão contı́nua como para transmissão em rajadas, que demonstre a viabilidade da comunicação sobre a tecnologia da próxima geração, Next Generation Passive Optical Network 2 (NG-PON2), que utiliza débitos de transmissão elevados (10 Gbit/s). Para este efeito foi implementado uma arquitetura em Field-programmable gate array (FPGA) que possibilita para longas distâncias na rede ótica, elevados ritmos de transmissão. Esta escolha reflete uma alterativa mais económica em relação aos equipamentos comerciais e apresenta vantagens tais como a flexibilidade de reprogramar e preparar a arquitetura de acordo com as necessidades do utilizador. Para cumprir os requisitos propostos o projeto dividiu-se em três partes. Numa primeira parte do projeto desenvolveu-se uma arquitetura que permite adquirir a taxa de erros durante uma transmissão contı́nua. Com o intuito de analisar a viabilidade em tempo real da comunicação em questão, bem com o utilizador ter controlo sobre o sistema, alterando certas caracterı́sticas do canal de comunicação, desenvolveu-se numa segunda parte do projeto uma interface entre o computador e a FPGA. Numa última parte do projeto desenvolveu-se uma arquitetura semelhante à anterior, na qual se permite igualmente adquirir a taxa de erros com transmissão em rajadas (Burst), sendo este um dos requisitos de maior interesse na tecnologia NG-PON2. Por fim, a prova de conceito foi realizada através de uma rede ótica disponibilizada pela empresa PICadvanced, que permitiu a validação das diversas partes do projeto. Estas validações vão permitir a conceção de novos módulos que posteriormente vão contribuir para o projeto fonte que está em desenvolvimento na empresa PICadvanced, que visa a implementação de uma placa de calibração automatizada para os transceptores 10 Gigabit Small Form Factor Pluggables (XFP). Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

Submitted by Alexandra Bastos (alexandrabastos@ua.pt) on 2020-05-15T15:47:48Z No. of bitstreams: 1 Documento.pdf: 10895092 bytes, checksum: 63ab225d2f355e02158aafe7886124e1 (MD5) Made available in DSpace on 2020-05-15T15:47:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Documento.pdf: 10895092 bytes, checksum: 63ab225d2f355e02158aafe7886124e1 (MD5) Previous issue date: 2018 Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicação We are living in a time where communications became essential for most of our lives, whether it's in the business world, or in our own homes. The increasing need of higher bandwidth inhibits other networks other than optical ber based ones. Nowadays communications are responsible for a substantial percentage of our energetic footprint, hence Passive Optical Network(PON) are a strong contender for the next step of network implementation. These networks present a low energy consumption because between the transmitter and the receiver the signal stays in the optical domain. Although the increasing needs of bandwidth is almost across the communication world, certain services/identities need more bandwidth whether is download or upload. It's easy to understand that di erent consumers have unique needs. It's necessary to develop an architecture that serves all the costumers, in other words, there is a need for a network that provides high bitrate tra c to the users that needs it but also a network that serves the low end user that is not interested in this increase of bandwidth and therefore price in ation. There is today technologies yet to be widely implemented like NG-PON2 that were not implemented in a large scale because they dont represent a nancial return to the telecom operators simply because there is not enough user that requires the high bandwidth delivered by NG-PON2. It's necessary to nd a solution that includes not only the modern technologies but also the already implemented ones. With the objective of nding a solution for the problems mentioned before, this dissertation has the objective of designing a Photonic Integrated Circuit(PIC) that aims to be a transceiver of a Multitech Network that will be composed by the following technologies: Video-Overlay, XG-PON e NG-PON2. This dissertation presents an approach on Passive Optical Networks( PON) and the standards of the said technologies as well as a study of the components needed to assemble the transceiver using the programs ASPIC and VPI Photonics . In the end, there will be presented an architecture for the transceiver to be used in a Optical Network Unit(ONU), and the respective mask Layout. Vivemos numa época em que as comunicações se tornaram essenciais para grande parte da nossa vida, seja no mundo empresarial, seja nas nossas habitações. A crescente necessidade de aumento de largura de banda inviabiliza outras redes que não baseadas em braotica. Actualmente as comunicações são responsáveis por uma percentagem substancial dos nossos gastos energéticos, justamente por este facto Passive Optical Networks(PON) sao as principais candidatas ao próximo passo no desenvolvimento de redes. Estas apresentam menor consumo energético, pois entre o emissor e o receptor todo o sinal permanece no domínio óptico. Apesar da necessidade de largura de banda estar a aumentar de um modo transversal no mundo das telecomunicações, certos serviços/entidades necessitam de maiores velocidades tanto em termos de download como em termos de upload. E então fácil de perceber que consumidores diferentes têm necessidades diferentes. E necessário encontrar uma arquitectura que agrade a quem necessita de maiores larguras de banda mas também a quem não necessita de um aumento significativo e que, não está disposto a pagar por este. Existem neste momento tecnologias que ainda não foram implementadas em grandes escalas, como o caso de Next Generation Passive Optical Network (NG-PON2), porque não simbolizam um retorno financeiro para as grande operadores, uma vez que o número de potenciais consumidores de tais velocidades ainda não e substancialmente grande. E necessário encontrar uma solução que não so englobe as novas tecnologias como também as já existentes. Com o objectivo de se encontrar um solução para os problemas acima referidos, este trabalho assenta na elaboração de um Circuito integrado fotonico que visa ser um transrecetor de uma arquitetura multi-tecnologia em que irão ser incorporadas tecnologias como Video-Overlay, 10 Gigabit-capable Passive Optical Network (XG-PON) e NG-PON2. Esta dissertação apresenta uma abordagem as Redes Oticas Passivas e também um estudo feito aos componentes usados no transreceptor usando os programas Aspic e VPI Photonics . Porém ser a apresentado o desenho final do transreceptor que ser a usado numa Optical Network Unit(ONU).

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações With the continuous evolution of optical communication systems, emerged a need for high-performance optoelectronic elements at lower costs. Photonic packaging plays a key role for the next-generation of optical devices. In this work a standard packaging design rules is described, covering both the electrical and optical-packaging exploring both active and passive adjusting techniques, as well as the thermal management of the photonic integrated circuit (PIC). First a process for fiber-to-chip coupling with custom made ball-lensed fibers, is performed and tested initially in a testing-chip and thereafter in a manufactured practical study-case composed by a silicon holder with an InP distributed feedback (DFB) laser. The process of manufacturing etched V-grooves for fiber alignment is approached in detail. After this, for electrical interconnects and radio frequency (RF) packaging, both wire-bonding and flip-chip technique are discussed, and a characterization of the s-parameters in a PIC with wire-bonding is presented. A technique based on ruthenium-based sensors and platinum and titanium-based sensors for thermal control of the PIC is studied and the tested using a custom made PCB designed exclusively for that purpose. Com a constante evolução dos sistemas de comunicação óticos veio a necessidade de componentes optoelectrónicos de elevada performance a custos relativamente baixos. O encapsulamento ótico tem um papel chave nos dispositivos óticos de última geração. Neste trabalho são descritas as regras de um processo de encapsulamento padrão, que abrange tanto o encapsulamento elétrico e ótico onde são exploradas técnicas de ajustamento ativas e passivas bem como o controlo térmico do circuito ótico integrado (PIC). No início foi efetuado um processo de acoplamento da fibra ao chip com fibras de lente esférica personalizadas, numa primeira usando um chip de teste e de seguida num caso de estudo prático que consiste numa estrutura composta por um holder de silício com um laser de realimentação distribuída (DFB). É abordado em detalhe o processo de fabricação de V-grooves para o alinhamento da fibra com o chip. De seguida são apresentadas e discutidas as técnicas de wire-bonding e flip-chip para o encapsulamento elétrico e ligação dos conectores de radiofrequência (RF), é feito um estudo onde são apresentados os resultados da caraterização dos parâmetros S de um PIC com wire-bonding. Para o controlo térmico do módulo é apresentada uma técnica baseada em sensores de temperatura de ruténio e sensores de Platina e titânio testada numa PCB personalizada

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações O crescimento continuo da utilização de serviços de internet, nomeadamente transmissão de informação por voz e vídeo, levou a um aumento da largura de banda a utilizar nas comunicações. Deste modo, as redes óticas passivas (PON) têm substituído as redes elétricas de forma a que seja dada resposta às necessidades dos utilizadores, aumentando as taxas de transmissão requeridas. Apesar das tecnologias já instaladas, tais como a GPON (Gigabit Passive Optical Network)), a 10-GPON (10 Gigabit Passive Optical Network) e até mesmo a TWDM-PON (Time Wavelength Division Multi- plexing PON) já inserida na NG-PON2 (Next Generation Passive Optical Network 2), continuam a ser efetuados estudos de forma a que se possam cumprir os requisitos de largura de banda propostos pelas operadoras para o futuro. Neste contexto, surge a tecnologia UDWDM-PON (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing PON), de forma a garantir estes mesmos requisitos. No âmbito desta dissertação, é focado o estudo da tecnologia UDWDM, de modo a analisar o seu desempenho e a otimiza-la. Assim sendo, é realizada uma análise do EVM (Error Vector Magnitude) em função da potência ótica recebida, por simulação, variando a distância da fibra ótica, a taxa de transmissão, o formato de impulso (impulso de Nyquist e NRZ) e, também, o formato de modulação (QPSK e 16-QAM). No seguimento, implementou-se em laboratório um sistema a 3.125 Gbps, 40 km de fibra ótica mono-modo standard, considerando os formatos de modulação indicados e a formatação de impulso de Nyquist, tendo-se obtido valores de penalidade de Potência ótica recebida relativamente á situação back-to-back inferiores a 4 dB, de acordo com o limite de penalidade indicado na literatura (< 5 dB). The continuous growth of internet services, namely voice and video data transmission, has led to a communications bandwidth increase. As such, Passive Optical Networks (PON) have been replacing electrical networks to accommodate the users' needs, by increasing required bit rates. Despite already implemented technologies, such as GPON (Gigabit Passive Optical Network), 10-GPON (10 Gigabit Passive Optical Network) and even TWDM-PON (Time Wavelength Division Multiplexing PON), inserted in NG-PON2 (Next Generation Passive Optical Network 2), further studies are being done to assure future bandwidth requirements by the providers are met. In this context, UDWDM-PON (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing PON) appears to be a viable option for such requirements to be met. In this dissertation, it is focused the study of UDWDM technology to assess its performance and optimize it. As such, EVM (Error Vector Magnitude) in relation to Received Optical Power is analyzed, by means of simulation, varying optical ber length, transmission rate, pulse form (Nyquist pulse and NRZ) and modulation format (QPSK and 16-QAM). Following this, a 3.125 Gbps system with 40 km of standard single mode optical ber has been implemented in the laboratory, using the above indicated modulation formats and the Nyquist pulse form, with results showing Received Optical Power penalties in relation to a back-to-back con guration under 4 dB, in accordance to the values in the literature (< 5 dB).

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaões Com o crescimento de novos dispositivos fot onicos resultantes da jun c~ao da electr onica e optica, surgiram novas areas de estudo. A fot onica integrada e uma dessas areas e refere-se ao fabrico e implementa c~ao de v arios componentes fot onicos num substrato plano comum. De forma a obter um processamento de imagem superior, os m etodos de compress~ao s~ao uma ferramenta fundamental, da qual a transformada de Haar e a mais importante devido a sua facilidade de implementa c~ao e r apida computa c~ao. Este m etodo pode ser alcan cado com o uso de estruturas opticas. Com isto, a implementa c~ao da transformada com um dispositivo optico e desenvolvida nesta disserta c~ao. Os Interfer^ometros Multimodo s~ao guias de onda com N entradas e M sa das, e s~ao apresentados como uma poss vel solu c~ao para conseguir a transformada de Haar. Isto vai permitir criar a soma e a subtra c~ao de sinais fundamental a transformada de Haar. Magic-T e o nome dado ao dispositivo que possui esta capacidade de soma e subtrac c~ao. O estudo te orico feito por Soldano et al. e algumas implementa c~oes de Magic-T com diferentes dispositivos opticos s~ao analisados. Com a informa c~ao reunida e baseada em diferentes arquitecturas apresentadas por Besse et al. e El-Sabban et al. uma solu c~ao nal foi obtida com o uso de um Interfer ometro Multimodo 2 x 2. Atrav es do uso de simula c~oes de M etodo de Propaga c~ao de Feixe no OptoDesigner PhoeniX SoftwareTM a solu c~ao foi analisada e optimizada. Algumas compara c~oes s~ao feitas com os dispositivos Magic-T j a analisados. No m e implementada uma rede de Haar com o Magic-T projectado e s~ao feitas novas simula c~oes sobre esta rede, concluindo que e uma solu c~ao vi avel e um poss vel substituto a alguns componentes j a implementados com outros Magic-T. Este componente vai ser integrado no ^ambito do projecto COMPRESS de forma a substituir um acoplador que realiza tambem a transformada de Haar. The arising of new photonic devices resulting from the connection of electronics and optics, new areas of study were created. Integrated photonics is one of those areas and it refers to the fabrication and integration of several photonics components on a common planar substrate. In order to obtain a superior image processing, the compression methods are a fundamental tool, in which the Haar Wavelet Transform is the most used due to the uncomplicated design and also fast computation. This method of compression can be achieved with optical structures. With this background, an Haar transform implementation with an optical tool is developed in this thesis. Multimode Interferometers are a waveguide structure with N inputs and M outputs, and are presented as a solution to achieve the Haar Transform. This device will allow to make signal additions and di erences required by the Haar Transform and when having this proprieties it is named as Magic- T. The theoretical approach made by Soldano et al. and other Magic-T implementations with various optical devices are analysed. With the information gathered and inspired in di erent architectures made by Besse et al. and El-Sabban et al. a nal solution was achieved with the use of an 2 x 2 Multimode Interferometer. Through Beam Propagation Method simulations on OptoDesigner PhoeniX SoftwareTM the solution was analysed and optimized. Some comparisons are drawn between this solution and the other Magic-T previous analysed. Lastly an Haar Network is also implemented with the designed Magic-T and simulated with OptoDesigner, concluding that it is a viable solution with a good power performance and a possible substitute to some devices already implemented with other Magic-T. This device will be implemented in the project COMPRESS, with the aim to replace a coupler that also reproduces the Haar Transform.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Nos dias que correm com a adoção generalizada de smartphones, conteúdos de vídeo, computação em nuvem e redes sociais, o volume de tráfego não para de aumentar. Assim, existe uma procura constante para melhorar a largura de banda das redes existentes. Neste contexto surgiu a Next Generation Passive Optical Network Phase (NG-PON) 2 a qual é um novo standard que vai permitir um aumento da largura de banda que pode chegar aos 80Gbps. O conhecimento dos requisitos do standard NG-PON 2 é importante, para que se possam produzir equipamentos que possam vir a ser utilizados nestas redes. Atualmente existe uma grande evolução nas comunicações óticas. Esta evolução tecnológica levou ao aparecimento de Photonic Integrated Circuits(PICs). Os PICs permitem a integração no mesmo chip de diversos componentes óticos permitindo assim construir circuitos com maior desempenho e fiabilidade. Cada vez mais, existe um grande investimento nesta área, estão inclusivamente a aparecer softwares cujo propósito é permitir aos utilizadores criar e simular PICs, para que estes possam ser posteriormente construídos. É então importante o conhecimento das caraterísticas mais importantes dos blocos que estes softwares permitem simular. Neste trabalho serão testados alguns blocos do “VPItoolkit PDK HHI” que é um toolkit que quando adicionado no software VPItransmissionMaker™, permite simular os componentes produzidos pelo Heinrich Hertz Institute (HHI). Com estes componentes, serão ainda feitas simulações visando a sua utilização em uma rede NG-PON2. Foi também dada grande atenção ao estudo dos Multimode Interference Devices (MMI) dos quais foi feito um modelo em MATLAB. E ao mach Zehnder Modulator (MZM) do qual foi realizada uma animação a demostrar dinamicamente a propagação da Luz dentro dele. Foram ainda sugeridas duas arquiteturas possíveis para um tranceiver a ser utilizado no Optical Network Unit (ONU) em redes NG-PON 2. Nowadays with the widespread adoption of smartphones, video content, cloud computing and social networks, the volume of traffic is constantly increasing. Therefore, it exists a constant demand to improve the bandwidth of the existing networks. In this context emerged the Next Generation Passive Optical Network Phase (NG-PON 2), which is a new standard that will allow an increase in the bandwidth up to 80 Gbps. The knowledge of the requirements of the standard NG-PON 2 is important, to allow the production of equipment that can be used in these networks. Currently there is a major evolution in optical communications. This technological evolution has led to the emergence of Photonic Integrated Circuits (PICs). By using PICs various optical components can be integrated on the same chip, allowing to build circuits with higher performance and reliability. Currently there is a large investment in this area, software whose purpose is to allow users to create and simulate PICs are starting to appear, to subsequently allow a correct manufacturing of the PICs. It is important to know the most important features of these software blocks and what do they allow to simulate. During this work some blocks from "VPItoolkit PDK HHI" will be tested. "VPItoolkit PDK HHI" is a toolkit that when added in VPItransmissionMaker ™ software allows the simulation of the components produced by the Heinrich Hertz Institute (HHI). With these components, simulations were made to test their use in a NG-PON2 network. It was also given attention to the study of the Multimode Interference Devices (MMI) from which was created a model in MATLAB. And to the Mach Zehnder Modulator (MZM) from which was made an animation to dynamically demonstrate the propagation of light inside him. It was also suggested two possible architectures for a transceiver to be used on the Optical Network Unit (ONU) in NG-PON 2 networks.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2017-10-13T14:40:37Z No. of bitstreams: 1 tese_GuilhermeCabral.pdf: 11670519 bytes, checksum: 9c9256a7609ddad780797b7241b56aaa (MD5) Made available in DSpace on 2017-10-13T14:40:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_GuilhermeCabral.pdf: 11670519 bytes, checksum: 9c9256a7609ddad780797b7241b56aaa (MD5) Previous issue date: 2016-07-26

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Com o constante evoluir das necessidades do ser humano nos últimos anos, a transmissão e armazenamento de dados para aplicações vídeo e media têm crescido exponencialmente, obrigando a uma procura incessante de novas soluções para optimizar a largura de banda. Com a finalidade de obter um processamento de imagem mais rápido, os métodos de compressão são uma importante ferramenta para reduzir os dados redundantes. Entre diversas técnicas de transformação para compressão, as transformadas baseadas em wavelets são as mais usadas devido à sua simplicidade e computação rápida. Relativamente a esta abordagem, dadas as suas vantagens, o processamento de imagem totalmente ótico é aqui realizado, sendo baseado na transformada de Haar. Dado que esta transformada de wavelet já provou os seus benefícios face a outros métodos de transformação para compressão, a sua implementação em estruturas óticas guiadas é obrigatória. Neste contexto, é introduzido Photonic Integrated Circuit (PIC), já que pode incluir vários componentes num único chip ótico. Entre a extensa lista de blocos de construção (BBs) disponíveis para esta integração fotónica, as estruturas de interferência multimodo (MMI) são apresentadas como solução para realizar a transformada ótica de Haar. O desenvolvimento de tal componente foi elaborado assim como a sua implementação num PIC, concretizando a transformada de Haar de primeira ordem. Utilizando os BBs de uma fábrica específica, o esquemático do circuito de uma solução adoptada foi também implementado. With the evolution of the human needs in the last years, data transmission and storage for video and media applications have grown exponentially, demanding the search of new solutions for optimizing the bandwidth. In order to have faster image processing, compression methods are fundamental tools to decrease the redundant data. Among several transformation techniques for compression, wavelet-based transforms are the trendiest ones because of its simplicity and fast computation. Concerning this approach and given the advantages, all-optical image processing is here performed based on Haar Transform. Since this wavelet transform has shown its benefits when compared to other methods, its implementation in optical guided structures is mandatory. In this context, Photonic Integrated Circuit (PIC) is introduced since it can include different components into a single optical chip. Between the extensive list of building blocks (BBs) available for this photonic integration, the Multimode Interference (MMI) structure is presented as a possible solution to perform the optical Haar wavelet transform. The development of such a structure was done likewise its implementation into a PIC, performing the first order Haar. Using the BBs from a specific foundry, a layout of the circuit from an adapted Haar Transform solution was also made.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações O principal tema abordado neste trabalho e a tecnologia a ser utilizada em redes passivas oticas de nova gera c~ao, nomeadamente o TWDM e o PtP WDM, com um foco em especial nos mecanismos de tunabilidade a ser usados nas arquiteturas de rede mencionadas. Come cou por ser feita uma abordagem geral ao tema, um "overview" a recomenda c~ao para o NG-PON2 e apresentada, assim como uma revis~ao a transceivers incolores, componentes essenciais nas arquitecturas do NG-PON2. Tendo em conta o n vel de precis~ao apresentada, tr^es tipos de ONUs s~ao de nidas nos standards do NG-PON2, e os mecanismos de tuning necess arios para lidar com os diferentes tipos de ONU s~ao tamb em apresentados. Foi caracterizado um laser sintoniz avel (DFB) tendo em vista a sua utiliza c~ao numa ONU do NG-PON2, os parametros avaliados foram: tempo de sintoniza c~ao, excurs~ao espectral e precis~ao de tuning. As t ecnicas de medi c~ao s~ao apresentadas bem como os resultados obtidos. The main issue addressed in this work are the technologies to be employed in the next-generation passive optical networks, including TWDM-PON and PtP WDM, with a particularly focus on the tuning mechanisms featuring the aforementioned network architectures. A general approach to the topics was carried out, by making an overview the NG-PON2 recommendation, a review to colorless transceivers is presented as well, essential components on the NG-PON2 architectures. Three types of ONUs are de ned in NGPON2 standards, by taking into account the accuracy level of the ONU Tx, tuning mechanisms necessary to to deal with the di erent kind of ONUs are presented as well A tunable DFB laser was characterized, considering its utilization on a NGPON2 ONU. The evaluated parameters are: tuning time, spectral excursion and tuning accuracy. The setups utilized for the measurements are presented as well as the results.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2017-03-14T18:22:51Z No. of bitstreams: 1 thesis.pdf: 2945606 bytes, checksum: c9d3d1135a600a539d4a6662f4eb5be5 (MD5) Made available in DSpace on 2017-03-14T18:22:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 thesis.pdf: 2945606 bytes, checksum: c9d3d1135a600a539d4a6662f4eb5be5 (MD5) Previous issue date: 2016

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Hoje em dia todas os pessoas estão ligadas em rede, e devido a proliferação de diversos serviços torna-se cada vez mais imprescindvél arranjar novas opções para fornecer a maior largura de banda possvél, para responder as necessidade geradas. As redes oticas passivas de próxima geração surgem como a solução fornecendo ritmos de transmissão na ordem dos Terabits/s e um alcance na ordem dos milhares de kilometros. Neste contexto será falado dos sinais de rádio na fibra, que trazem vantagens ao nível da simpli ficação das estações base, possibilitando poupança nos custos, isto ao integrar a tecnologia de rádio com a tecnologia de fibra existente Neste trabalho iniciou-se pelo estudo da literatura existente das arquitectura existentes de radio-sobre- fibra, bem como as suas limitações. De seguida, procedeu-se ao desenvolvimento de uma plataforma de simulação para estudar os fenomenos que o sinal de rádio sofre ao ser transportado no sistema otico. Por ultimo, foram realizadas experiências laboratoriais, primeiro com um transceiver NG-PON2 e depois com um sistema rádio-sobre-fibra, consistindo o objectivo em caracterizar estes sistemas. Nowadays all the people are connected on a network, and due to the proliferation of several services it becomes indispensable to nd new option to provide as more bandwidth as possible to answer to necessity. The next generation passive optical networks rise as a solution to supply transmission rate on the Terabits/s order and a reach on the order of the thousands kilometers. On this context, the radio-over- ber signals are going to be spoken about, which o er advantages by the simpli cation of base stations, allowing lower costs, and this by composing the radio technology with the already existent ber technology. This work initiated by the study of the existent literature of the radio-over- ber architectures, as well as their limitations. Then, proceeded on the development of a simulation platform to study the phenomenons that a radio-over- ber su ers while going through the optical system. For last, laboratory experiments were carried out rst with a NG-PON2 transceiver and then with a radio-over- ber system, being the objective of characterizing these systems.

Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica Optical networks are under constant evolution. The growing demand for dynamism require devices that can accommodate different types of traffic. Thus the study of transparent optical networks arises. This approach makes optical networks more "elegant" , due to a more efficient use of network resources. In this thesis, the author proposes devices that intend to form alternative approaches both in the state of art of these same technologies both in the fitting of this technologies in transparent optical networks. Given that full transparency is difficult to achieve with current technology (perhaps with more developed optical computing this is possible), the author proposes techniques with different levels of transparency. On the topic of performance of optical networks, the author proposes two techniques for monitoring chromatic dispersion with different levels of transparency. In Chapter 3 the proposed technique seems to make more sense for long-haul optical transmission links and high transmission rates, not only due to its moderate complexity but also to its potential moderate/high cost. However it is proposed to several modulation formats, particularly those that have a protruding clock component. In Chapter 4 the transparency level was not tested for various modulation formats, however some transparency is achieved by not adding any electrical device after the receiver (other than an analog-digital converter). This allows that this technique can operate at high transmission rates in excess of 100 Gbit / s, if electro-optical asynchronous sampling is used before the optical receiver. Thus a low cost and low bandwidth photo-detector can be used. In chapter 5 is demonstrated a technique for simultaneously monitoring multiple impairments of the optical network by generating novel performance analysis diagrams and by use of artificial neural networks. In chapter 6 the author demonstrates an all-optical technique for controlling the optical state of polarization and an example of how all-optical signal processing can fully cooperate with optical performance monitoring. As redes ópticas estão em constante desenvolvimento. A crescente demanda por dinamismo das mesmas requer cada vez mais, dispositivos que possam albergar diversos tipos de tráfego. Dessa forma surge o estudo sobre redes ópticas transparentes. Este tipo de abordagem torna as redes ópticas mais ’elegantes’, devido a um uso mais eficiente dos recursos da rede. Nesta tese o autor propõe dispositivos que pretendem formar alternativas quer no estado da arte destas mesmas tecnologias quer no encaixe das mesmas em redes ópticas transparentes. Dado que a transparência total é dificil de alcançar com as tecnologias atuais (talvez com computação óptica mais desenvolvida isso seja possível), o autor propõe técnicas com diferentes níveis de transparência. No âmbito da monitoria de desempenho óptico o autor propôe duas técnicas para a monitoria da dispersão cromática com diferentes niveis de transparência. No Capítulo 3 a técnica proposta parece fazer mais sentido para transmissões ópticas de longo curso e a elevadas taxas de transmissão, não só devido à sua moderada complexidade, mas também ao seu potencial custo. No entanto esta, é proposta para vários formatos de modulação, especialmente aqueles que têm uma componente de relógio bem saliente. No Capítulo 4, o nível de transparência não foi testado para vários formatos de modulação, no entanto alguma transparência é obtida através da não inclusão de nenhum dispositivo eléctrico após o receptor (excepto um conversor analógico-digital). Isto permite que esta técnica possa operar a elevadas taxas de transmissão acima de 100 Gbit~s, se for utilizada amostragem electro-óptica assíncrona antes do receptor. Dessa forma pode ser utilizado um fotodetector de baixo custo e de baixa largura de banda. No capítulo 5 é demonstrada uma técnica para monitoria em simultâneo de vários impedimentos da rede óptica atráves de um novo método para gerar diagramas de análise de desempenho com redes neuronais artificiais. No capítulo 6 o autor demonstra uma técnica para controlo da polarização, totalmente processada no domínio óptico assim como um exemplo de como o processamento totalmente óptico pode cooperar com o monitoria do desempenho óptico.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Due to the continuous growth of bandwidth need, passive optical networks (PONs) emerged. From the Gigabit-PON (G-PON), 10 Gigabit-PON (XG-PON) and Time Wavelength Division Multiplexing PON (TWDM-PON), they still being made studies on passive optical networks that can meet the bandwidth requirements of the future, such as the Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing PON (UDWDM-PON). In this thesis, the mentioned technologies are studied, describing the main features of the existing ones. It is also made an individual study for each technology in terms of sensitivity. Also, it is made a study on coexistence scenarios, by analysing the impact of the other technologies on UDWDM-PON. Devido ao contínuo crescimento da necessidade de uma maior largura de banda, surgiram as redes óticas passivas (PON – Passive Optical Network). Passando pela G-PON (Gigabit-PON), XG-PON (10 Gigabit PON) e TWDM-PON (Time Wavelength Division Multiplexing PON), continuam a ser feitos estudos de redes óticas passivas que possam cumprir os requisitos de largura de banda no futuro, como é o caso da UDWDM-PON (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing PON). Nesta dissertação são estudadas as tecnologias acima referidas, descrevendo as principais características das tecnologias já existentes. É também efetuado um estudo individual a cada uma das tecnologias em termos de sensibilidade. São também estudados cenários de coexistência, analisando o impacto da aproximação da UDWDM-PON às restantes tecnologias.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Com ocrescenteaumento da utilização das telecomunicações terão de surgir novas formas de assegurar a qualidade de serviço e neste contexto, surgem a transmissão de rádio sobre fibra e as redes óticas passivas de próxima geração. A transmissão de rádio sobre fibra traz benefícios a nível da simplificação das estações base, assim como uma poupança significativa em manutenção. As redes óticas passivas de próxima geração surgem como uma necessidade devido à crescente busca por maior largura de banda e estas vêm colmatar a futura sobrecarga a que as redes óticas atuais estarão sujeitas. No presente trabalho estuda-se o impacto de alguns importantes parâmetros do sistema ótico na transmissão digital e analógica de rádio sobre fibra. Na transmissão analógica estudou-se o impacto dos fenómenos limitativos associados ao modulador Mach-Zehnder e testou-se, experimentalmente e por simulação, a influência da introdução de fibra neste mesmo sistema. Já na transmissão digital analisou-se o impacto do número de bits de resolução no desempenho do sistema, considerando cenários com e sem fibra. Concluiu-se que a transmissão digital permite obter valores de sensibilidade mais reduzidos, à custa do aumento da resolução e consequentemente do ritmo de transmissão, logo com impacto quando se considera propagação em fibra. Também neste trabalho realizou-se um estudo do filtro de seleção de canal, em NG-PON2. Em relação a este tópico, simulou-se um sistema onde se alterou o tipo de filtro e a ordem do mesmo e observou-se o impacto que estes teriam caso se dessintonizasse o filtro e caso se introduzisse fibra. With the increased use of telecommunications, new ways of ensuring the quality of service must be developed and in this perspective there are two technologies arising: radio over fiber technology and next generation passive optical networks Radio over fiber transmission allows the simplification of the base stations, as well as provides great maintenance savings. Next generation passive optical networks arise as a need due to the growing need for bandwidth and also to prevent the future overload that the existing networks will suffer. In this work, the impact of some important parameters related to the transmission of radio over fiber, both digital and analogue, are studied. In the analogue transmission, it was studied the impact of the phenomena related to the Mach-Zehnder modulator and also the influence of fiber introduction in this system (simulated and tested in the laboratory). In the digital transmission, the main objects of study were the impact of the number of resolution bits in the system’s performance and also how the introduction of fiber would affect the system; both topics were simulated and tested in the laboratory. Related to radio over fiber transmissions it was concluded that the digital transmission has advantages over the analogue transmission, since it is possible to receive lower values of optical power, maintaining the same error value. Another object of study in this work was the channel selecting filter in the NG-PON2 technology. About this topic, it was simulated a system in which the type of the filter and its order was changed and their impact on the system was simulated when it suffered from detuning and when fiber was introduced.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações In the last years there has been a clear evolution in the world of telecommunications, which goes from new services that need higher speeds and higher bandwidth, until a role of interactions between people and machines, named by Internet of Things (IoT). So, the only technology able to follow this growth is the optical communications. Currently the solution that enables to overcome the day-by-day needs, like collaborative job, audio and video communications and share of les is based on Gigabit-capable Passive Optical Network (G-PON) with the recently successor named Next Generation Passive Optical Network Phase 2 (NG-PON2). This technology is based on the multiplexing domain wavelength and due to its characteristics and performance becomes the more advantageous technology. A major focus of optical communications are Photonic Integrated Circuits (PICs). These can include various components into a single device, which simpli es the design of the optical system, reducing space and power consumption, and improves reliability. These characteristics make this type of devices useful for several applications, that justi es the investments in the development of the technology into a very high level of performance and reliability in terms of the building blocks. With the goal to develop the optical networks of future generations, this work presents the design and implementation of a PIC, which is intended to be a universal transceiver for applications for NG-PON2. The same PIC will be able to be used as an Optical Line Terminal (OLT) or an Optical Network Unit (ONU) and in both cases as transmitter and receiver. Initially a study is made of Passive Optical Network (PON) and its standards. Therefore it is done a theoretical overview that explores the materials used in the development and production of this PIC, which foundries are available, and focusing in SMART Photonics, the components used in the development of this chip. For the conceptualization of the project di erent architectures are designed and part of the laser cavity is simulated using Aspic™. Through the analysis of advantages and disadvantages of each one, it is chosen the best to be used in the implementation. Moreover, the architecture of the transceiver is simulated block by block through the VPItransmissionMaker™ and it is demonstrated its operating principle. Finally it is presented the PIC implementation. Nos últimos anos tem existido uma evidente evolução no mundo das telecomunicações, que vai desde novos serviços que requerem maiores velocidades e maior largura de banda, a um role de interações entre pessoas e máquinas, designada por Internet of Things (IoT). Assim, a única tecnologia capaz de acompanhar este crescimento são as comunicações óticas. Atualmente a solução que permite colmatar as necessidades do dia-a-dia, tais como trabalhar colaborativamente, comunicar por áudio e vídeo, e partilhar ficheiros, é baseada no Gigabit-capable Passive Optical Network (G-PON) com a mais recente evolução designada por Next Generation Passive Optical Network Phase 2 (NG-PON2). Esta tecnologia baseia-se na multiplexagem no domínio do comprimento de onda e devido às suas características e desempenho torna-se a tecnologia mais vantajosa. Um dos principais focos das comunicações óticas são os Photonic Integrated Circuits (PICs). Estes conseguem englobar num único dispositivo vários componentes, o que simplifica o desenho do sistema ótico, reduzindo o espaço e o consumo de energia e melhora a confiabilidade. Estas caracteristicas tornam este tipo de dispositivos vantajosos para uma série de aplicações, justificando os investimentos no desenvolvimento da tecnologia para um nível muito elevado de desempenho e fiabilidade ao nível dos blocos de construção. Com o objetivo de desenvolver as redes óticas passivas de futuras gerações, este trabalho apresenta o desenho e a implementação de um PIC que visa ser um transrecetor universal para aplicações para NG-PON2. O mesmo PIC pode ser usado como Optical Line Terminal (OLT) ou como Optical Network Unit (ONU) e em ambos os casos como transmissor e recetor. Inicialmente é feito um estudo das redes óticas passivas e os seus standards. Seguidamente é feita uma abordagem teórica que explora um pouco dos materiais usados no desenvolvimento e produção de um PIC, quais as fábricas existentes, focando na SMART Photonics e os componentes usados no desenvolvimento deste chip. Com vista à concetualização do projeto, diferentes arquiteturas são desenhadas e a parte da cavidade do laser é simulada usando o Aspic™. Partindo da análise das vantagens e desvantagens de cada uma delas, é escolhida a melhor para utilizar na implementação. De seguida, a arquitetura do transrecetor é simulada bloco a bloco através do VPItransmissionMaker™ e é demonstrado o seu princípio de funcionamento. Finalmente é apresentada a implementação do PIC.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações On the technology era that we are living, all the citizens of the world are connected in a network. Nowadays, either shopping or meet the most remote place on Earth without leaving home is possible due to the Internet. Because of the proliferation of the services that the Internet provides, the bandwidth and capacity of the networks as they are known are facing their limit. In order to solve this problem, the only solution that the service providers have to properly supply their clients are the optical communications. They allow bitrates in the order of Terabits/s and a reach that can go up to thousands of kilometers. Passive Optical Networks (PONs) are already standardized and deployed by some of service providers. However, they do not use all the fibre capabilities. In order to take full advantage of the fibre capacities, networks that use Wavelength Division Multiplexing (WDM) and advanced modulation formats such as Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) must be used. Owing to the growth and evolution of the optical networks, they will become more complex. This complexity will also be at a hardware level that nowadays is still composed by discrete components. The room needed for units such as Optical Line Terminals (OLTs) will be high if integrated optical circuits are not used. Thus, the development of optical networks must be done using Photonic Integrated Circuits (PICs). As a contribution for the development of optical networks of future generations, this work presents the design and implementation of an integrated optical transceiver for PONs with WDM topology that supports advanced modulation formats. These type of networks are called, in the scope of this work, hybrid PONs. At the beginning, a market analysis of the transceivers available is done so that it can be used for comparison and positioning of the developed product. Afterwards, one can read about the theory background of different optical components. For the ones needed on the chip, models are created. The architecture of the transceiver is then presented and divided in three blocks. For each one, its working principle and on chip implementation are presented. At the end, laboratory tests are performed. Their goal is to validate the chip functionalities and architecture.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Submitted by Daisy Tavares (daisytavares@ua.pt) on 2015-05-14T10:21:54Z No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 4624172 bytes, checksum: 2bd3402fe1f89294eb4f43100daa0b91 (MD5) Made available in DSpace on 2015-05-14T10:21:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 4624172 bytes, checksum: 2bd3402fe1f89294eb4f43100daa0b91 (MD5) Previous issue date: 2014-07

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações The rapid growth of the telecommunications area and the increasing demand for bandwidth by users has led to the need of develop the Wavelength-division multiplexed passive optical network (WDM-PON) architecture, which can increase the bandwidth of the existing network without the necessity of installing new fiber . A key technique for the high capacity WDM-PON networks is the generation of optical multi-carriers. This technique is the main focus point of this dissertation, which begins to look at the generation of optical multi-carriers in a general way and then will try to find the best way to apply this technique to an Ultra Dense WDM-PON (UDWDM-PON) application. Two distinct methods of generating optical multi-carriers were tested and it was concluded that the ‘single stage dual arm driven MZM’ is the one that offers more benefits to an UDWDM-PON application. O rápido crescimento do setor das telecomunicações e a crescente procura de largura de banda por parte dos utilizadores, levou à necessidade de desenvolvimento da arquitetura wavelength-division multiplexed passive optical network (WDM-PON), que permite aumentar a largura de banda da rede existente sem a necessidade de instalar nova fibra. Uma técnica chave para a criação de redes WDM-PON de alta capacidade é a geração de multi-portadoras óticas. Esta técnica é o principal foco desta dissertação, que começa por olhar para a geração de multi-portadoras óticas de uma forma geral e de seguida vai encontrar a melhor forma para aplicar esta técnica a uma aplicação Ultra Dense WDM-PON (UDWDM-PON). Dois métodos distintos de gerar multi-portadoras foram testadas e foi concluído que o ‘single stage dual arm driven MZM’ é o método que mais benefícios apresenta para uma aplicação UDWDM-PON.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações In recent years, Internet has been assuming a fundamental role in everyday life. Traffic demands are increasing in such a way that the available technologies will presumably no longer satisfy the raised requirements. For the last years, operators have expressed a clear interest in the implementation and development of Passive Optical Network (PON) to provide several services and applications to a high flow rate per client. Comparing to other access technologies, PON is very attractive mainly due to reduction of maintenance and to the operational cost efficiency. As a consequence, PON systems were standardized and developed in the whole world, but the everincreasing bandwidth demand makes this type of network need to evolve. Therefore, the current standardized technologies Gigacapable PON and XG-PON need to be upgraded to Next-Generation PON2. In order to protect the initial investment and to reduce the operational costs, operators should keep the current optical distribution network, providing the technologies coexistence in the same fiber. The principle of NG-PON2 is to improve previous technologies, in terms of capacity, ODN compatibility, bandwidth and cost-efficiency. In April 2012, Full Service Access Network (FSAN) selected the time and wavelength multiplexing PON (TWDM-PON) technology as the solution of choice for NG-PON2. Almost one year later, ITU-T G.989.1 came out, providing some wavelength plans proposals. The ability to operate on existing fiber ODN, coexisting with legacy PON is the most important requirement. The current dissertation is based on the study of TWDM-PON upstream transmission. Both GPON and XG-PON work in burst mode for upstream direction, therefore in the current study also that type of data transmission is considered for upstream TWDM-PON. Once using this transmission mode, some parameters have to be taken into consideration, as the packets size and their separation length in order to understand which frame fits the best, considering the system performance. In the actual study, it was supposed to visualize transients in each packet, however it was experimentally proved that once the lifetime of the carriers is less than the burst time, it was not possible to identify any of them. It was also verified that increasing the guard time will decrease the performance of the system. A Internet tem vindo a assumir um papel fundamental no quotidiano de cada utilizador. A largura de banda exigida é cada vez mais alta, desta forma, as tecnologias actualmente disponíveis acabarão por deixar de satisfazer os requisitos emergentes. Nos últimos anos, as operadoras têm manifestado um interesse evidente no desenvolvimento de Redes Ópticas Passivas (PON), com o intuito de fornecer vários serviços e aplicações a uma taxa de fluxo elevada por cliente. Comparando com outras tecnologias de acesso, as redes PON são muito actrativas devido à sua baixa manutenção e aos custos/eficiência de operação. Como consequência, os sistemas PON foram padronizados e desenvolvidos em todo o mundo. No entanto, este tipo de tecnologia necessita de progredir ao longo do tempo, mantendo a satisfação dos requisitos de tráfego que lhe serão impostos. Assim, as tecnologias actualmente implementadas: GPON e XG-PON, necessitam de sofrer um upgrade para NG-PON2 (Next- Generation PON 2). De modo a proteger o investimento inicial, reduzindo os custos de operação, as operadoras devem manter e reutilizer a ODN já implementada, possibilitando a coexistência das tecnologias na mesma fibra. NG-PON2 é uma melhoria da capacidade, da compatibilidade na ODN, largura de banda e custo-eficiência das tecnologias anteriores. Em Abril de 2012, a FSAN selecionou a tecnologia TWDM-PON (Time and Wavelength Division Multiplexing PON) como solução do projecto NG-PON2. Um ano após a sua seleção, a norma ITU-T G.989.1 foi publicada, propondo alguns planos de comprimentos de onda. A coexistência de TWDM-PON com as PON anteriores na mesma ODN é o requisite mais importante. A presente dissertação baseia-se no estudo de transmissão upstream de TWDM-PON. Ambos GPON e XG-PON operam em modo burst para a direção upstream. Uma vez utilizao este modo de transmissão, é necessário considerer determinados parâmetros como o tempo de separação interburst – guard time, tal como o comprimento de cada pacote, com o intuito de compreender o impacto da variação destes mesmos campos no desempenho do sistema. No presente estudo, era susposto visualizar transientes em cada pacote de transmissão, no entanto foi comprovado experimentalmente, que uma vez que o tempo de vida dos portadores do EDFA selecionado é menor que o intervalo de cada burst, não se identificaram transientes. Verificou-se também que, o aumento da separação interburst degrada o desempenho do sistema.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações A Internet está a ter um papel cada vez mais activo no quotidiano actual. As exigências de tráfego estão a aumentar consideravelmente mais do que a receita disponivel, sendo que se torna visível a extrema necessidade por servicos de banda larga. Recentemente, os operadores de telecomunicações tem demonstrado um vasto interesse em providenciar serviços a clientes residenciais, usando Redes Ópticas Passivas (PON). Este forte investimento levou ao desenvolvimento de vários standards, estando actualmente a ser desenvolvida a nova geracão da rede. O novo objectivo é bastante claro – NGPON2 deve superar as tecnologias anterioes relativamente à compatibilidade ODN, capacidade, largura de banda e custo-eficiência. Após vários estudos, em Abril de 2012, FSAN ((Full Service Access Network) definiu TWDM (Time- Wavelength Division Multiplexing) como sendo a solução mais atractiva para preencher os requisitos necessários. Em Março de 2013, foi aprovada a norma ITU-T G.989.1 endereçando novos planos de comprimentos de onda, de acordo com as exigências dos operadores. O requisito mais importante para esta nova rede de acesso centra-se em garantir uma possível co-existência com as redes PON já desenvolvidas. Para esse efeito, torna-se essencial uma nova alocação de espectro e posteriores estudos de interferência, garantindo, assim, a preservação de todos os sistemas. No âmbito do referido acima, o presente documento expôe inicialmente um estudo acerca da nova tecnologia TWDM, incluindo caracteristicas gerais e suas limitações. Foram obtidos, para tal, resultados experimentais e simulados. Posteriormente, é efectuado um estudo da tecnologia TWDM em co-existência com redes PONs anteriores e, também, com sinais modulados com diferente formatos. Estes cenários tem o propósito de observar os efeitos gerados no seu desempenho. Alguns parâmetros, como espaçamento entre canais, potência de transmissão e taxas de transmissão de bits foram tidos em consideração. O objectivo é criar uma única rede heterogénea onde vários formatos de alta transmissão de dados co-existem, por forma a optimizar e definir a máxima ocupação da rede de acesso de nova geração. The Internet is increasingly becoming part of everyday life. Once the traffic demands are growing much more rapidly than the available revenue, it is visible the gradual increase of the need for broadband services. In recent years, telecom operators have shown a great interest in providing various services to residential customers, using the Passive Optical Network (PON) topology. This strong investment has led to several standards in order to achieve the potential subscribers and nowadays is being developed the next generation. The future goal is clear - NGPON2 must overcome previous technologies in ODN compatibility, capacity, bandwidth and cost-efficiency. After several studies, in April 2012, FSAN (Full Service Access Network) defined TWDM (Time-Wavelength Division Multiplexing) as the more attractive solution to fulfill the necessary requirements. On March 2013, was approved the ITU-T G.989.1 recommendation addressing possible wavelength plans, according operator’s needs. The most important requirement for this new access generation is to provide an environment of coexistence with the legacy PON and others. In this order, it is necessary new allocation in the spectrum and further interference studies, to preserve all the systems intact. In this scope, the following document presents a study over the new technology TWDM separately, including general features and limitations. Both simulated and experimental results were obtained. Afterward, it is introduced within several coexistence scenarios, with the legacy and signals with different modulation formats, to observe the effect created on its performance. Were taken into account some parameters as channel spacing, transmitted power and high bit rates. The aim is to create a heterogeneous network with high data rate formats coexisting in the same access network to study and help defining the next generation max occupancy of a given network.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Submitted by Daisy Tavares (daisytavares@ua.pt) on 2015-03-12T15:43:15Z No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 2697655 bytes, checksum: 892ff6551b614866112ca328fe2968f5 (MD5) Made available in DSpace on 2015-03-12T15:43:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 2697655 bytes, checksum: 892ff6551b614866112ca328fe2968f5 (MD5) Previous issue date: 2014

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Submitted by Patrícia Correia (patriciacorreia@ua.pt) on 2015-08-26T11:55:44Z No. of bitstreams: 1 Transceivers para TWDM-PON.pdf: 5774890 bytes, checksum: faedb9685bb8dfb7c1833f6cd689a628 (MD5) Made available in DSpace on 2015-08-26T11:55:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Transceivers para TWDM-PON.pdf: 5774890 bytes, checksum: faedb9685bb8dfb7c1833f6cd689a628 (MD5) Previous issue date: 2014

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Ótica de meio livre, ou FSO como é mais conhecido, aparece como solução para grandes taxas de transferência de dados e maiores larguras de banda necessárias para as redes de comunicações sem fios. Sendo esta uma tecnologia flexível, eficaz e de baixo custo em relação às alternativas existentes no mercado, depressa despertou o interesse das empresas de telecomunicações. O FSO encontra-se em investigação há bastante tempo. Apesar de ainda existirem desafios que subsistem, o seu relevo leva à possibilidade de ser uma tecnologia complementar. Entre as dificuldades existentes encontram-se problemas de alinhamento entre transmissor e recetor e fenómenos atmosféricos que provocam atenuação e no pior dos casos perda da ligação. Ao longo desta dissertação, é feito o estudo de diferentes problemas presentes numa ligação FSO e analisado o comportamento de determinados sinais sobre a conexão. Para estes estudos foram aplicados vários sinais tais como NRZ e DP-QPSK e utilizada a tecnologia TWDM numa ligação FSO, analisando o seu desempenho. Para se analisarem situações onde a realização prática seria muito difícil, foram realizadas simulações, analisando BER, SER, EVM e Perdas do sistema FSO. Free space optics or FSO as it is known, appears as a solution for large data rates and higher bandwidth needed for wireless networks. Since this technology is flexible, effective and low cost compared to existing alternatives in the market technology, quickly aroused the interest of telecommunications companies. The FSO is under investigation for quite some time. While there are still challenges that remain, their relief leads to the possibility of a complementary technology. Among the existing difficulties are problems of alignment between the transmitter and receiver, and atmospheric phenomena that cause attenuation and in the worst case loss of the connection. Throughout this dissertation, it’s done the study of different problems present in FSO connection and analyzes of the behavior of known signals upon the connection. For these studies, different signals like NRZ and DP-QPSK such as TWDM technology are applied and analyzed on a FSO link performance. To analyze situations where practical testing isn’t viable, simulations were used, analyzing BER,SER, EVM and losses of the FSO system.

Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e Telecomunicações Due to the increased need for more bandwidth, access networks are evolving constantly. At the moment, GPON networks are the main choice in Europe, but due to the increased traffic in recent years, developing a new option for access networks defined NGPON2 as one of the main focuses in telecommunication research. In this document the current PON networks and the possible NGPON2 candidates will be studied. The main focus will be the possibility of designing a WDM-PON network while maintaining the main GPON architecture already implemented. By using SFPs, an example will be shown where a normal GPON transmission will be converted to another wavelength in order to show a possible implementation of a WDM network. Com o aumento da necessidade de largura de banda nos últimos anos as redes de acesso encontram-se em constante evolução. Sendo que as redes GPON são de momento a principal escolha num âmbito europeu, devido ao aumento de tráfego nos últimos anos, a necessidade de uma nova tecnologia para redes de acesso NGPON2 é um dos principais focos de investigação em telecomunicações. Neste documento irá ser realizado um estudo das actuais redes PON e as possíveis opções para uma rede NGPON2. Maior ênfase será dado à possibilidade de realizar uma rede WDM-PON utilizando como base a arquitectura GPON já implementada. . Utilizando SFPs irá ser demonstrado como é possível converter uma transmissão GPON para outros comprimentos de onda com o objectivo de criar uma rede WDM.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Nos dias que correm assiste-se a um contínuo crescimento do consumo de conteúdos que exigem uma maior largura banda disponível para cada utilizador o que leva ao investimento, por parte dos operadores de telecomunicações, na procura de novas soluções no domínio ótico. Desta procura surgiram as redes óticas passivas (PON: Passive Optical Network) que se iniciaram com as G-PON (Gigabit PON), que mais tarde evoluíram para as XG-PON (10-Gigabit PON) e que atualmente se encontram em fase de migração para cenários de NG-PON2. Paralelamente a estes desenvolvimentos também se verificou um progresso nos sistemas de transmissão de rádio sobre fibra, quer no domínio analógico (RoF – Radio over Fiber) quer no domínio digital (DRoF - Digitized Radio over Fiber). Neste contexto, o presente documento, estuda as tecnologias acima referidas em três cenários: num cenário em que estas se apresentam isoladas, noutro em que se avalia a coexistência das tecnologias PON e por fim num cenário em que se estuda a coexistência das PON com DRoF. No primeiro cenário estuda-se a sensibilidade das tecnologias assim como as distâncias máximas possíveis, sendo que no segundo cenário de coexistência, para além do estudo da sensibilidade e distância máxima, também se averigua o efeito de Raman estático provocado pelo canal G-PON. Por fim, no último cenário averigua-se qual a sensibilidade e a distância máxima para cada tecnologia presente neste. Nowadays is possible to notice a tremendous growth of the consumption of the new contents that requires greater bandwidth to each user, which leads to an investment by telecommunications operators in order to come up with new solutions in the optical domain. With this demand for greater bandwidth arose the Passive Optical Networks (PON), which began with G-PON (Gigabit PON) which later evolved to XG-PON (10-Gigabit PON) and that currently are in migration phase to NG-PON2 (Next Generation PON) scenarios. Along with these developments, there were some progresses on the transmission of radio signals over fibre, either in the anolog (RoF - Radio over Fibre) or in the digital (DRoF - Digitized Radio over Fibre) domain. In this context, this paper studies the technologies above mentioned in three different scenarios: a scenario where those are presented in isolated schemes, another that assesses the coexistence of PON technologies and finally the last scenario that studies the coexistence of PON technologies with DRoF. On all these scenarios were study the sensitivity and the maximum range of those technologies whereas on the second scenario was study, in addition, the SRS (Stimulated Raman Scattering) caused by G-PON channel.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações A procura por maiores larguras de banda nas redes de telecomunicações em curtos períodos de tempo tem crescido bastante. Mas tem-se verificado um desequilíbrio em termos de flexibilidade, eficácia e custo, uma vez que há zonas de difícil acesso, onde se torna caro levar uma fibra, e há ligações que podem ser apenas temporárias, outras de longo termo. É o chamado problema de “last mile bottleneck”. Uma das possibiblidades para ultrapassar estes obstáculos, é a utilização de uma tecnologia chamada óptica de meio livre (mais conhecida pela tradução inglesa “Free Space Optics”, ou FSO). Esta tecnologia, mesmo sendo já antiga, apresenta ainda alguns desafios em termos de perdas na atmosfera ou de possíveis desalinhamentos do emissor e receptor, por exemplo. Neste trabalho é feito um estudo de uma ligação de FSO, aplicando-lhe um sinal GPON, que é uma rede óptica passiva, bastante usada pelos operadores de telecomunicações hoje em dia. Em primeiro lugar é feita a caracterização do sinal GPON apenas em fibra, assim como do “Extender Box” existente no laboratório, e só depois se fez o teste desse sinal sobre uma secção de FSO. Aplicou-se também um sinal de vídeo para perceber se o facto de passar na secção de FSO afectava a qualidade do mesmo. São feitas também algumas simulações de modo a perceber de que forma é que as perdas na ligação e o BER são afectados pela turbulência e pelo comprimento da própria ligação. The seek for higher bandwidth in telecommunications networks on short timelines has grown quite. But it has been found an imbalance in terms of flexibility, efficiency and cost, because there are areas of difficult access, where is expensive the deployment of fiber, and there are connections that could be only temporary, and others are long term. It’s called the last mile bottleneck problem. One of the possibilities to overcome these obstacles is the usage of a technology called Free Space Optics (FSO). That, even if already old, still faces some challenges in terms of atmospheric losses or possibility of misalignment between the emitter and the receptor, for example. In this work a FSO connection is studied, applying a GPON signal, which is a passive network, quite used by the telecommunications operators nowadays. First a GPON signal characterization is done, only with fiber cables, as well as the Extender Box existent in the laboratory, and then the test of that signal over a FSO section is carried out. A video signal was also applied in order to assess the impact of the FSO section in its quality. Some simulations are also done in order to understand how link losses and BER are affected by turbulence and by the link length itself.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2013-12-10T13:12:01Z No. of bitstreams: 1 7958.pdf: 2452462 bytes, checksum: c6d148797c1c3269eea13e99cc083d72 (MD5) Made available in DSpace on 2013-12-10T13:12:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 7958.pdf: 2452462 bytes, checksum: c6d148797c1c3269eea13e99cc083d72 (MD5) Previous issue date: 2013

Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e Telecomunicações Submitted by Daisy Tavares (daisytavares@ua.pt) on 2014-11-13T11:30:25Z No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 2721332 bytes, checksum: fdd560f212f6fc817bad48d8e380b068 (MD5) Made available in DSpace on 2014-11-13T11:30:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese.pdf: 2721332 bytes, checksum: fdd560f212f6fc817bad48d8e380b068 (MD5) Previous issue date: 2013

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações O tremendo crescimento da Internet e o consumo de novos conteúdos tem levado os operadores de telecomunicações a apostar fortemente nas redes óticas passivas de acesso. Esta aposta tem como objetivo atingir um maior número e diversidade de utilizadores, bem como aumentar a capacidade e alcance das redes existentes, e diminuir o seu custo. A intensificação dos trabalhos nesta área conduziu a um aumento das atividades de investigação nesta área, que levaram à criação de várias normas. Ao longo desta dissertação os requisitos definidos nas normas G-PON, E-PON e XG-PON foram analisados, bem como foram apresentadas algumas das futuras alternativas. Foram também estudados e discutidos os requisitos de convivência entre as tecnologias atuais e as que futuramente se espera que sejam implementadas, bem como apresentados possíveis cenários de migração e coexistência. De seguida, considerou-se um cenário de convivência entre todas as tecnologias atualmente normalizadas e analisou-se a viabilidade da utilização do espectro disponível na banda C para a utilização da tecnologia TWDM-PON. Dessa forma, efetuou-se um estudo laboratorial da interferência devida à dinâmica do efeito de difusão estimulada de Raman sobre o vídeo em ambientes de convivência com sinais NRZ e efetuaram-se simulações por forma a analisar a viabilidade da utilização dessa gama de comprimentos de onda. Foram também realizados testes laboratoriais por forma a caracterizar os sistemas EPON e G-PON disponíveis no laboratório, bem como analisar a tecnologia XG-PON, efetuando-se uma correspondência com as suas normas. Por fim, foi testada experimentalmente a convivência entre G-PON, XG-PON e vídeo. Por último, foi realizado um teste da estabilidade do comprimento de onda de emissão de um laser sintonizável controlado por temperatura por forma a verificar a viabilidade da utilização deste controlo para tornar as ONUs sintonizáveis. The tremendous growth of the Internet and new content consumption has led telecom operators to invest strongly in passive optical networks. This investment aims to achieve a greater number and diversity of potential users, as well as increase the capacity and reach of existing networks, and lower its cost. The intensification of the work in this area has led to the creation of many standards and has also intensified research in this area. Along this dissertation the requirements defined in the standards Gigabit-capable Passive Optical Network (G-PON), Ethernet PON (EPON) and 10-Gigabit-capable PON (XG-PON) were analyzed, as well as were shown some of the future alternatives. Were also studied and discussed the requirements of coexistence between current technologies and the technologies that are expected to be implemented. Are also presented possible scenarios of migration and coexistence. Next, it was considered a scenario of coexistence among all technologies currently standardized and was analyzed the feasibility of using the available spectrum in the C band for the use of the technology TWDM-PON. Thereby, it was performed a laboratory study of the impact caused by the dynamic component of Stimulated Raman Scattering on the video signal in coexistence with NRZ signals. Simulations were also performed in order to examine the feasibility of using this available range of wavelengths. Laboratory tests were also performed in order to characterize the systems EPON and G-PON available in the lab, as well as it was analyzed the XG-PON technology, making up a correspondence with its standards. It was also tested experimentally the coexistence of G-PON, XG-PON and video. Finally, it was performed a test of the stability of the emission wavelength of a tunable laser controlled by temperature in order to verify the feasibility of using this control to make the ONUs tunable.