High-speed burst-mode clock and data recovery circuits for multiaccess networks

Optical multiaccess networks, and specifically passive optical networks (PONs) are considered to be the most promising technologies for the deployment of fiber-to-the-premises/home/user (FTTx) to solve the problem of limited bandwidth in local area networks with a low-cost solution and a guaranteed quality of service. In a PON, multiple users share the fiber infrastructure in a point-to-multipoint (P2MP) network. This topology introduce optical path delays which inherently cause the data packets to undergo amplitude variations up to 20 dB and phase variations from −2π to +2π rad—burst-mode traffic. Consequently, this creates new challenges for the design and test of optical receivers front-ends and clock and data recovery circuits (CDRs), in particular, burst-mode CDRs (BM-CDRs). The research presented in this thesis investigates BM-CDRs, both theoretically and experimentally.We demonstrate two novel BM-CDR architectures. These BM-CDRs achieve error-free operation [bit error rate (BER) <10e−10] while providing instantaneous (0 preamble bit) clock phase acquisition for any phase step (±2π rad) between successive bursts. Instantaneous phase acquisition improves the physical efficiency of upstream PON traffic, and increases the effective throughput of the system by raising the information rate. Our eloquent, scalable BM-CDR architectures leverage the design of low complexity commercial electronics providing a cost-effective solution for PONs.The first BM-CDR (rated at 5 Gb/s) is based on phase-tracking time domain oversampling (semiblind) CDR operated at 2× the bit rate and a clock phase aligner (CPA) that makes use of a phase picking algorithm. The second BM-CDR (rate at 10 Gb/s) is based on semiblind space domain oversampling and employs a phase-tracking CDR with multiphase clocks at the bit rate and a CPA with a novel phase picking algorithm. We experimentally demonstrate these BM-CDRs in optical test beds and study the effect of channel-impairments in: (1) 5 Gb/s time-division multiplexing gigabit PON 20-km uplink; (2) 2.5 Gb/s overlapped subcarrier-multiplexing wavelength-division multiplexed PON 20-km uplink; (3) 1.25 Gb/s 1300-km deployed fiber link spanning Montreal–Quebec City and back; and (4) 622 Mb/s in a 7-user spectral amplitude-coded optical code-division multiple access 20-km PON uplink.We also provide a theoretical framework to model and analyze BM-CDRs. We develop a unified probabilistic theory of BM-CDRs based on semiblind oversampling techniques in either the time or space domain. This theory has also been generalized for conventional CDRs and N×-oversampling CDRs. Based on this theory, we perform a comprehensive theoretical analysis to quantify the performance of the proposed BM-CDRs in terms of the BER and packet loss ratio to assess the tradeoffs between various parameters, and compare the results experimentally to validate the theoretical model. This analysis coupled with the experimental results will refine theoretical models PONs, and provide input for establishing realistic power budgets.Les réseaux optiques à accès multiple, et plus spécifiquement les réseaux optiques passifs (PONs) sont considérés comme une des technologies les plus prometteuses pour le déploiement de fibre-aux-locaux/cabinet/bâtiment/domicile/usager (FTTx) qui résout le problème de bande passante limitée dans les réseaux locaux (LAN). Les PONs atteignent cet objectif à travers une solution à faible coût. Dans un réseau PON, plusieurs usagers partagent la même infrastructure de fibre selon une topologie de réseau point-à-multipoint (P2MP). Ceci est opposé aux autres technologies d'accès actuelles qui sont basées sur une topologie de réseau point-à-point (P2P), notamment le `digital subscriber line' asymétrique ou à vitesse très élevée (xDSL) et la technologie d'accès par câble coaxial. La nature des réseaux P2MP introduit des délais dans le chemin optique qui occasionnent des variations d'amplitude allant jusqu'à 20 dB et des variations de phase de −2π à 2π rad sur les paquets de données du trafic en mode rafale (burst-mode). En conséquence, cela crée de nouveaux défis pour la conception et le test des récepteurs optiques, des circuits de récupération d'horloge et de données (CDR); en particulier, les circuits CDR en mode rafale (BM-CDR).Nous démontrons deux architectures nouvelles de BM-CDRs. Ces BM-CDRs atteignent un fonctionnement sans erreurs [taux d'erreur binaire (BER) < 10e−10] tout en fournissant une acquisition instantanée (0 bits préambule) de phase de l'horloge pour tous les pas de phases (±2π rad) entre les `bursts' successives. L'acquisition de la phase instantanée améliore l'efficacité physique du trafic en amont du réseau PON, et accroît le débit effectif du système en augmentant le taux d'information. Nos architectures éloquentes et évolutives de BM-CDRs permettent la conception avec de l'électronique commerciale de faible complexité, offrant ainsi une solution rentable pour les PONs.Le premier BM-CDR (à 5 Gb/s) que nous avons conçu et réalisé est basé sur un circuit CDR à sur-échantillonnage temporel (semi-aveugle, opéré à 2× le taux binaire) pour la suivie de phase et sur un aligneur de phase de l'horloge (CPA) qui utilise un algorithme de sélection de phase. Le deuxième BM-CDR (à 10 Gb/s) est basé sur un sur-échantillonnage spatial semi-aveugle, et emploie un circuit CDR de suivi de phase avec des horloges à multi-phases au même débit binaire que l'information, et un CPA avec un algorithme nouveau pour la sélection de phase. En plus, nous démontrons expérimentalement ces BM-CDRs sur différents bancs d'essais optiques: (1) une liaison montante de 5 Gb/s d'un réseau optique passif gigabit Ethernet (GEPON) de 20 km, basé sur un multiplexage temporel (TDM); (2) une autre liaison en amont de 2.5 Gb/s d'un réseau optique passif à multiplexage par longueur d'onde (WDM PON), basé sur un multiplexage de sous-porteuses qui se chevauchent (O-SCM); (3) un lien optique de 1300 km (aller-retour) déployé entre Montréal et Québec à 1.25 Gb/s; et (4) une liaison montante à 622 Mb/s sur un réseau optique passif de 20 km qui utilise un encodage spectral incohérent d'amplitude à accès multiple par répartition de codes (SAC-OCDMA). Nous fournissons également un cadre théorique pour modéliser et analyser les BM-CDRs. Nous développons une théorie unifiée probabiliste pour les BM-CDRs, basée sur des techniques de sur-échantillonnage semi-aveugle soit dans le domaine temporel, soit dans le domaine spatial. Cette théorie a été également généralisée pour les CDRs conventionnels et ceux à sur-échantillonnage de N fois. Sur la base de cette théorie, nous effectuons une analyse théorique. Nous évaluons le BER et le PLR des circuits BM-CDRs pour comparer les résultats avec les expériences afin de valider le modèle théorique. Cette analyse couplée avec ces résultats expérimentaux raffinera les modèles théoriques des circuits 'front-end' de mode rafale et des PONs, et fournira des données pour établir des budgets de puissance réalistes