Photonics in Broadband Access and the Next Generation ...(pol-muxed (D)QPSK, 16-QAM, …) (G....

46
Photonics in Broadband Access and the Next Generation Network Leo Spiekman

Transcript of Photonics in Broadband Access and the Next Generation ...(pol-muxed (D)QPSK, 16-QAM, …) (G....

  • Photonics in Broadband Accessand the Next Generation Network

    Leo Spiekman

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    The Next Generation Network

    ● Architectural evolution in core and access

    ● One network for all information and services

    ● Everything transmitted as packets

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Internet Traffic Growth

    Nearexponential increase in bandwidth use– Organic growth – increase in customer base– Shift in content, away from static pages, toward 

    multimedia embedded content and streaming video– Larger bandwidth 

    demand of content providers and other high end users

    (P. Magill, AT&T Labs, LEOS Annual Mtg. 2007)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Traffic Type Is Changing

    Packets (data) have overtaken circuits (voice)

    1990 1995 2000 2005 20100

    200

    400

    600

    800

    1000

    VoiceDataTotal

    Tra

    ffic 

    (Gb/

    s)

    (R. Tkach, AlcatelLucent, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Economies of Unified Management

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Three Ways to Increase Capacity

    ● Increase bitrates● More wavelengths● More fibers

    New technologies are introducedif and when they become costeffective

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    25.6 Tb/s Transmission

    ● 160 Channels

    ● Two Polarizations

    ● 2 x 42.7 Gb/s RZDQPSK

    PC

    INT

    INT

    INT

    TX 1

    TX 2

    ODD

    EVEN

    C1..C79

    L

    CC/L C/L

    Raman L

    CC/L

    80km SSMFDCFL

    CC/L C/L Delay

    3-dB Coupler

    PC PBS

    L

    CC/L C/L

    AWG

    AWGL1..L79

    C/L

    C2..C80AWG

    L2..L80

    C/L

    PCEDFAs

    PC

    PC

    PCSpans (×3)

    AWG

    ControlClock/2Clock/2

    Clock/2MZ

    π/2MZ

    MZMZ

    π/2π/2MZMZ

    42.7 Gb/s

    42.7 Gb/s

    50GHz/100GHz Interleavers Concatenated passband: 40 GHz

    Wavelength (nm)

    Rela

    tive

    Pow

    er (d

    B)

    1520 1540 1560 1580 1600

    -10

    -20

    -30

    -40

    -50

    Wavelength (nm)

    Rela

    tive

    Pow

    er (d

    B)

    1520 1540 1560 1580 1600

    -10

    -20

    -30

    -40

    -50

    (A. Gnauck, AlcatelLucent, OFC 2007)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    DWDM is Hard

    ● Linear Impairments– Chromatic Dispersion– Polarization Mode Dispersion

    ● Nonlinear Impairments– Self Phase Modulation– FourWave Mixing– Cross Phase Modulation

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    DWDM is Really Hard

    Gets worse with higher bitrates and channel densities!

    (J. Perino, Electronics Letters 1994)

    (F. Forghieri, Photonics Technology Letters 1994)

    Dispersion

    FWM

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Network Layering Wildly Successful

    ● Ethernet: 1973● WWW: 1989● Google: 1998● DWDM transmission: 1987

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Network Convergence

    LAN MAN WAN

    Voice

    Video

    Data Ethernet/IP

    SONET/SDH

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Line Speed Convergence

    0.01

    0.1

    1

    10

    100

    1000

    Gb 

    / s

    Ethernet

    SONET

    Generations

    OC192

    OC48

    OC12

    OC3

    OC768

    OC3072?

    10BASET

    100BASET/100BASEFX

    GbE

    10GbE

    100GbE

    TbE?

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Why the Push for Ethernet?

    ● Rigorous standardization– Everyting that is not allowed is prohibited

    ● Vendor interoperability– Enables fierce competition

    ● Rapid evolution– Media, speeds

    ● Installed base preservation

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Convergence to Packets

    ● Core converges to IP or Ethernet● Increasingly, services independent from 

    transport layer● But: Ethernet was not designed for video

    LAN MAN WAN

    Voice

    Video

    DataEthernet/

    IP

    SONET/SDH

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Different Traffic has Different NeedsType of video● High speed

    ● Long distance (video download)

    ● QoS (streaming)

    ● Latency (interactive)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    DWDM is Hard

    ● Linear Impairments● NonLinear Impairments● Bottom three layers of OSI 

    model

    ... Also in the Next Generation Network

    crossconnect add/drop

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    100 Gb/s is Next?● 100G Ethernet will come, driven by 

    applications (e.g., videoondemand)

    ● 100Gb/s transport will have several flavors

    – Ethernet transport (IEEE) for local area and access networks

    – OTN transport (ITUT) for widearea networks

    (G. Raybon, AlcatelLucent, OFC 2008)

    “We're upgrading our network to 40 Gbit/s, but we will go to100 Gbit/s as soon as possible and we hope to deploy

    early next year," Fred Briggs, executive vice president for network operations

    and technology at Verizon, Lightreading September 2007.

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    100 Gb/s Standardization Activity

    IEEE-Higher Speed Study Group (HSSG) – Ethernet transport for local area and access networks– Presentations found at http://grouper.ieee.org/groups/802/3/hssg/index.html

    Optical Internetworking Forum (OIF)– Common Electrical Interface (CEI) enable high speed signaling for

    backplanes and chip to chip communications International Telecommunications Union-Telecommunications

    Standardization Sector (ITU-T)– Define standards for Optical Transport Network (OTN)

    IEEE

    IEEE

    IEEE

    ITU-T

    OIFOIF

    (G. Raybon, AlcatelLucent, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    100 Gb/s per channel

    10 x

     10 

    Gb/

    s

    MUX

    10 x 10Gb/s Modulators(electrical   optical)

    100 Gb/s(10 λ ’s)

    100GEMAC

    (P. Winzer, AlcatelLucent, OFC 2008)

    100G parallel transport(= inverse multiplexing)

    10 x

     10 

    Gb/

    s

    100 Gb/s(or 2 x 50)

    MUX

    100Gb/s Modulator(electrical   optical)

    Laser

    100 Gb/s (1 λ )

    100GEMAC

    100G serial transport

    Choice depends on lowest cost per bit:• Targeted system capacity (spectral efficiency)• Targeted system reach• Wavelength management and networking aspects (ROADMs, etc.)

    10 ps / bit

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    100 Gb/s per wavelength

    1 bit/symbol 2 bits/symbol 4 bits/symbol and up107 … 131 Gbaud

    (OOK, DPSK, DB/PSBT, …)54 … 66 Gbaud

    (DQPSK, pol-muxed OOK, …)27 … 33 Gbaud

    (pol-muxed (D)QPSK, 16-QAM, …)

    (G. Raybon, AlcatelLucent, OFC 2008)

    RZ-DQPSK 64-QAM

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Towards 1 Tb/s

    MLFL1SCbased

    pulsecompressor

    40 Gb/s

    2 ps1553 nm

    OTDM receiver640 Gb/s

    OTDM transmitter640 Gb/s

    × 4 × 16

    640 Gb/s

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    1 Tb/s = a lot of optical bandwidth

    1530 1536 1542 1548 1554 1560 156640

    30

    20

    10

    0

    Wavelength [nm]

    Rel

    ativ

    e P

    ower

     [dB

    ]

    clock40 GHz

    holdingbeamCW

    data640 Gb/s

    BPF transferfunction

    5.12nm

    SOA out

    SOA in

    (E. Tangdiongga, Technical Univ. Eindhoven, ECOC 2007)

    COBRA 

    1 Tb/s modulated= 16 nm of BW

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    NGN in JapanNGN: Next Generation Network.

    Everything over IP

    NTT East taking orders as of March 31, 2008

    NWGN: New Generation Network.New paradigm in R&D

    “Development of core network control and management technologies to support Petabit/sclass largescale new generation networks, unify path/packet networks, and lead international standardization activities”

    (http://nag.nict.go.jp/index_e.html)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    NGN in the US

    All IP based, butOC192 over DWDM in core

    (P. Poll, Qwest, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    NGN in EuropeBritish Telecom: 21st Century Network

    Convergence to everything over IPMPLS in Core

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    NGN in EuropeThe Netherlands: AllIP

    Core network based on Ethernet

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    IP over MPLS

    LSR

    Label Switching Routers(LSR)

    Label Edge Routers (LER)

    IP Packet

    IP Packet

    L1

    L2

    Label Switching Path(LSP)

    MultiProtocol Label Switching

    (G. Cincotti, Roma Tre University, OFC 2006)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Future: Optical Packet Switching

    AWG

    :

    160 Gb/s payloadLabel Extractor

    1

    2N

    Outputs packets

    Wavelength converter

    Input packets

    1st label Nth label

    Labels Processor Control signal  cw λ 2N

      cw λ 2  cw λ 1

    Fast Label Recognition Fast AllOptical Switching

    (N. Calabretta, Technical Univ. Eindhoven, OFC 2008)

    Packets at output  

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Why AllOptical?

    – Less complexity

    – Lower power consumption

    Same reason ROADMs / OXCs offer express lanesin circuit switched networks:

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Fast AllOptical Switching

    ● SOA Switching Elements– High Extinction Ratio– Nanosecond Switching

    SOA

    SOA

    SOA

    SOA

    SOA

    ISM14 Integrated Switch

    SOA

    SOA

    SOA

    SOA

    ISM22 Integrated Switch

    SOA

    SOA

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Fast AllOptical Label Recognition

    ACP

    CCPOC1

    Single-ChipMultiportEncoder / Decoder

    (G. Cincotti, Roma Tre University, OFC 2006)

    switch controller

    LSR node controller

    optical packetswitch

    label swapping controller

    E/D labelswitch

    label remover

    buffering

    E/D

    E/D

    Time (100ns/div)

    Label Payload

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Optical Packet Switching Field Trial

    Keihanna

    NaraOsaka

    Kyoto

    JGN2 testbed network(http://www.jgn.nict.go.jp)

    EN #1

    EN #2

    Keihanna

    OPS system

    Nara

    Field SMF 16km

    RDF(11.5km)

    RDF(11.5km)

    EH #3

    EH #4

    EH #1

    EH #2

    EN #3

    EN #4

    Japan

    Field SMF 16km

    1x2 Switch

    1x2 Switch

    2x1 Coupler

    2x1 Coupler

    160Gbps WDMOptical Packet with label “A”

    Label “B”

    (N. Wada, NiCT, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Access Networks: PON or PtP?

    November 14th, 2006   page 9 All rights reserved © 2006 France Telecom

    Passive Optical Network (PON) has 3 main advantages ⇒ Less capex in optics & equipment⇒ Less opex in provisioning⇒ Wholesale offer available

    Fiber

    Optical LineTermination(DSLAM like

    OpticalNetwork

    Termination

    GPON a maturing technology ready for rollout

    OpticalSplitter

    OpticalNetwork

    Termination

    PON 

    Point to multipoint

    Point to Point

    Fiber

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    PON is High Density in CO

    10 Linecards x 4 PON ports x 128 ONTs = 5120 ONTs per shelf

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    PON Roadmap

    Unde

    Deve

    lopme

    nt 

    2000 20011998 20032002 2004

    100k

    1M

    10M

    100M

    1G

    BPONBPON1,2G/622M20 km

    Year

    Bitrate(bit/s)

    Standard FSAN, ITUT G.983.1FSAN, ITUT G.983.1

    APONAPON 622/155M20 kmTDM

    PON

    20051997 ...

    2,5G GPONGPON

    2006

    EPONEPON1/1 G, 20kmIEEE 802.3ahIEEE 802.3ah

    StandardStandard  FSAN, ITUT G.983.1amd1, G.983.3...10FSAN, ITUT G.983.1amd1, G.983.3...10

    ITUT G.984.1..4ITUT G.984.1..4

    APON ...ATMPONBPON...BroadbandPONEPON...EthernetPONGPON...GigabitPONCWDM...Coarse WDMDWDM...Dense WDM

    2,5/2,5G, 60km

    Standards approved and public

    Next Gen OANNext Gen OAN(C,D)WDMPON ???(C,D)WDMPON ???

    Long Reach OAN ???Long Reach OAN ???

    (A. Srivastava, OneTerabit, 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    State of the Art: GPON

    Voice

    Video

    Data GPON Optical Line Terminal (OLT)

    1 x NPassive Optical Splitter

    ONT 1

    ONT 2

    ONT 3

    ONT N

    GPON Optical Network Terminal (ONT)

    Central OfficeOutside Plant  Customer

    Premises 

    1490 nm → ← 1310 nm

    Single Fiber

    (D. Piehler, Alphion, 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    GPON with Reach Extender

    PON OLT

    •  Increased reach

    TDM down14801500 nm

    TDMA up12601360 nm

    1:32

    20 km

    ONT 1

    ONT 32

    ONT 2

      Nearterm (tactical): avoid current practice of “remoting” the OLT to go beyond             practical 20 km limit

    (will require an OEO or optical ampbased reach extender)

    * D. Payne and R. Davey, “The future of fibre access systems?,” BT Technol. J., 20, 104114, 2002. 

      Longterm (strategic): may permit consolidation of central offices (local exchanges)*

    (P. Iannone, AT&T, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    GPON with Reach Extender

    PON OLT

    •  Increased reach

    TDM down14801500 nm

    TDMA up12601360 nm

    1:128

    60 km

    ONT 1

    ONT 128

    ONT 2

      Nearterm (tactical): avoid current practice of “remoting” the OLT to go beyond             practical 20 km limit

    Reach Extender

    (will require an OEO or optical ampbased reach extender)

    * D. Payne and R. Davey, “The future of fibre access systems?,” BT Technol. J., 20, 104114, 2002. 

      Longterm (strategic): may permit consolidation of central offices (local exchanges)*

    (P. Iannone, AT&T, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Strategic Use of Reach Extender

    CentralOffice

    Red lines represent subset of individual PONs within each CO serving area

    CO Serving Area(20 km radius)

    Idealized geographic distribution of central offices (CO) 

    Longreach PONs enable CO consolidation

    CO

    Elementary PON (20 km reach)

    (P. Iannone, AT&T, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Strategic Use of Reach Extender

    New CentralOffice

    •  This strategy benefits from WDM or TDM muxing between OLT and PON extender

     Lots of technology options (            , DWDM, higher rate TDM, λ  conversion, etc) 

     case for alloptical extender box may be more compelling for multi wavelengths

    Longreach PONs enable CO consolidation (60 – 100 km reach)

    New CO Serving  Area(60 km radius)

    Idealized geographic distribution of central offices 

    CWDM

     OpEx•  Saves on:

     Powering

     Real estate

    •  Eliminate majority of central offices

    •  Powered extender box on feeder

    •  Possibly increase split per PON

    Bidirectional reach extender

    (P. Iannone, AT&T, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Power and Space Savings

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Future: PON Capacity Increase

    WDMAWDMA WavelengthDivision

    MultipleAccess

    TDMATDMATimeDivisionMultipleAccess

    OOCDMACDMA CodeDivisionMultiple

    Access

    t

    Inte

    nsity

    Cha

    nnel

     1C

    hann

    el 2

    … …C

    hann

    el N

    T t

    Wav

    elen

    gth Channel 1

    Channel 2……

    Channel N

    Tt

    Am

    plitu

    d

    Channel 1

    T

    Channel 2

    Channel N

    (N. Kataoka, NiCT, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    WDMPON

    (P. Iannone, AT&T, 2008)

    60 km

    1.3 µm Tx

    ONT1.5 µm RxCO OLT Tx

    CO OLT Rx

    Rx1350 nm

    1290 nm

    Rx1310 nm

    Rx1330 nm

    Rx

    DFBLD1550 nm

    1490 nm

    DFBLD1510 nm

    DFBLD1530 nm

    DFBLD

    C W

     D M

    C W

     D M

    C W

     D M

    C W

     D M

    2:2

    2:2

    2:2

    2:2

    1:16

    1:16

    ..

    .

    .

    .

    .

    1.3/1.5 µ m Mux

    60 km

    1.3 µm Tx

    ONT1.5 µm Rx

    1.3 µm Tx

    ONT1.5 µm RxCO OLT Tx

    CO OLT Rx

    Rx1350 nm

    1290 nm

    Rx1310 nm

    Rx1330 nm

    Rx

    DFBLD1550 nm

    1490 nm

    DFBLD1510 nm

    DFBLD1530 nm

    DFBLD

    C W

     D M

    C W

     D M

    C W

     D M

    C W

     D M

    2:22:2

    2:22:2

    2:22:2

    2:22:2

    1:161:16

    1:161:16

    ......

    .

    .

    .

    1.3/1.5 

    1.3µ mHybrid Amp

    Remote Node

    1.5µ mHybrid Amp

    1490 nm down1310 nm up

    1510 nm down1290 nm up

    1530 nm down1330 nm up

    1550 nm down1350 nm up

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    OCDMAPON

    OCDM Tx 1

    OCDM Tx 2

    OCDM Tx 3

    OCDM Tx 4

    8NetworkAnalyzer

    10GbE

    PC3

    PC4

    HDVCamera

    HDVCamera

    PPG

    10.3125GH zλ :1551nmDCF

    Otemachi50km

    InstalledSMF

    50kmInstalled

    SMF

    OCDM Rx 1

    OCDM Rx 8

    OCDM Rx 2

    Koganei

    13579111315

    1:8splitter

    ONU1

    ONU2

    ONU8

    λ :1551nm

    Uplink

    (xii) (xi) (x) (ix) (viii) (vii)

    20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div]

    λ :1551nm

    λ :1551nmDPSK signal

    Central station (Koganei)Multiport

    Decoder

    MultiportEncoder

    OCDM Tx 1

    OCDM Tx 2

    OCDM Tx 3

    OCDM Tx 4

    8

    1

    3

    579111315

    NetworkAnalyzer

    10GbE

    PC3

    PC4

    HDVCamera

    HDVCamera

    PPG

    10.3125GH z λ :1551nmDCF

    Otemachi50km

    InstalledSMF

    50kmInstalled

    SMF

    PCVOA OCDM Rx 1

    OCDM Rx 8

    OCDM Rx 2

    Koganei

    ONU1

    ONU2

    ONU8

    λ :1551nm

    λ :1551nm

    λ :1551nm

    1:8splitter

    Central station (Koganei)20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div] 20 [ps/div]

     Downlink(i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi)DPSK signal

    TokyoKoganei

    OtemachiKoganei

    (N. Kataoka, NiCT, OFC 2008)

  • Alphion Corp. Proprietary & Confidential

    Summary

    ● Convergence to packet networks● Standardization is essential● IP in the core already here● Future: Optical packet switching???● Access networks are running on GPON● Extended reach GPON is coming● Future: WDMPON? OCDMAPON?

  • Thanks: David Piehler, Alphion Corp., USA A. Gnauck, G. Raybon, P. Winzer, AlcatelLucent, USA E. Tangdiongga, N. Calabretta, TU Eindhoven, Netherlands G. Cincotti, Roma Tre University, Italy N. Wada, NiCT, Japan P. Iannone, K. Reichmann, AT&T Labs Research, USA A. Srivastava, OneTerabit, USA