Design of ultra-high-capacity optical networks employing space-and frequency-division multiplexing techniques

Abstract

This PhD thesis addresses a fundamental limitation of current optical transport networks, in particular the absence of scalable optical switching architectures capable of supporting the expansion of spectral and spatial dimensions required by next-generation ultra-high-capacity optical networks. While emerging technologies such as Space Division Multiplexing (SDM) and Ultra-Wide-Band (UWB) transmission can offer the necessary degrees of freedom for capacity scaling, existing Wavelength Selective Switch (WSS)-based optical nodes fail to efficiently exploit them due to rigid wavelength-level operation, excessive port scaling, high SWaP-C factor (Size, Weight, Power and Cost) and accumulated filtering impairments. To address these intrinsic limitations, this thesis proposes a novel hierarchical three-layered Multi-Granular Optical Node (MG-ON) architecture. Unlike conventional designs, the proposed architecture enables native switching across multiple granularities, ranging from entire optical fibers and flexibly defined wavebands, down to individual wavelengths, thereby fundamentally redefining how optical resources are managed in ultra-high-capacity optical networks. At the core of the proposed architecture lies the flexible Waveband Selective Switch (flex-WBSS), which constitutes a key technological innovation of this thesis, whose fabrication prototype implementation, along with its fundamental operational principles, are presented and thoroughly analyzed in the following chapters. The flex-WBSS departs from conventional fixed-band wavelength and waveband switching by enabling dynamic spectrum grooming into “flexibly” defined contiguous bands (e.g. S-, C-, L-, with potential future extension to O- and E-bands) across the UWB spectrum (>21 THz). Its novel design, based on Photonic Integrated Circuit (PIC) technology, integrates adaptive Finite Impulse Response (FIR)-based optical filtering, combined with a non-blocking Crossbar Switching (CS) fabric, resulting in a compact, scalable, and energy- and cost-efficient implementation. A major contribution of this thesis is the end-to-end architectural design of a hierarchical three-layered MG-ON node, where waveband switching is elevated to a primary switching mechanism, bridging the gap between today’s wavelength switching and future full-fiber switching, enabling rapid and scalable network upgrades across both existing and newly deployed infrastructures. This represents a previously missing intermediate layer in optical switching evolution, providing scalable operation without the prohibitive complexity of pure wavelength-based designs. To rigorously evaluate the proposed architecture, a custom multi-layer optical network simulator is developed, capable of modeling all critical physical-layer impairments while also supporting multiple optical switching policies, including Full-Fiber Switching (FFS), Waveband Switching (WBS), and Wavelength Switching (WS). The obtained results demonstrate substantial improvements in key Quality of Transmission (QoT) metrics such as higher Optical Signal-Noise-Ratio (OSNR) and lower Bit-Error-Rate (BER) compared to conventional WSS-based designs, particularly under ultra-high traffic loads, approaching or exceeding 10 Pb/s. This OSNR improvement is primarily attributed to the reduced number of cascaded filtering stages resulting in lower insertion losses at the physical layer. This overall reduction becomes even more pronounced at the network level (across cascaded nodes), leading to consistently lower accumulated insertion loss across all end-to-end light paths. As a result, signal degradation is significantly mitigated, allowing extended transmission reach with equal or higher OSNR than competing architectures. This, in turn, reduces the number of required active elements, thereby enhancing overall system performance in terms of QoT, power consumption, and cost efficiency. Furthermore, this thesis develops two complementary frameworks (an analytical and a probabilistic one) for band modeling leveraging static and dynamic traffic matrices respectively, that can be effectively employed in the design of next-generation optical transport networks. The frameworks are employed to evaluate the node’s bandwidth utilization and scaling behaviour, exploring trade-offs among scalability and throughput, as well as component count and complexity. The analysis reveals that the proposed MG-ON architecture achieves substantial improvements over existing counterparts in terms of scalability efficiency, enabling Pb/s-level network throughput while significantly reducing hardware complexity. Finally, a comprehensive techno-economic and energy efficiency evaluation is conducted across both node and network levels, introducing scalable models developed specifically for this study. The results demonstrate that the proposed PIC-based multi-granular architecture leads to substantial reductions in terms of cost and power consumption. Overall, this thesis introduces a new architectural and technological foundation for optical switching, positioning the proposed multi-granular, WBSS-based node as a viable pathway toward next-generation optical transport infrastructures.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται έναν θεμελιώδη περιορισμό των σύγχρονων οπτικών δικτύων μεταφοράς και πιο συγκεκριμένα την έλλειψη κλιμακούμενων αρχιτεκτονικών οπτικής μεταγωγής ικανών να υποστηρίξουν την επέκταση των φασματικών και χωρικών διαστάσεων που απαιτούνται από τα οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς υπερυψηλής χωρητικότητας. Παρόλο που αναδυόμενες τεχνολογίες, όπως η πολυπλεξία διαίρεσης χώρου (Space Division Multiplexing–SDM) και η μετάδοση υπερ-ευρείας ζώνης (Ultra-Wideband–UWB) παρέχουν τους απαραίτητους βαθμούς ελευθερίας για την κλιμάκωση της χωρητικότητας, οι υφιστάμενοι οπτικοί κόμβοι που βασίζονται σε μεταγωγείς επιλεκτικού μήκους κύματος (Wavelength Selective Switches–WSSs) αδυνατούν να τους αξιοποιήσουν αποδοτικά, λόγω της “άκαμπτης” λειτουργίας τους σε επίπεδο μήκους κύματος, της υπερβολικής αύξησης του αριθμού των θυρών, του αυξημένου παράγοντα SWaP-C (Μέγεθος, Βάρος, Ισχύς και Κόστος) καθώς και των συσσωρευτικών υποβαθμίσεων που προκαλούνται από τα διαδοχικά στάδια φιλτραρίσματος. Για την αντιμετώπιση αυτών των εγγενών περιορισμών, η παρούσα διατριβή προτείνει μια νέα ιεραρχική αρχιτεκτονική τριών επιπέδων, τον οπτικό κόμβο Multi-Granular Optical Node– MG-ON. Σε αντίθεση με τις συμβατικές προσεγγίσεις, η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υποστηρίζει εγγενή μεταγωγή πολλαπλών επιπέδων, από ολόκληρες οπτικές ίνες και ευέλικτα ορισμένες φασματικές ζώνες έως μεμονωμένα μήκη κύματος, επαναπροσδιορίζοντας θεμελιωδώς τον τρόπο διαχείρισης των οπτικών πόρων σε οπτικά δίκτυα υπερυψηλής χωρητικότητας. Στον πυρήνα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής βρίσκεται o “ευέλικτος” μεταγωγέας επιλεκτικής φασματικής ζώνης (Waveband Selective Switch –flex-WBSS), ο οποίος αποτελεί σημαντική τεχνολογική καινοτομία της παρούσας διατριβής, όπου το βιομηχανικό πρωτότυπο υλοποίησης του, καθώς και οι θεμελιώδεις αρχές λειτουργίας του, παρουσιάζονται και αναλύονται διεξοδικά στα επόμενα κεφάλαια. Ο “ευέλικτος” μεταγωγέας επιλεκτικής φασματικής ζώνης διαφοροποιείται από τις συμβατικές προσεγγίσεις μεταγωγής με σταθερές φασματικές ζώνες ή μηκών κύματος, επιτρέποντας την δυναμική ομαδοποίηση φάσματος σε ευέλικτα καθορισμένες συνεχόμενες φασματικές ζώνες (π.χ. οι ζώνες S, C, L, με δυνατότητα μελλοντικής επέκτασης στις O- και E) σε υπερ-ευρύ φάσμα άνω των 21 THz. Ο καινοτόμος σχεδιασμός του, βασισμένος σε τεχνολογία φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (Photonic Integrated Circuits– PIC), ενσωματώνει προσαρμοστικό οπτικό φιλτράρισμα τύπου (Finite Impulse Response– FIR), σε συνδυασμό με έναν μεταγωγέα απρόσκοπτης δρομολόγησης τύπου crossbar, επιτυγχάνοντας μια συμπαγή, επεκτάσιμη και ενεργειακά αποδοτική υλοποίηση. Μια σημαντική συνεισφορά της διατριβής είναι η ολοκληρωμένη αρχιτεκτονική υλοποίηση ενός ιεραρχικού κόμβου τριών επιπέδων, όπου η μεταγωγή σε επίπεδο φασματικής ζώνης αναδεικνύεται ως βασικός μηχανισμός μεταγωγής, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ της σημερινής μεταγωγής σε επίπεδο μήκους κύματος και της μελλοντικής σε επίπεδο πλήρους ίνας, επιτρέποντας ταχεία και κλιμακούμενη αναβάθμιση δικτύων τόσο σε υφιστάμενες όσο και σε νέες υποδομές. Η προσέγγιση αυτή εισάγει ένα μέχρι σήμερα ανύπαρκτο ενδιάμεσο επίπεδο στην εξέλιξη της οπτικής μεταγωγής, επιτρέποντας κλιμακούμενη λειτουργία χωρίς την απαγορευτική πολυπλοκότητα προσεγγίσεων βασισμένων αποκλειστικά στην μεταγωγή μηκών κύματος. Για τη συστηματική αξιολόγηση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, αναπτύχθηκε ένας προσομοιωτής οπτικών δικτύων πολλαπλών επιπέδων, ο οποίος ενσωματώνει όλες τις κρίσιμες υποβαθμίσεις του φυσικού επιπέδου και υποστηρίζει πολλαπλές πολιτικές μεταγωγής (μεταγωγή σε επίπεδο πλήρους ίνας– FFS, μεταγωγή σε επίπεδο ζωνών φάσματος– WBS και της μεταγωγής σε επίπεδο μήκους κύματος– WS). Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν σημαντικές βελτιώσεις σε βασικούς δείκτες ποιότητας μετάδοσης (QoT), συμπεριλαμβανομένου υψηλότερου οπτικού σηματοθορυβικού λόγου (OSNR) και χαμηλότερου ρυθμού σφαλμάτων bit (BER), σε σύγκριση με τις συμβατικές αρχιτεκτονικές που βασίζονται σε μεταγωγείς επιλεκτικού μήκους κύματος (WSS-based), ιδιαίτερα υπό συνθήκες υπερύψηλής τηλεπικοινωνιακής κίνησης που προσεγγίζει ή υπερβαίνει τα 10 Pb/s. Η βελτίωση του OSNR αποδίδεται κυρίως στη μείωση του αριθμού των διαδοχικών σταδίων φιλτραρίσματος και στις χαμηλότερες απώλειες εισαγωγής ανά κόμβο σε επίπεδο φυσικού στρώματος. Η συνολική αυτή μείωση, ιδιαίτερα σε επίπεδο δικτύου (διαδοχικά διασυνδεδεμένους κόμβους), οδηγεί σε σταθερά χαμηλότερη συσσωρευμένη απώλεια εισαγωγής σε όλα τα από άκρο σε άκρο οπτικά μονοπάτια. Ως αποτέλεσμα, η υποβάθμιση του σήματος περιορίζεται σημαντικά, επιτρέποντας μεγαλύτερες αποστάσεις μετάδοσης με ίσο ή και υψηλότερο OSNR σε σχέση με ανταγωνιστικές αρχιτεκτονικές. Κατά συνέπεια, απαιτούνται λιγότερα στάδια οπτικής ενίσχυσης, μειώνοντας έτσι τον αριθμό των απαιτούμενων ενεργών στοιχείων του δικτύου βελτιώνοντας με αυτό τον τρόπο τη συνολική απόδοση. Επιπλέον, η παρούσα διατριβή αναπτύσσει δύο αλληλοσυμπληρούμενα πλαίσια μοντελοποίησης φασματικών ζωνών, ένα αναλυτικό και ένα στατιστικό, τα οποία βασίζονται αντίστοιχα σε στατικούς και δυναμικούς πίνακες κίνησης, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στον σχεδιασμό οπτικών δικτύων μεταφοράς νέας γενιάς. Τα εν λόγω πλαίσια εφαρμόζονται για την αξιολόγηση της αξιοποίησης φάσματος και της συμπεριφοράς κλιμάκωσης του προτεινόμενου κόμβου, διερευνώντας τους συμβιβασμούς μεταξύ κλιμακωσιμότητας και ρυθμοαπόδοσης, καθώς και μεταξύ αριθμού εξαρτημάτων και πολυπλοκότητας. Η συγκεκριμένη ανάλυση φανερώνει ότι η προτεινόμενη αρχιτεκτονική MG-ON επιτυγχάνει βελτιώσεις υψηλής τάξης μεγέθους ως προς την αποδοτικότητα κλιμάκωσης, υποστηρίζοντας ρυθμούς μετάδοσης της τάξεως των Pb/s με σημαντικά μειωμένη πολυπλοκότητα υλικού. Τέλος, παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη τεχνοοικονομική και ενεργειακή αξιολόγηση τόσο σε επίπεδο κόμβου όσο και σε επίπεδο δικτύου, βασισμένη σε μοντέλα που αναπτύχθηκαν ειδικά στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη αρχιτεκτονική πολλαπλών επιπέδων βασισμένη σε τεχνολογία φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων– PIC, οδηγεί σε σημαντική μείωση του κόστους και της κατανάλωσης ενέργειας. Συνολικά, η παρούσα διατριβή εισάγει ένα νέο αρχιτεκτονικό και τεχνολογικό υπόβαθρο για την οπτική μεταγωγή, αναδεικνύοντας τους κόμβους πολλαπλών επιπέδων βασισμένους σε WBSS ως μια βιώσιμη κατεύθυνση προς τις υποδομές οπτικών δικτύων νέας γενιάς.