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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Sistemas de transmissão óptica modulados a 100 Gb/s com detecção coerente Aluno: Filipe Bonatti Orientadora: Mônica de Lacerda Rocha SÃO CARLOS 2014

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Page 1: Sistemas de transmissão óptica modulados a 100 Gb/s … · QPSK – quadrature phase-shift keying (chaveamento em quadratura de fase) SBS – Stimulated Brillouin Scattering (dispersão

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Sistemas de transmissão óptica modulados a

100 Gb/s com detecção coerente

Aluno: Filipe Bonatti

Orientadora: Mônica de Lacerda Rocha

SÃO CARLOS

2014

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FILIPE BONATTI

Sistemas de transmissão óptica

modulados a 100 Gb/s com detecção

coerente

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

à Escola de Engenharia de São Carlos, da

Universidade de São Paulo

Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em

Eletrônica

Orientadora: Prof.ª Mônica de Lacerda Rocha

São Carlos

2014

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINSDE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Bonatti, Filipe B697s Sistemas de transmissão óptica modulados a 100 Gb/s

com detecção coerente / Filipe Bonatti; orientadoraMônica de Lacerda Rocha. São Carlos, 2014.

Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica) -- Escola de Engenharia de SãoCarlos da Universidade de São Paulo, 2014.

1. detecção coerente. 2. DP-QPSK. 3. transmissão óptica. I. Título.

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À minha família, noiva e amigos

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Resumo Nos últimos anos, devido à crescente demanda por maior largura de

banda, os sistemas de comunicação óptica têm evoluído de maneira constante.

Tais sistemas têm revolucionado a tecnologia aplicada às telecomunicações.

Novas técnicas têm sido desenvolvidas visando uma maior taxa de transmissão de

dados, como também na tentativa de diminuir os efeitos dispersivos de

propagação que prejudicam o desempenho do sistema. Neste trabalho são

abordados os sistemas ópticos de nova geração, modulados a 100 Gb/s com

detecção coerente. O padrão dessa transmissão é a modulação por fase e

quadratura, em conjunto com a dupla polarização, conhecida como DP-QPSK

(double polarization quadrature phase shift keying). Por meio de uma revisão

bibliográfica, foram estudados os sistemas e subsistemas que compõem a

tecnologia de modulação DP-QPSK. Dentre os subsistemas está o transmissor

coerente, a fonte óptica a laser, usada nesse tipo de modulação, o receptor

coerente e o guia de onda que é o canal de comunicação, ou seja, a fibra óptica

em si. Após a abordagem teórica, foram realizadas simulações com o auxílio do

software Optisystem, com o intuito de verificar o comportamento da transmissão

em diferentes paletas de simulação. Primeiramente, foi observado o

comportamento correto do transmissor laser modulado externamente,

respondendo dentro da faixa esperada de 1552 nm. Um amplificador de fibra

dopada com érbio (EDFA – Erbium-doped fiber amplifier), configurado com um

ganho de 34 dB, foi usado resultando num sinal amplificado com relação sinal-

ruído óptica (OSNR) de 34,04 dB. A detecção coerente sem processamento digital

de sinal (DSP) apresentou espectro e domínio do tempo óptico dentro da banda C

(em torno de 1550nm) e um diagrama de constelação de certa forma poluído. O

sistema back-to-back indicou uma resposta ótima para aplicação em um sistema

real, o que foi confirmado com a última simulação do sistema completo com DSP

(digital signal processor) e 60km de fibra óptica convencional.

Palavras-chave: detecção coerente, DP-QPSK, transmissão óptica

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Abstract During the last years, due to the high demand for bandwidth, the optical

communication systems have evolved in a constant and consistent way. Those

systems have changed the technology applied in telecommunications. New

techniques have been developed seeking a higher transmission rate, as well as in

an attempt to decrease the propagation effects that damage the system

performance. The main focus of this work is the new generation of optical systems,

which are modulated at 100 Gb/s with coherent detection. The basis of this

transmission is the phase and quadrature modulation, as well as the double

polarization multiplexing, known as DP-QPSK (double polarization quadrature

phase shift keying). Based on a bibliographic review, the systems and subsystems

that compose the technology of DP-QPSK transmission have been studied. Among

these subsystems, there is the coherent transmitter, the optical source, the

coherent receiver and the communication channel, in other words, the optical fiber.

After the description of the key technologies used in these systems, some

simulations were made with a software called Optisystem. First, the correct

behavior of externally modulated laser transmitter has been observed, responding

within the expected range of 1552 nm. The EDFA amplifier, configured with a gain

of 34 dB, allowed the transmission of signal with OSNR (optical signal to noise

ratio) of 34.04 dB. The coherent detection without DSP has presented an

acceptable spectrum and a clear optical time domain response, but a polluted

constellation diagram. The back-to-back system has had an excellent response for

an application in a real system (optical fiber as a communication channel), which

was confirmed with the last simulation of the complete system with a DSP and a

fiber span of 60km.

Keywords: coherent detection, DP-QPSK, optical transmission

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Índice de Figuras Figura 1. Configuração de um transmissor óptico genérico [1] .................................. 21

Figura 2. Dois processos fundamentais ocorrendo entre dois estados de energia

(E1 e E2) de um átomo: (a) emissão espontânea; (b) emissão estimulada [1]....... 22

Figura 3. Modulador MZM [3] ........................................................................................... 24

Figura 4. MZM operando no ponto de mínima transmitância (chaveamento binário

de fase) [3] .......................................................................................................................... 25

Figura 5. Modulador IQ e diagrama da dupla polarização [5] .................................... 26

Figura 6. Constelação BPSK ........................................................................................... 27

Figura 7: (a) e (b) Formação da constelação final QPSK [2] ...................................... 28

Figura 8. Estrutura de uma fibra óptica .......................................................................... 30

Figura 9. Configuração básica de um EDFA [11] ......................................................... 33

Figura 10. Princípio da detecção coerente [3]. ............................................................. 34

Figura 11. Recepção óptica coerente com híbrida 2 x 4 90º [5] ................................ 36

Figura 12. Simulação para análise do laser modulado externamente ...................... 40

Figura 13. Comparativo da resposta do osciloscópio de entrada com a saída

modulada ............................................................................................................................. 41

Figura 14. Espectro Óptico na saída do modulador externo aplicado a um laser .. 41

Figura 15. Paleta de simulação básica para o amplificador óptico EDFA ................ 42

Figura 16. Analisador WDM e verificação dos resultados para o amplificador EDFA

.............................................................................................................................................. 43

Figura 17. Ruído aplicado ao amplificador EDFA ........................................................ 44

Figura 18. Espectro de saída (em vermelho) do amplificador EDFA; ruído em

verde .................................................................................................................................... 45

Figura 19. Detecção Coerente DP-QPSK sem aplicação do DSP ........................... 46

Figura 20. Domínio do tempo óptico antes/depois da transmissão na fibra ............ 47

Figura 21. Espectro óptico antes/depois da transmissão na fibra ............................. 48

Figura 22. Diagrama de constelação em X e Y para a detecção coerente sem DSP

.............................................................................................................................................. 48

Figura 23. Sistema 100 Gb/s DP-QPSK back-to-back com aplicação de DSP ..... 50

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Figura 24. Diagrama de constelação em X e Y; configuração back-to-back com

DSP ...................................................................................................................................... 51

Figura 25. Sistema completo modulado a 100 Gb/s com detecção coerente e

processamento digital de sinal ........................................................................................ 53

Figura 26. Diagrama de constelação do sistema completo DP-QPSK ..................... 54

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Lista de abreviaturas e siglas

ADC – Analog Digital Converter (conversor analógico digital)

AGC – automatic gain control (controle automático de ganho)

B2B – back-to-back

BER – bit error rate (taxa de erro de bit)

BPSK – binary phase shift keying (chaveamento binário de fase)

CWDM – coarse wavelength division multiplexing (multiplexação por divisão em

comprimento de onda com baixa granularidade)

DP – dual polarization (dupla polarização)

DP-QPSK – dual polarization quadrature phase-shift keying (chaveamento em

quadrature de fase e em dupla polarização)

DSP – Digital Signal Processor (processador digital de sinal)

DWDM – dense wavelength division multiplexing (multiplexação densa por divisão

em comprimento de onda)

EDFA - erbium-doped fiber amplifier (amplificador a fibra dopada com érbio)

IQ – in-phase and quadrature (em fase e quadratura)

LED – Light-emitting diode (diodo emissor de luz)

LiNbO3 – Niobato de Lítio

LO – local oscillator (oscilador local)

MZM – Mach-Zehnder Modulator (Modulador Mach-Zehnder)

NRZ – non return to zero (não retorna a zero)

OOK – on-off keying (modulação liga-desliga)

OSNR – optical signal to noise ratio (relação sinal-ruído óptica)

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PBC – polarization beam combiner (combinador de feixe de polarização)

PBS – polarization beam splitter (divisor de feixe de polarização)

PM – polarization multiplexing (multiplexação em polarização)

PSK – phase-shift keying (chaveamento de fase)

Q – quadrature (quadratura)

QPSK – quadrature phase-shift keying (chaveamento em quadratura de fase)

SBS – Stimulated Brillouin Scattering (dispersão de Brillouin estimulada)

SNR – signal to noise ratio (relação sinal ruído)

SRS – Stimulated Raman Scattering (dispersão de Raman estimulada)

TIA – transimpedance amplifier (amplificador de transimpedância)

WDM – wavelength division multiplexing (multiplexação por divisão em

comprimento de onda)

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Sumário Índice de Figuras ............................................................................................................. 10

Lista de abreviaturas e siglas ...................................................................................... 13

1 Introdução ................................................................................................................. 17

2 Sistemas e subsistemas ópticos coerentes ..................................................... 21

2.1 Transmissor ....................................................................................................... 21

2.1.1 Fonte Óptica – Laser ................................................................................. 22

2.1.2 Modulador DP-QPSK ................................................................................ 24

2.2 Fibra Óptica ........................................................................................................ 30

2.3 Amplificador EDFA ........................................................................................... 32

2.4 Receptor DP-QPSK ........................................................................................... 34

3 Simulações e resultados ....................................................................................... 39

3.1 Transmissor – Laser modulado externamente ......................................... 39

3.2 Amplificador óptico EDFA .............................................................................. 42

3.3 Detecção Coerente DP-QPSK ........................................................................ 45

3.4 100 Gb/s DP-QPSK na configuração back-to-back .................................. 49

3.5 100 Gb/s DP-QPSK com Processamento Digital de Sinal ..................... 52

4 Conclusão .................................................................................................................. 57

Referências ....................................................................................................................... 59

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1 Introdução

Sistemas de comunicação são definidos como um conjunto de mecanismos

que possibilitam processar e transportar a informação desde a origem até o

destino. A grande demanda por largura de banda e potência ao longo das últimas

décadas levaram ao desenvolvimento da comunicação óptica, que trata da

utilização de portadoras de alta frequência (~100 THz), empregando a fibra óptica

como canal de transmissão [1]. Tais sistemas têm revolucionado a tecnologia de

telecomunicações desde 1960, com a invenção e demonstração do laser [1].

Provedores de serviço de internet estão sempre à procura de incrementar a

capacidade dos sistemas e aumentar a eficiência espectral dos mesmos em suas

redes [2]. O progresso desde então tem evidenciado um fator de aumento na taxa

de bits maior que 100.000 nos últimos 40 anos, como também um salto na

distância de transmissão de 10km para 10.000km, considerando o mesmo período

[1].

Com o objetivo de aprimorar a comunicação por meio da fibra óptica, vários

aspectos foram gradualmente melhorados, como o processo de fabricação das

próprias fibras ópticas, que, apesar de possuírem perdas tão pequenas quanto

0.2dB/km, reduzem a potência do sinal a cerca de 1% de seu valor inicial após

100km de transmissão [1]. Com isso, torna-se necessário a utilização de

repetidores e amplificadores para transmissões de longa distância. Outra

preocupação é a ocorrência de efeitos de propagação, como a dispersão

cromática, limitando o desempenho do sistema de comunicação pelo alargamento

temporal dos pulsos ópticos, na medida que se propagam dentro da fibra. Como já

foi dito, outro fator limitante causado pela atenuação do sinal na fibra, reduz a

potência do mesmo que chega ao receptor e, dependendo da distância de

transmissão, eventualmente a recuperação do sinal elétrico com precisão torna-se

inviável [1]. Além dos terminais (transmissor e receptor), os amplificadores EDFA

marcaram no final da década de 80 a segunda geração dos sistemas ópticos com

o início da comercialização dos sistemas com multiplexação por divisão em

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comprimento de onda (WDM – wavelength division multiplexing), modulação da

amplitude da portadora óptica e detecção direta, que chegaram a taxas de

transmissão de até 40 Gb/s/canal, mas comumente utilizando a taxa de 10

Gb/s/canal, devido à menor largura espectral necessária, uma evolução

comparada à taxa de 2,5 Gb/s da primeira geração de sistemas WDM [3]. O

sucesso comercial dos sistemas a 10 Gb/s, de 1995 até 2000, acarretou em uma

redução de custo no volume de componentes fabricados em 10 Gbaud (taxa de

símbolos). No domínio elétrico, a abrangência do circuito CMOS a base de silício

substituiu os eletrônicos compostos pelos elementos III-V nessas aplicações, em

decorrência do seu menor preço, grande escala de integração (alto número de

transistores) e baixa potência dissipada [4].

Uma das formas de análise do desempenho de um sistema de

comunicação óptica é caracterizada pela estimativa de erros de bit (BER, bit error

rate). A BER pode ser definida como a probabilidade média da identificação

incorreta de um bit. Os sistemas ópticos atuais exigem a especificação de um BER

de cerca de 10-12, que está diretamente relacionado a um importante parâmetro, a

sensibilidade do receptor [1]. Um receptor é classificado como sendo mais

sensível se ele alcança o mesmo desempenho com uma menor potência óptica

incidente. Essa sensibilidade é usualmente definida como a mínima potência

óptica média requerida para um dado valor de BER. Também é dependente da

OSNR, sendo esta ocasionada pelas várias fontes de ruído que corrompem o sinal

recebido, e a mais importante fonte de ruído óptico acumulado durante a

transmissão é o EDFA [1].

Nos últimos anos, com o aumento da demanda por banda, as técnicas de

modulação do sinal transmitido evoluíram para formatos de modulação que

passaram a exigir uma correspondente evolução na técnica de recepção dos

sinais modulados bem como a introdução de novos recursos para compensação

de efeitos de propagação que degradam o desempenho do sistema. Desta forma,

na década passada, ressurgiram os receptores coerentes, inicialmente

pesquisados na década de 80, que permitem a recuperação completa da

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informação proveniente do sinal óptico modulado em altíssimas taxas (a partir de

40Gb/s) para o domínio elétrico.

Com base no exposto acima, este trabalho tem por objetivo estudar os

sistemas ópticos de nova geração, com taxas de transmissão por canal

alcançando os atuais 100 Gb/s, a taxa mais alta dos equipamentos comerciais em

operação. É abordada a forma padronizada para sistemas que utilizam essa taxa

de bits, cujo padrão foi estabelecido em 2010 pelo Optical Internetworking Forum

(OIF) [5], na qual é formada pela combinação da modulação de fase em

quadratura (QPSK – quadrature phase shift keying) e da dupla polarização (DP –

dual polarization), que aumenta a eficiência espectral para 2 b/s/Hz, quatro vezes

maior que a convencional modulação não-coerente on-off keying (OOK) [6]. Após

o receptor coerente DP-QPSK, o uso de processamento digital de sinal é

essencial para compensar os efeitos degradantes ocasionados pela fibra óptica e

por todos os dispositivos ao longo da transmissão [7]. Essas distorções são

classificadas como efeitos não-lineares, causados pelas propriedades únicas do

vidro (sílica) usado na fabricação das fibras ópticas e efeitos lineares. Mesmo que

a sílica não seja um material intrinsicamente não-linear, a geometria do guia de

onda que realiza o confinamento da luz em uma pequena seção através de um

grande comprimento de fibra resulta na importância da análise desses efeitos nos

modernos sistemas de transmissão óptica [1].

O formato de modulação adotado internacionalmente pelo OIF codifica 4

bits por símbolo (para o in-phase (I) e quadrature-phase (Q), componentes de

cada polarização na multiplexação) [2]. O transmissor consiste de estruturas

agrupadas do modulador Mach-Zehnder (MZM). O receptor coerente exige o

batimento do sinal de luz recebido com um laser oscilador local (LO) sintonizado

com o sinal. Divisores do feixe de polarização (PBS, polarization beam splitter) e

híbridas ópticas estão incluídas na estrutura do receptor, fornecendo a polarização

e diversificação de fase [2]. Uma vantagem essencial é que o estimador de fase

da portadora (CPE), a polarização e a demuliplexação I&Q são todas alcançadas

no domínio eletrônico pelo uso dos avançados conversores Analógicos-Digitais

(ADC) e de DSP [2].

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No capítulo 2 são abordadas as características individuais de sub-sistemas

para a transmissão óptica a 100 Gb/s, que são divididos em: transmissor DP-

QPSK, o canal de comunicação (fibra óptica) com análise de dispersão e efeitos

da polarização, o amplificador EDFA e o receptor coerente.

No capítulo 3 são realizadas simulações e verificação dos resultados por

meio do software Optisystem 13.0, considerando a característica individual de

cada sub-sistema e posteriormente o sistema completo, por meio de diagramas de

olho, BER, estados de polarização, fator Q, diagramas de constelação e relação

sinal-ruído óptica (OSNR).

O capítulo 4 conclui o trabalho abordando todo o resultado obtido e analisa

de uma forma geral as considerações do assunto estudado.

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21

2 Sistemas e subsistemas ópticos coerentes

2.1 Transmissor

O papel do transmissor é converter um sinal elétrico de entrada em um

correspondente sinal óptico para então enviá-lo à fibra óptica. A figura 1 ilustra

uma configuração padrão para um transmissor óptico com moduação externa ao

laser.

O transmissor genérico é composto por uma fonte óptica, um modulador e

um acoplador de canal. A fonte óptica é responsável pela geração do sinal de luz,

que servirá como portadora do sinal elétrico. O modulador tem a função de inserir

o sinal elétrico (pulso de bits) na portadora, possuindo diversas maneiras de

realizar a modulação, dentre elas a modulação com dupla polarização por fase e

quadratura. O acoplador de canal realiza a conexão com a fibra óptica,

promovendo a mínima perda do sinal gerado para a transmissão.

Lasers semicondutores ou LEDs são usados como fonte óptica devido à

sua compatibilidade no uso da transmissão por meio de feixe de luz. A emissão de

luz pode ocorrer através de dois processos fundamentais, conhecidos como

emissão espontânea e emissão estimulada [1]. No caso da emissão espontânea,

os fótons são emitidos em direções aleatórias com suas fases não relacionadas

Figura 1. Configuração de um transmissor óptico genérico [1]

Fonte Óptica Modulador Acoplador de

Canal

Saída Óptica

Sinal Elétrico

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entre si. Em contraste, na emissão estimulada, o processo é iniciado em um fóton

já existente, sendo que o fóton emitido é semelhante ao estimulado não só em

energia (ou em frequência), mas também em outras características, como direção

de propagação e fase. A diferença entre os dois processos está ilustrada na figura

2. Na figura 2 (a), oberva-se a emissão de um quantum (diferença de energia

entre E2 e E1) no fóton de forma espontânea, onde h representa a constante de

plank (6,626069 x 10-34 J.s) e v é a frequência da radiação. Em 2 (b), temos a

representação de dois quantums estimulados por um terceiro. Todos os tipos de

lasers, incluindo lasers semicondutores, emitem luz através da emissão

estimulada, sendo essa classificada como emissão de luz coerente. LEDs emitem

luz pelo processo incoerente da emissão espontânea e, portanto, não podem ser

usados em transmissores ópticos coerentes, objeto de estudo deste trabalho [1].

2.1.1 Fonte Óptica – Laser

Como resultado de suas características citadas em 2.1, lasers são capazes

de emitir altas potências (~ 100mW), além de possuírem outras vantagens

relacionadas à natureza coerente de sua luz emitida. Dentre elas, encontram-se a

Figura 2. Dois processos fundamentais ocorrendo entre dois estados de energia (E1 e E2) de um átomo: (a) emissão espontânea; (b) emissão estimulada [1]

E2

E1

E2

E1

hv hv

hv

hv

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alta eficiência de acoplamento (~ 50%) em fibras monomodo, devido a um

espalhamento angular estreito na saída do feixe de luz; possibilidade de operação

em altas taxas de bits (≥ 10 Gb/s), em consequência da estreita largura espectral

da luz emitida [1].

Idealmente, o laser seria uma fonte que emite intensidade de luz, fase e

frequência fixas. Os estudos atuais sempre buscam alcançar o dispositivo real

muito próximo do ideal, principalmente pelo fato de que os sistemas que trabalham

com a transmissão e detecção coerente são sensíveis ao ruído de fase e desvios

de frequência encontrados em lasers comerciais, quando estes empregam alta

ordem de modulação com fases em estados distintos [3].

Podemos considerar o laser como uma fonte de luz contínua. Dessa forma,

considerando o ruído de fase e amplitude, o campo elétrico normalizado de um

laser é modelado pela equação [1], [8]:

, (1)

onde representa a potência média normalizada do laser, é a flutuação

normalizada de potência induzida pelos fótons originados de emissão espontânea,

é a frequência de operação do laser (em radianos por segundo), é a fase do

laser no instante inicial (em radianos), é o ruído de fase (em radianos) e é o

vetor direção da polarização do campo.

O ruído de fase no laser é causado pela emissão espontânea de fótons,

sendo que estes fótons não são gerados em fase com os fótons da emissão

estimulada, com isso, possuem fase aleatória. Sabendo que um grande número

de eventos aleatórios causa mudanças na fase (emissões espontâneas), a

variação da fase pode ser modelada por uma gaussiana. Essas divergências

podem causar um efeito limitante no sistema de transmissão, especialmente para

modulações de alta ordem com vários estados de fase e com a aplicação de

detecção coerente.

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24

2.1.2 Modulador DP-QPSK

A função do modulador no transmissor óptico é realizar a modulação de

uma portadora por um sinal contendo informação. Normalmente utiliza-se a fase, a

amplitude ou a frequência do sinal transmitido como responsável por conter a

informação modulada. No caso das comunicações ópticas, uma outra variável

pode conter a informação modulada, que é a polarização do sinal [5].

A base da modulação aplicada na polarização está no conceito de

multiplexar informação em planos ortogonais de polarização de uma portadora

óptica. Essa ortogonalidade permite que o receptor coerente separe a informação

transmitida em cada polarização.

Para que ocorram baixas perdas de inserção, ampla largura de banda

eletro-óptica e eliminar a introdução de frequências de gorjeio, o modulador mais

comum utilizado é o do tipo MZM [9], normalmente construído por guias de onda

em um substrato de niobato de lítio ( , ilustrado na figura 3. Com um campo

elétrico aplicado, é possível modular o índice de refração do guia de onda, que por

sua vez altera a velocidade de propagação do sinal óptico. O MZM é composto por

dois moduladores de fase, basicamente, atuando no princípio da interferência.

Figura 3. Modulador MZM [3]

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25

O MZM pode ser configurado para atuar tanto na modulação de amplitude

OOK, como na modulação de fase, que nesse caso seria a modulação BPSK

(binary phase-shift keying). Como o sinal coerente abordado exige a modulação

na fase, o ponto de operação é o ponto de mínima transmitância, sendo

com variando com amplitude de , como representado na figura 4 [3].

A modulação BPSK tem vantagem de 3dB em relação a OSNR mínima

necessária na recepção, se comparado à modulação OOK.

Outra estrutura que se faz necessária para alcançar a modulação DP-QPSK

é o modulador IQ (In-phase and Quadrature). Este modulador é composto por dois

MZM e um modulador de fase, como mostrado na figura 5. O sinal de entrada é

igualmente dividido entre os braços de fase (I) e quadratura (Q), onde o sinal que

sai do braço de quadratura passa pelo modulador de fase, que o atrasa em 90°,

de modo que as saídas em I e Q fiquem ortogonais. No esquema completo, temos

Figura 4. MZM operando no ponto de mínima transmitância (chaveamento binário de fase) [3]

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26

o seguinte funcionamento. Uma portadora laser, contínua, entra no modulador e é

dividida em dois feixes de mesma potência. Cada feixe segue para um arranjo de

dois moduladores MZM, como mostrado anteriormente, e assim, como os MZMs

operam em conjunto, é implementado uma modulação em fase e quadratura (IQ)

no feixe correspondente. Portanto, o sistema é composto por dois moduladores

IQ. Os feixes, então, são somados em ortogonalidade de polarização, operando a

multiplexação em polarização do transmissor. Finalmente, a saída do modulador é

um sinal com duas polarizações ortogonais (X e Y), cada uma modulada em fase

e quadratura [3], [5]. Esses sinais X e Y sofrem rotação de fase de 90º entre si e

são combinados gerando a constelação QPSK. Até esse ponto, os sinais possuem

a mesma polarização, sendo necessário a rotação do sinal óptico no braço Y e,

assim, após ser combinado com o sinal óptico do braço X, resulta em dois sinais

ortogonais com modulação QPSK. Estes sinais são somados por meio de um

combinador de feixe de polarização (PBC). As figuras 5, 6 e 7 ilustram o objetivo

do transmissor DP-QPSK [3], [5].

Figura 5. Modulador IQ e diagrama da dupla polarização [5]

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27

A formação da constelação BPSK, ilustrada na figura 6 e operando no

ponto indicado pela figura 4, obedece o seguinte equacionamento:

, (2)

(3)

Na equação 2, temos a representação do bit 1 na modulação binária por

fase, com amplitude 1 e fase 0°. Já na equação 3, o bit 0 é representado com

amplitude 1 e fase 180°, totalizando uma variação na amplitude de , conforme

o ponto de operação definido para a BPSK.

Figura 6. Constelação BPSK

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28

A formação da constelação completa QPSK ilustrada na figura 7 pode ser

entendida pelo seguinte conjunto de equações:

(4)

Figura 7: (a) e (b) Formação da constelação final QPSK [2]

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29

O conjunto binário entre parênteses nas equações são os bits

representativos daquele respectivo quadrante da modulação final QPSK. Pelo

equacionamento, é possível identificar o 1º quadrante como (1 1), o 2º como (0 1),

no 3º temos (0 0) e no 4° o conjunto (1 0).

Com isso, é definida a codificação de 2 bits por símbolo e, como é realizada

a dupla polarização, tem-se o total de 4 bits por símbolo.

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30

2.2 Fibra Óptica Uma fibra óptica é um guia de onda dielétrico que opera em frequências

ópticas. Este guia de onda em fibra é normalmente cilíndrico. Ele confina energia

eletromagnética na forma de luz entre suas superfícies e guia a luz em uma

direção paralela ao seu eixo. As propriedades da transmissão de um guia de onda

óptico são ditadas por suas características estruturais, sendo estas determinantes

na forma como um sinal óptico se propaga ao longo da fibra. A estrutura indica

basicamente a capacidade de transportar informação da fibra e também influencia

a resposta do guia de onda em relação às perturbações ambientais [10].

A propagação da luz ao longo de um guia de onda pode ser descrita em

termos de um conjunto de ondas eletromagnéticas guiadas conhecidas como

modos do guia de onda. Esses modos representam as ondas que satisfazem a

equação de onda homogênea na fibra e as condições de fronteira nas superfícies

do guia de onda [10].

A estrutura padrão para uma fibra óptica é a que contém um único cilindro

dielétrico sólido, conhecido como o núcleo da fibra. Esse núcleo possui um

revestimento dielétrico sólido que tem um índice de refração menor que o núcleo,

ocasionando a reflexão total da luz incidente. A estrutura pode ser vista na figura 8

[10].

Figura 8. Estrutura de uma fibra óptica

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31

Apesar da construção robusta de um cabo de fibra óptica, a estrutura está

sujeita a perdas durante a transmissão. Esta informação está relacionada à

existência de três diferentes mecanismos de absorção: defeitos atômicos na

composição do vidro; absorção intrínseca dos átomos de impureza no material do

vidro; e absorção intrínseca dos átomos básicos que constituem o material da fibra

[10]. Fibras monomodo têm a vantagem de que a dispersão intermodal é ausente

simplesmente porque a energia do pulso injetado é transportada por um único

modo. Entretanto, o alargamento de pulso continua presente. A velocidade de

grupo associada com o modo fundamental é dependente da frequência causada

pela dispersão cromática. Como resultado, componentes de diferentes espectros

do pulso trafegam em velocidades de grupo ligeiramente diferentes, um fenômeno

conhecido como dispersão de fibra (efeitos lineares) [10].

Perdas na fibra durante a transmissão representam um fator limitante da

consequente redução na potência do sinal que alcança o receptor. Outros fatores

limitantes encontrados são a necessidade de uma mínima potência inicial no

transmissor, além dos efeitos não-lineares. Em altos níveis de potência, os efeitos

mais relevantes são a dispersão de luz estimulada e a modulação de fase não-

linear [1]. Como o processo de dispersão de luz estimulada é inelástico, ocorre

uma consequente redução no espectro da frequência, chamado de dispersão

estimulada de Brillouin (SBS). O aspecto físico por trás desse processo é a

tendência dos materiais se comprimirem na presença de um campo elétrico, termo

definido como eletrostrição. Outra característica é observada na dispersão

estimulada de Raman (SRS), que ocorre quando o sinal de bombeamento é

disperso pelas moléculas de sílica. Alguns fótons desse sinal liberam suas

energias para criar outros fótons de energia reduzida em baixas frequências; a

energia restante é absorvida pelas moléculas de sílica, que acarreta em um

excitado estado de vibração [1].

Sabendo que os receptores ópticos precisam de uma certa quantidade

mínima de potência para recuperar o sinal com precisão, a distância de

transmissão é diretamente dependente da quantidade de perdas que ocorrem na

fibra. De fato, o uso de fibras de sílica para comunicações ópticas tornaram-se

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32

práticas somente quando as perdas foram reduzidas para um nível aceitável

durante a década de 70. Com o advento dos amplificadores ópticos na década de

90, as distâncias de transmissão alcançaram milhares de quilômetros pela

compensação periódica de perdas acumuladas. Entretanto, fibras de baixa perda

ainda são necessárias, pelo fato de que o espaço entre amplificadores ópticos é

determinado pelas perdas na própria fibra. Nos sistemas WDM atuais, as perdas

são compensadas periodicamente usando os amplificadores de fibra dopada com

érbio separados por 60 a 80 km [1].

2.3 Amplificador EDFA Existem vários tipos de amplificadores a fibra dopada, sendo que o mais

conhecido é o amplificador a fibra de sílica dopada com érbio (EDFA). Os EDFAs

apresentam um circuito óptico interno, com a sua configuração mais básica

composta por um laser de bombeio, cuja função é fornecer energia óptica para

que ocorra amplificação em um determinado comprimento de fibra dopada com

érbio, acopladores multiplexadores de bombeio e sinal, promovendo a inserção

simultânea das potências do sinal e do bombeio na fibra dopada, e também a

presença de isoladores, permitindo o funcionamento estável do amplificador [11].

A figura 9 ilustra o que é conhecida como a configuração básica de um

EDFA. Nesse circuito, o sinal a ser amplificado e o bombeio se propagam pela

fibra dopada na mesma direção, o que dá o nome de bombeio copropagante à

esta configuração.

O maior impacto provocado pelo advento do amplificador EDFA refere-se

à implantação de sistemas de multiplexação por divisão do comprimento de onda

denso (DWDM) em longas distâncias, que aumentou de forma extraordinária a

capacidade de transmissão (Gb/s.km) das redes existentes de comunicação

óptica, enquanto sistemas de multiplexação por divisão do comprimento de onda

com baixa granularidade (CWDM, coarse WDM) são muito usados em redes

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33

metropolitanas de acesso [11]. Hoje em dia o amplificador também é usado nos

métodos mais avançados de modulação, como o DP-QPSK.

Figura 9. Configuração básica de um EDFA [11]

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34

2.4 Receptor DP-QPSK

A detecção coerente de um sinal óptico implica na sincronia com o sinal

óptico de um laser oscilador (LO – local oscilator). Existem 3 categorias de

recepção coerente quanto à fase e a frequência do sinal; homódino, heteródino e

intradino. A operação linear que leva o sinal modulado do domínio óptico para o

domínio elétrico no receptor pode ser entendida da seguinte forma. Teoricamente,

no receptor homódino, o laser LO e o laser de sinal tem a mesma frequência e as

suas fases diferem de 0 (ou múltiplo de 2 ). A vantagem do receptor homódino é

ter sua melhor sensibilidade, com até 3dB superior ao heteródino. No intradino, a

diferença de frequência não é zero entre os lasers, mas é muito próxima a isso,

com seu desvio podendo ser compensado digitalmente [3]. Este último tipo de

receptor é o utilizado nos novos sistemas de transmissão coerentes, por isso a

apresentação mais detalhada do mesmo seguirá deste ponto.

Como mencionado anteriormente, o princípio da detecção coerente dá-se

no batimento do laser de sinal com o laser do LO, podendo ser realizado no

acoplador de 3dB mostrado na figura 8. [3].

Figura 10. Princípio da detecção coerente [3].

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35

No entanto, em sistemas com modulação em fase, o acoplador de 3dB não

fornece combinações suficientes de sinal para recuperar os dois componentes I e

Q da transmissão coerente, sendo assim, deve-se substituir tal acoplador pelas

chamadas híbridas de 90º.

As híbridas estabelecem a detecção separada dos componentes em fase (I)

e quadratura (Q) do sinal em banda base. A configuração básica usada na

construção dos receptores coerentes é denominada como híbrida 2 x 4 90º, cuja

representação está na imagem 11. Neste tipo de receptor, a híbrida deve possuir

duas entradas, uma para o sinal e outra para o LO, com quatro saídas defasadas

de 90º entre elas, como mostra a relação a seguir [3]:

(5)

Tendo como referência a figura 11, as correntes das componentes em fase

e quadratura podem ser formuladas como em (6). Observa-se que a componente

em fase usa os sinais e , enquanto a componente em quadratura

utiliza e , que diferem de fase em 180° entre si [3], [5].

(6)

Utilizando (5) e as formulações da equação geral do campo elétrico,

podemos definir e como [3], [5]:

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36

(7)

Observa-se, como esperado, que as componentes de fase e quadratura

estão defasadas de 90°.

Acoplando-se dois PBSs e duas híbridas, tem-se o receptor coerente com

diversidade de polarização e fase [3].

Figura 11. Recepção óptica coerente com híbrida 2 x 4 90º [5]

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37

Esta estrutura é o padrão para detecção coerente de sinais modulados em

fase e quadratura. Os sinais de saída das híbridas em fase e quadratura para

cada polarização são fotodetectados e, posteriormente, o amplificador de

transimpedância (TIA – transimpedance amplifier) e um circuito de controle

automático de ganho (AGC – automatic gain control) convertem a fotocorrente

para uma tensão correspondente de saída [2], [3].

As equações finais do detector coerente são formuladas em (8), com a

adição do ruído de fase dos lasers [3].

(8)

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38

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39

3 Simulações e resultados

Para as simulações e análises dos resultados, foi utilizado o software

Optisystem, versão 13.0, da empresa Optiwave. Este software permite aos

usurários planejar, testar e simular meios ópticos na camada de transmissão de

redes ópticas modernas [12].

Primeiramente, foram realizados alguns tutoriais e demonstrações para

aprendizado no uso da ferramenta, já aplicando diretamente os conceitos

necessários para a configuração do sistema de transmissão completo a 100 Gb/s,

com detecção coerente.

Com a abordagem de cada elemento, separadamente, que compõe o

sistema de transmissão óptica a 100 Gb/s com detecção coerente, foi possível

estabelecer a configuração final para a abordagem completa e analisar as

informações pertinentes à transmissão, como diagramas de olho, BER, diagramas

de constelação, entre outras análises.

3.1 Transmissor – Laser modulado externamente

A primeira análise consistiu em um transmissor modulado por um MZM,

com o sinal elétrico proveniente de um gerador de bits pseudo-aleatórios, seguido

de um gerador de pulso NRZ (nonreturn-to-zero). O resultado individual de cada

passo pode ser visualizado no osciloscópio presente na saída do gerador de

pulso, como também pelo analisador do espectro óptico e visualizador no domínio

do tempo óptico, na saída de modulador MZM. A configuração está ilustrada na

figura 12.

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40

A sequência de bits foi gerada na taxa de 2,5 Gb/s, considerando o

parâmetro desta paleta como informativo para as próximas simulações, apenas

demonstrando o funcionamento da modulação externa do laser. Observando a

resposta do osciloscópio em comparação com a resposta no domínio do tempo

óptico, presentes na figura 13, conclui-se que o modulador operou de forma

eficiente, proporcionando um sinal de saída muito próximo do original, com a

potência do sinal se mantendo em 1mW (0 dBm).

No espectro óptico nota-se a resposta desejada conforme configuração da

frequência de operação do laser, 193,1 THz, correspondente a um comprimento

de onda de 1,552 nm. Esta resposta pode ser visualizada na figura 14.

Figura 12. Simulação para análise do laser modulado externamente

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41

Figura 14. Espectro Óptico na saída do modulador externo aplicado a um laser

Figura 13. Comparativo da resposta do osciloscópio de entrada com a saída modulada

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42

Na figura 14, ajustando a escala de x (comprimento de onda) para o

automático, obteve-se uma melhor visualização do espectro óptico, com o sinal

dentro da faixa de operação esperada, a C-band, que compreende o comprimento

de onda de 1.53µm a 1.57µm. A potência do sinal foi reduzida de 0dBm (ajustado

no laser) para -2.62dBm na saída.

3.2 Amplificador óptico EDFA

Nessa paleta foi realizada a simulação do conceito básico de um

amplificador EDFA, constituído por um multiplexador que recebe dois sinais,

provenientes dos lasers de sinal e bombeio. A saída do multiplexador é ligada na

fibra dopada por érbio, e assim a análise de espectro e a análise do ganho do

sinal óptico podem ser feitas. A figura 15 ilustra a configuração citada.

Figura 15. Paleta de simulação básica para o amplificador óptico EDFA

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43

O laser CW utilizado possui comprimento de onda de 1552 nm (dentro da

banda C), com potência de -20dBm para simular a recuperação do sinal pelo

amplificador durante a transmissão na fibra dopada por érbio. O laser de bombeio

deve possuir uma potência capaz de prover um ganho para o sinal, sendo essa

ajustada para 100 mW. A figura 16 mostra os parâmetros do analisador de WDM.

Nota-se um ganho de ~34 dB e OSNR de 34,04 dB para o amplificador EDFA.

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44

As figuras 17 e 18 ilustram o ruído aplicado e o espectro de saída do

amplificador EDFA, respectivamente, com o sinal de saída apresentando 19,63 dB

no comprimento de onda de 1552 nm (em vermelho). O ruído apresentou potência

máxima de -30dBm no comprimento de onda analisado. O eixo x da figura 18 foi

ajustado para uma visualização tanto do sinal de saída como o ruído, na faixa de

1,52nm a 1,57nm. O sinal aparenta ser estreito devido ao grande espalhamento

espectral que o ruído abrange, sendo necessária a aplicação de um filtro óptico na

saída do amplificador, como será visto nas próximas simulações.

Figura 17. Ruído aplicado ao amplificador EDFA

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45

3.3 Detecção Coerente DP-QPSK

Após a análise do funcionamento do transmissor óptico padrão em 3.1 e da

análise do amplificador EDFA em 3.2, os novos sistemas de transmissão

modulados por fase e quadratura com detecção coerente podem agora ser

simulados.

Primeiramente, foi configurado o sistema presente na figura 19, sem a

aplicação do DSP, que será introduzido posteriormente para comparação dos

resultados em 3.4 e 3.5.

Figura 18. Espectro de saída (em vermelho) do amplificador EDFA; ruído em verde

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46

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A tabela a seguir ilustra os parâmetros utilizados nesta simulação:

Potência do sinal

Distância transmitida

Mínimo BER

Potência Receptor

Comprimento de onda

Controle de Loop

0dBm 50km 10-9 10dBm 1552nm 1

Através da figura 19, observa-se nesse sistema: transmissor e receptor DP-

QPSK; controle de loop na fibra óptica de 50 km com um EDFA; filtro óptico passa

faixa na saída do amplificador EDFA; atenuador antes do receptor: amplificador e

filtro na saída de cada ramo da quadratura no receptor; decodificador PSK nos

braços X e Y e posterior análise do BER e outros parâmetros.

Nas figuras 20 e 21 temos a comparação no domínio do tempo óptico e do

espectro, respectivamente, após a transmissão percorrer a fibra.

Figura 20. Domínio do tempo óptico antes/depois da transmissão na fibra

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48

Ao analisar a figura 22, que representa a constelação do sinal duplamente

polarizado, vemos a aproximação no que se trata da constelação em quadratura.

Nota-se a clara melhoria e melhor uniformidade do sinal transmitido após

passagem no amplificador EDFA. O início do agrupamento do sinal na

transmissão de cada símbolo representa a necessidade da futura aplicação de um

DSP, como será visto na próxima simulação.

Figura 21. Espectro óptico antes/depois da transmissão na fibra

Figura 22. Diagrama de constelação em X e Y para a detecção coerente sem DSP

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49

3.4 100 Gb/s DP-QPSK na configuração back-to-back

Essa simulação tem como propósito ilustrar a conexão direta entre

transmissor e receptor (B2B – back-to-back) para uma rede óptica de 100 Gb/s

com detecção coerente. A respectiva configuração é um importante critério de

teste da funcionalidade dos parâmetros definidos.

Na análise da figura foi utilizado um DSP na saída do receptor para um

melhor tratamento do sinal transmitido. Entre transmissor e receptor é colocado

um amplificador óptico de 10 dB com figura de ruído em 4 dB, um controle de

OSNR ajustado para 17 dB, além de um filtro óptico gaussiano com largura de

banda de 100 GHz. Foram realizadas 30 iterações no software e o resultado é

observado na figura 24, por meio do diagrama de constelação. Os mesmos

parâmetros analisados em 3.3 foram novamente registrados. A figura 23 ilustra a

configuração.

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50

Fig

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51

Tabela de parâmetros utilizados:

Potência do sinal

Distância transmitida

Mínimo BER

Potência Receptor

Comprimento de onda

OSNR Amplificador

0dBm back-to-

back 10-9 10dBm 1552nm 13 dB 10dB

É possível perceber a nítida diferença que um DSP proporciona no

tratamento do sinal transmitido, comparando as figuras 22 e 24. A concatenação

do sinal em comparação à configuração sem DSP demostra a importância do

tratamento digital que os novos sistemas necessitam, trabalhando às altas taxas

de 100 Gb/s. Observa-se a formação da constelação em fase e quadratura

quando remete-se à figura na abordagem teórica.

Figura 24. Diagrama de constelação em X e Y; configuração back-to-back com DSP

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52

3.5 100 Gb/s DP-QPSK com Processamento Digital de Sinal Após algumas configurações que ajudam a entender a forma de

transmissão a 100 Gb/s com detecção coerente, o sistema completo com DSP é

demonstrado nessa seção. A figura 27 ilustra a configuração utilizada.

A tabela a seguir ilustra os parâmetros utilizados:

Potência do sinal

Distância transmitida

Mínimo BER

Potência Receptor

Comprimento de onda

Controle de Loop

0dBm 60km 10-9 10dBm 1552nm 1

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53

Fig

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54

O sistema foi construído de maneira semelhante ao que foi estudado em

3.4, com a diferença de que agora utiliza-se a fibra óptica para a propagação do

sinal, simulando um sistema real de comunicação óptica.

O comprimento de onda do transmissor foi ajustado para 1552 nm (padrão

para este tipo de transmissão), com potência de 0 dBm. A fibra óptica foi estimada

para um comprimento de 60km, seguida de um amplificador óptico e de um filtro

passa-faixa. Foi utilizado o receptor coerente DP-QPSK, com um atenuador

colocado anteriormente, seguido de um DSP avançado para compensação de

dispersão e controle de polarização. O diagrama de constelação final do sistema

está ilustrado na figura 26.

Observa-se que a resposta foi ainda melhor comparada ao sistema anterior,

devido ao uso do sistema de DSP. Para uma melhor ilustração do que o DSP

fornece, segue a sequência de funções do bloco contido em seu interior.

Primeiramente temos um conversor analógico digital, atuando na transformação

para o sinal elétrico resultante do processo. Em seguida, temos um compensador

de dispersão cromática, para atenuação nas perdas à transmissão na fibra.

Figura 26. Diagrama de constelação do sistema completo DP-QPSK

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Segue-se com o demultiplexador da polarização, e então um estimador de fase da

portadora para a recepção coerente de alta fidelidade.

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56

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57

4 Conclusão

Inicialmente, os conceitos da transmissão óptica com detecção coerente

foram apresentados, incluindo os subsistemas que formam a estrutura do

transmissor coerente, como o transmissor DP-QPSK, a fonte óptica (laser) e o

modulador DP-QPSK, que foi apresentado em detalhes de funcionamento.

Posteriormente, foi realizado um estudo do meio usado para transmissão, que é a

fibra óptica, e então o receptor coerente DP-QPSK foi detalhado. Partindo desse

ponto, os sistemas modulados a 100 Gb/s com detecção coerente puderam ser

analisados.

Na simulação, foram feitas paletas de análise sistêmica abordando o

conceito que envolve os novos sistemas de detecção óptica coerente.

Primeiramente, foi simulado o transmissor modulado externamente na sua forma

genérica para conhecimento, mostrando a aplicação do modulador Mach Zehnder,

que apresentou resultados dentro do esperado. Para o amplificador EDFA, o

resultado foi de 14 dBm de potência óptica, com um ganho de 14 dB na

transmissão. O restante das simulações tratou do sistema de detecção coerente

sem DSP; configurado em back-to-back e do sistema completo com DSP. A

detecção coerente sem tratamento do sinal apresentou resultados que mostram o

quão importante é o processamento digital de sinais, com um diagrama de

constelação esparso. Os resultados apresentados estão de acordo com o

esperado para uma transmissão de grande complexidade em modulação, sendo

que é clara a evolução das características do sistema em DP-QPSK com detecção

coerente, respectivamente ao BER de 10-9 relacionado ao sistema, sendo um

parâmetro definido para essa classe de modulação. Os sistemas coerentes

permitem a recuperação completa da informação proveniente do sinal óptico

modulado em altíssimas taxas (a partir de 40Gb/s) para o domínio elétrico,

fazendo com que esta seja a tecnologia usualmente utilizada nas transmissões de

alto padrão.

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