Impact of physical layer impairments on large ROADM architectures

Abstract

Most of today’s optical networks, use reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADMs) as nodes. To become more dynamic and flexible, these nodes architectures evolved over the years. The colorless, directionless and contentionless functionalities are now standard, however, current architectures have poor scalability due to limitations on wavelength selective switches dimensions. Hence, due to constant increase in data traffic, current architectures might become a bottleneck to manufacture future large-scale ROADMs. In this work, the hardware cost and in-band crosstalk generation inside different large-scale ROADM architectures, is compared with conventional architectures. Moreover, an analysis of optical filtering, amplified spontaneous emission (ASE) noise and in-band crosstalk impact in the performance of an optical network, with nodes based on the most promising large-scale architecture, the interconnected A architecture, is performed. This performance is assessed through Monte-Carlo simulation with 16 point quadrature amplitude modulation with polarization-division multiplexing (PDM-16QAM) and PDM- 32QAM signals with 200 Gb/s and 250 Gb/s, respectively. Two architectures are considered for the interconnected A express structure, Broadcast and Select (B&S) and Route and Select (R&S). For the add/drop structure, a bank-based structure is considered. The maximum number of cascaded ROADMs, considering all the studied impairments, is 5 and 7 nodes for a 32 GBaud 16QAM signal, respectively, for B&S and R&S architectures. A 32QAM signal reaches 3 and 4 nodes, respectively, for B&S and R&S architectures. The main penalty in transmission is the ASE noise generated by optical amplifiers throughout the network, having the in-band crosstalk and optical filtering penalties a lower contribution.

A maioria das redes óticas são atualmente compostas por multiplexadores óticos de inserção/extração reconfiguráveis (ROADMs, em inglês) nos nós, cuja arquitetura tem evoluído para se tornarem mais dinâmicos e flexíveis. As funcionalidades colorless, directionless e contentionless estão hoje normalizadas, no entanto, as arquiteturas atuais tornam-se pouco escaláveis para ROADMs de elevada dimensão, devido a limitações nos comutadores seletivos no comprimento-de-onda. Neste trabalho, a comparação entre os custos associados e a geração de crosstalk homódino em diferentes arquiteturas propostas para ROADMs de elevada dimensão e as arquitecturas tradicionais é efetuada. É também analisado o impacto da filtragem ótica, ruído de emissão espontânea amplificada (ASE, em inglês) e crosstalk homódino no desempenho de uma rede com nós baseados na arquitetura denominada "Interconnected A". A avaliação é feita através de simulação Monte-Carlo com sinais multiplexados por divisão na polarização e modulação de amplitude em quadratura, PDM-16QAM e PDM-32QAM a 200 Gb/s e 250 Gb/s, respetivamente. Foram consideradas duas configurações para os ROADMs estudados, Broadcast and Select e Route and Select (B&S e R&S, em inglês) e uma estrutura de inserção/extração denominada "bank-based". Quando considerados todos os efeitos, o alcance máximo da rede é de 4 e 7 nós para um sinal 16QAM, respetivamente, para configurações B&S e R&S. Para um sinal 32QAM, é de 3 e 4 nós, respetivamente, para configurações B&S e R&S. A principal penalidade na transmissão deve-se ao ruído ASE gerado nos amplificadores óticos ao longo da rede, tendo a penalidade devido ao crosstalk homódino e a filtragem ótica uma menor contribuição.