Impact of physical layer impairments on SDM networks based on ROADM nodes

Abstract

Current transport optical networks are approaching its capacity limits, mainly due to new applications and services that require a huge amount of resources. To increase the network capacity, multiband solutions, that exploit the unused capacity of actual fibers, in particular the L-band, are being currently commercially explored. However, this strategy is assumed as a short to medium term solution. A long-term solution is to use spatial-division multiplexing (SDM) in the optical domain, which leads to the concept of SDM-based optical networks. In this work, different SDM switching architectures (spatial, spatial-wavelength, wavelength, fractional space-full wavelength) are studied and compared in terms of cost per bit, power consumption and flexibility. For the switching architectures with spatial and spatial-wavelength granularities (the architectures that have superior performance), the most relevant physical impairments (PLIs) (amplifiers noise, non-linear interference, narrowing penalty due to filtering and in-band crosstalk) are analytically studied, for a SDM reconfigurable optical add-drop multiplexer (ROADM) cascade. Furthermore, a Monte Carlo simulation is used to assess more rigorously the PLIs effects on the performance of SDM ROADMs, with spatial-wavelength switching architecture, in cascade. The main difference, regarding PLIs, between the single spatial channel ROADM architecture and the SDM ROADM architectures is the enhanced effect of in-band crosstalk. For cascaded ROADMs with 16 directions, 19 spatial channels and filtering isolation of -25 dB, the in-band crosstalk can lead to a 2 dB optical signal-to-noise ratio penalty. Due to this penalty, the signal crosses less 9 ROADMs than in a single spatial channel ROADM architecture.

As redes óticas de transporte atuais estão a aproximar-se do seu limite de capacidade devido às novas aplicações e serviços que requerem uma maior quantidade de recursos de rede. Uma possível solução de curto a médio prazo para a falta de recursos é o uso de múltiplas bandas da fibra, para além da banda C. Uma solução a longo prazo será o uso de multiplexagem com divisão no espaço (SDM) no domínio óptico. Neste trabalho são estudados, o custo por bit, consumo de energia e flexibilidade, das diferentes arquiteturas SDM (no espaço, no espaço e comprimento de onda, no comprimento de onda, fracionada no espaço e completa no comprimento de onda). Para as arquiteturas com granularidades no espaço e no espaço e comprimento de onda estuda-se analiticamente os efeitos das principais limitações do nível físico (PLIs) (ruído dos amplificadores, interferência não-linear, penalidade de filtragem e diafonia homódina), para cascatas de multiplexadores óticos de inserção/extração reconfiguráveis (ROADMs). Usa-se uma simulação Monte Carlo para calcular mais rigorosamente os efeitos das PLIs na arquitetura com granularidade no espaço e comprimento de onda. A principal diferença, em termos de PLIs, entre uma rede SDM e uma rede com um único canal espacial é o efeito da diafonia homódina. Para uma rede com 16 direções, 19 canais espaciais e isolamento dos filtros de -25 dB, a diafonia homódina causa uma penalidade na relação sinal-ruído óptica de 2 dB e o sinal atravessa menos 9 ROADMs que numa rede com apenas um canal espacial.