Comunica¸c˜ oes ´ Opticas Coerentes na Era Digital

Com o aumento na capacidade de transmiss˜ao em sistemas WDM, tecnologias para sistemas coerentes tiveram uma renova¸c˜ao do interesse generalizado a partir dos anos 2000. A principal motiva¸c˜ao consistia em desenvolver t´ecnicas para atender a crescente demanda por largura de banda, taxas cada vez mais elevadas e formatos de modula¸c˜ao multin´ıvel com base em tecnologias coerentes. O primeiro passo no renascimento da pesquisa sobre comunica¸c˜oes ´opticas com detec¸c˜ao coerente foi desencadeada pela demonstra¸c˜ao experimental da modula¸c˜ao/demodula¸c˜ao QPSK ´optico, utilizando a configura¸c˜ao mostrada na Figura 25. Neste esquema de modula¸c˜ao, ´e poss´ıvel dobrar a taxa de bits, mantendo a taxa de s´ımbolo (Kikuchi 2016).

A fase seguinte emergiu com DSP de elevada velocidade de processamento. No campo das comunica¸c˜oes via r´adio, t´ecnicas digitais tˆem sido amplamente aplicadas a transmissores e receptores.

π/2

π/2

DAC

DAC

DSP

PD1

-

-

ADC

ADC

DSP

Portadora

Óptica

PD2

PD3

PD4

Dados

TX

Dados

RX

Sinal

Óptico

Sinal

Óptico

(a)

(b)

I

I

E

Figura 25 – Configura¸c˜ao do Transmissor/Receptor ´optico coerente, com diversidade de fase, Baseado em DSP: (a)transmissor, (b) receptor.

Em (a), O sinal anal´ogico ap´os passar por DSP e pelo DAC , Modula o Modulador IQ. Em (b), a sa´ıda do receptor com diversidade de fase ´e processado pelo DSP e pelo ADC

5.4. Comunica¸c˜oes ´Opticas Coerentes na Era Digital 71

corretores de erro e conforma¸c˜ao espectral usando pulso de Nyquist (Nyquist spectral shaping). Recentes avan¸cos na ´area de processamento digital de sinais e na eletrˆonica, permitiram desenvolver circuitos integrados que possibilitam o processamento de sinais el´etricos com altas taxas e separar as componentes em fase (I) e em quadratura(Q) de um sinal ´optico com amplitude complexa, proveniente de um receptor heter´odino, de forma muito est´avel. Este conceito apareceu em (Shimotsu et al. 2001, McGhan et al. 2005) e posteriormente (Ly-Gagnon et al. 2006) demonstrou um sistema a 20 Gbit/s mapeado em QPSK e um receptor hom´odino com diversidade de fase e seguido de um bloco DSP que realiza a uma estimativa da portadora, apesar da taxa de erro de bits ser calculado no modo offline. Decorrente do fato da estimativa da fase da portadora ser recuperado ap´os a detec¸c˜ao pelo DSP, este tipo de receptor ´e comummente chamado de “Detec¸c˜ao Digital Coerente”. Enquanto um OPLL eficiente, que consiga bloquear a fase de LO `a fase do sinal permanece dif´ıcil de alcan¸car devido ao problema do atraso de loop, circuitos que implementam DSPs est˜ao se tornado cada vez mais r´apidos, perfilando-se como meios simples e eficientes para estimar a fase da portadora. O r´apido acompanhamento da fase da portadora melhora a estabilidade do sistema drasticamente quando comparado com o esquema baseado no OPLL.

5.4.1

Vantagens da Detec¸c˜ao Digital Coerente

Sistemas ´opticos com detec¸c˜ao coerente permitem usar qualquer formato de mo- dula¸c˜ao multin´ıvel. Considerando que a eficiˆencia espectral de formatos de modula¸c˜ao bin´aria NRZ-OOK (non-return-to-zero ON–OFF keying ), utilizada nos sistemas IM-DD, ´

e limitada a 1 bit/s/Hz/polariza¸c˜ao, que ´e chamado o limite de Nyquist, formatos de modula¸c˜ao com 𝑚𝑏 bits de informa¸c˜ao por s´ımbolo pode alcan¸car uma eficiˆencia espectral de at´e 𝑚𝑏 bit/s/Hz/polariza¸c˜ao.

Outra vantagem importante ´e a fun¸c˜ao de p´os-processamento de sinal. A demodula- ¸c˜ao IQ feita pelo receptor digital coerente ´e um processo totalmente linear. Por conseguinte, todas as informa¸c˜oes sobre a amplitude complexa do sinal ´optico transmitido ´e preservado, mesmo depois da detec¸c˜ao, e as fun¸c˜oes de processamento de sinal tais como filtragem e compensa¸c˜ao de dispers˜ao, podem ser realizadas no dom´ınio el´etrico ap´os a detec¸c˜ao. A compensa¸c˜ao el´etrica da GVD elimina assim a necessidade da fibra compensadora de dispers˜ao (DCF).

O alinhamento da polariza¸c˜ao ´e tamb´em poss´ıvel ap´os detec¸c˜ao atrav´es da introdu- ¸c˜ao de esquemas de diversidade de polariza¸c˜ao nos receptores hom´odinos. A amplitude complexa das polariza¸c˜oes horizontal e vertical s˜ao simultaneamente medidos e processados atrav´es de DSP. A demultiplexa¸c˜ao de polariza¸c˜ao e compensa¸c˜ao para PMD tamb´em foram demonstrados com o receptor digital coerente (Savory 2008), onde os controladores de polariza¸c˜ao ´optica, volumosos e lentos, bem como linhas de atraso ´optico s˜ao eliminados.

72 Cap´ıtulo 5. OFDM em Sistemas de Comunica¸c˜ao via Fibra ´Optica

Na maioria dos experimentos reportados no in´ıcio dos anos 2000, ADC e DSP foram realizados de forma offline, Ou seja, ap´os a detec¸c˜ao, os dados s˜ao armazenadas em um computador e m´etricas como taxa de erro de bits s˜ao analisados recorrendo, por exemplo, a programas como o Matlab. Isto se deve ao fato de que os receptores coerentes digitais requererem ADC e DSP de alta velocidade (Os DACs/ADCs devem possuir taxas de amostragem de pelo menos o dobro da taxa de bits). No entanto, um circuito integrado de aplica¸c˜ao espec´ıfica ASIC(application-specific integrated circuit) com uma taxa de s´ımbolos de 11,5-Gbaud utilizando a modula¸c˜ao QPSK em dupla polariza¸c˜ao (DP-QPSK) foi desenvolvido (Sun et al. 2008). Uma opera¸c˜ao em tempo real dos receptores digitais coerentes, a uma taxa de 46 Gbit/s, foi demonstrada utilizando tal ASIC (Nelson et al. 2009). Esta conquista ´e um marco na hist´oria das comunica¸c˜oes ´

opticas coerentes modernas. A combina¸c˜ao de detec¸c˜ao coerente e DSP tornou-se assim uma parte fundamental da pr´oxima gera¸c˜ao de sistemas de comunica¸c˜oes ´opticos e fornece novos recursos que n˜ao eram poss´ıveis sem a detec¸c˜ao de fase do sinal ´optico. Atualmente, um ASIC operando a 32 Gbaud tem permitido at´e 127 Gbit/s, incluindo um overhead de 27 para FEC em um ´unico canal (Yamazaki et al. 2011). Sinais WDM s˜ao colocados em grades espa¸cadas de 50 GHz e a capacidade total agregada pode chegar a 8 Tbit/s (Kikuchi 2016).