UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE

FULVIO CERAGIOLI

ANÁLISE COMPARATIVA DE FORMATOS DE MODULAÇÃO OOK,

DPSK E DQPSK PARA SISTEMAS DE FIBRAS ÓPTICAS OPERANDO

A TAXAS DE 40 GB/S

São Paulo 2008

Livros Grátis

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Análise comparativa de formatos de modulação OOK, DPSK e DQPSK

para sistemas de fibras ópticas operando a taxas de 40 Gb/s

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Eunézio Antônio de Souza

São Paulo 2008

ANÁLISE COMPARATIVA DE FORMATOS DE MODULAÇÃO OOK, DPSK E DQPSK PARA SISTEMAS DE FIBRAS ÓPTICAS OPERANDO A TAXAS DE 40

GB/S

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.

Aprovado em

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Eunézio Antônio de Souza – Orientador Universidade Presbiteriana Mackenzie

Prof. Dr. Helio Waldman

Aos meus pais Umberto e Maria, pelo incentivo, apoio e compreensão durante a realização deste trabalho.

A Deus pela saúde e sabedoria, ao entendimento, à ciência e a todo ofício.

Ao Dr. Eunézio Antônio de Souza (Thoroh) por ter sido o orientador deste trabalho, e grande responsável pelos seus resultados, e pela sua ajuda e dedicação em todos os momentos.

Ao Dr. Helio Waldman pelos comentários e sugestões apontadas no decorrer do exame de qualificação que muito contribuiu para a melhora desta Dissertação.

Ao Dr. Divanilson Rodrigo de Sousa Campelo pelos comentários e sugestões apontadas no decorrer do exame de qualificação e sua ajuda durante a elaboração desta obra.

Ao Coordenador da Pós Dr. Christiano de Matos pela ajuda sempre que necessária. Aos Mestres e Doutores do programa de pós de graduação em Engenharia Elétrica pelos seus ensinamentos e atenção.

À Claudia Silva pelo incentivo, apoio e compreensão durante a realização desta obra. Ao Eng. Antônio Augusto da Silva Correia por permitir e possibilitar a execução deste curso e a conclusão do mesmo.

À colega Rita de Cássia Lapa Bispo dos Santos pela sua ajuda durante a elaboração deste trabalho.

À colega do mestrado Camila Dias por sua ajuda em todos os momentos e suporte quando necessário.

Ao Joaquim P. Filho pelo apoio e suporte no acesso remoto ao Mackenzie.

À Kelly Armonas Seide por sua ajuda e suporte e apoio nas atividades burocráticas. À Maria Regina Pontes Trugilho pela ajuda na elaboração da ficha catalográfica. Ao MACKPESQUISA pelo financiamento parcial desta obra.

A constante necessidade de aumento na capacidade de transmissão de dados nos sistemas ópticos tem resultado em novos problemas e limitações. A existência de diversos formatos de modulação para sistemas de fibras ópticas tais como: NRZ-OOK, RZ-OOK, CSRZ, CRZ, Duobinário, DPSK, DQPSK, entre outros, possibilita diversas opções para a modulação do sinal óptico. Porém dentre os diversos formatos de modulação avançados as modulações DPSK e DQPSK surgem como candidatos de melhor eficiência aos sistemas ópticos atuais. Neste contexto, o estudo dos formatos de modulação DPSK e DQPSK e sua comparação com os formatos tradicionais OOK e a análise de suas limitações e características são apresentadas neste estudo para implementação em um sistema óptico com 160 km, sem repetidora, usando fibra monomodo padrão da rede Kyatera. Os resultados obtidos a 40 Gb/s demonstraram que a formatação dos pulsos em RZ e NRZ nas modulações OOK, DPSK e DQPSK afeta tão significativamente o comportamento destes sistemas, assim como os formatos de modulação avançados nos sistemas ópticos de alta capacidade. Os resultados com a formatação dos pulsos em RZ foram melhores que seu equivalente na mesma modulação usando o formato NRZ. Dos resultados obtidos a modulação RZ-DQPSK apresentou a maior imunidade à dispersão cromática, a modulação RZ-OOK alcançou a maior distância de transmissão em SSMF com DCF sem amplificação, já o formato RZ-DPSK apresentou o melhor desempenho no cenário sem repetidora para 1 canal com 160 km de SSMF. As modulações NRZ-DQPSK e NRZ-OOK não conseguiram atingir uma BER adequada neste cenário, entre outros resultados.

Palavras-chave: Comunicação óptica, formato de modulação óptica, modulação avançada, redes ópticas.

The constant need to increase data transmission capacity in optical systems brought new problems and limitations to increase rate of transmission. The existence of various modulation formats for optical fibers systems such as: NRZ-OOK, RZ-OOK, CSRZ, CRZ, Duobinary, DPSK, DQPSK, among others, offer several options for the modulation optical signal, but among the various advanced modulation formats DPSK and DQPSK modulations emerge as a candidates for the optimization of optical systems today. In this context, the study of DPSK and DQPSK modulation formats and comparison with the traditional formats OOK and analysis of its limitations and characteristics are presented in this work for implementation in an optical system with 160 km without repeater using standard single mode fiber. The results with 40 Gb/s showed that the pulse format RZ and NRZ in OOK, DPSK and DQPSK modulations significantly affects the characteristics of these systems, as well as the advanced modulation formats in high-capacity optical systems. The results with RZ pulses were better than NRZ pulse in the same modulation format. The results showed that the RZ-DQPSK modulation had the highest immunity to chromatic dispersion, the RZ-OOK modulation reached the longest distance of transmission in SSMF with DCF without amplification, the RZ-DPSK format showed the best performance on stage without repeater to 1 channel for SSMF with 160 km. The NRZ-DQPSK and NRZ-OOK modulations failed to reach an appropriate BER in this scenario, among other results.

Keywords: Optical communication, optical modulation formats, advanced modulation, optical networks.

1 INTRODUÇÃO ...11

2 SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS...16

2.1 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS ÓPTICOS...18

2.1.1 Transmissores ópticos ...18

2.1.2 Fibras ópticas...20

2.1.3 Receptores ópticos...20

2.2 PRINCIPAIS PROBLEMAS DOS SISTEMAS ÓPTICOS ...21

2.2.1 Atenuação ...22

2.2.2 Dispersão Cromática – CD (Chromatic Dispersion)...23

2.2.3 Dispersão dos modos de polarização - PMD (Polarization-Mode Dispersion) ...26

2.2.4 SPM (Self-Phase Modulation) e XPM (Cross-Phase Modulation) ...27

2.2.5 FWM (Four Wave Mixing)...28

2.2.6 SRS (Stimulated Raman Scattering) e SBS (Stimulated Brillouin Scattering)...29

2.2.7 ASE (Amplified Spontaneous Emission) ...30

2.2.8 Não-linearidades Kerr...30

3 FORMATOS DE MODULAÇÃO ...32

3.1 PARÂMETROS CONFIGURÁVEIS NOS FORMATOS DE MODULAÇÃO ...32

3.2 PRINCIPAIS TIPOS DE MODULAÇÃO DE INTENSIDADE ...34

3.2.1 NRZ-OOK (Non Return-to-Zero On/Off Keying) ...34

3.2.2 RZ-OOK (Return-to-Zero On/Off Keying)...35

3.2.3 CSRZ (Carrier-Suppressed Return-to-Zero) ...36

3.2.4 CRZ (Chirped Return-to-Zero) ...37

3.2.5 Duobinário - DB (Duobinary) ...37

3.2.6 AMI (Alternate-Mark Inversion)...38

3.3 PRINCIPAIS TIPOS DE MODULAÇÃO DE FASE / FREQÜÊNCIA ...38

3.4 TABELA COMPARATIVA ENTRE OS FORMATOS DE MODULAÇÃO...38

4 MODULAÇÃO DE FASE DPSK E DQPSK ...40

4.1 MODULAÇÃO DPSK (DIFFERENTIAL-PHASE-SHIFT-KEYING)...40

4.2 MODULAÇÃO DQPSK (DIFFERENTIAL QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING) ...53 4.2.1 NRZ-DQPSK...60 4.2.2 RZ-DQPSK...61 4.2.3 Outras modulações em DQPSK ...62 5 RESULTADOS ...64

5.1 SIMULAÇÕES DOS SISTEMAS DE MODULAÇÃO OOK (RZ e NRZ)...64

5.1.1 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF ...65

5.1.2 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem atenuação...69

5.1.3 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão. ...70

5.1.4 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão e sem PMD...72

5.2 SIMULAÇÕES DOS SISTEMAS DE MODULAÇÃO DPSK (RZ e NRZ) ...74

5.2.1 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF usando a modulação NRZ-DPSK e RZ-DPSK ...74

5.2.2 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem atenuação...80

5.2.3 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão. ...82

5.2.4 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão e sem PMD...85

5.3 SIMULAÇÕES DOS SISTEMAS DE MODULAÇÃO DQPSK (RZ e NRZ) ...88

5.3.1 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF usando a modulação NRZ-DQPSK e RZ-DQPSK...88

5.3.2 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem atenuação...94

5.3.3 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão. ...96

5.3.4 Simulação da transmissão em uma fibra SSMF sem dispersão e sem PMD...98

5.4 COMPARAÇÃO ENTRE AS MODULAÇÕES OOK, DPSK E DQPSK SEM COMPENSAÇÃO DE DISPERSÃO...101

5.5 COMPARAÇÕES ENTRE AS MODULAÇÕES OOK, DPSK E DQPSK COM O USO DE FIBRA DE COMPENSAÇÃO DE DISPERSÃO (DCF)...106

5.6 SIMULAÇÃO COM PRÉ E PÓS AMPLIFICAÇÃO E COMPARAÇÕES ENTRE AS MODULAÇÕES OOK, DPSK E DQPSK COM O USO DE FIBRA DE COMPENSAÇÃO DE DISPERSÃO (DCF)...109

1 INTRODUÇÃO

A popularização da informática e o advento da internet foram responsáveis por uma demanda crescente de capacidade de transmissão nos sistemas de telecomunicações. A demanda por banda em suas diversas aplicações vem crescendo exponencialmente ano a ano, e conforme Desurvire (2006), visualizada na Fig. 1.1, não atingiu ainda um patamar de saturação. O crescimento pode ainda ser mais acentuado que no passado com a implantação de novas tecnologias de acesso que irão disponibilizar bandas ainda maiores para os usuários finais (DESURVIRE, 2006).

Fig. 1.1 Crescimento do tráfego mundial de dados, por tipo de segmento (voz, dados e internet) e projeção futura para estes crescimentos (DESURVIRE, 2006).

Na Fig.1.1 visualiza-se o crescimento do tráfego mundial, por tipo de segmento, ou seja, voz, dados e internet. Nota-se que o segmento de internet é o que apresenta maior crescimento do tráfego. Este crescimento está estimado em 157% por ano (DESURVIRE, 2006).

Para os diversos sistemas de transmissão conhecidos e usados atualmente, tais como: par trançado, cabo coaxial, microondas (terrestre e via-satélite), sistemas sem fio (“wireless”) (móveis e fixos), sistemas ópticos (fibras ópticas e de espaço livre), etc. visualizados na Fig.1.2. Os únicos sistemas que conseguirão suportar tal crescimento da demanda prevista de

capacidade de transmissão serão os sistemas ópticos (DESURVIRE, 2006; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Fig. 1.2. Taxa de transmissão versus distância sem regeneração (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Na Fig.1.2 é visualizada a taxa de transmissão versus a distância de transmissão sem regeneração do sinal. A distância de transmissão sem regeneração do sinal é definida como a distância que o sinal pode ser recebido e a informação digital recuperada (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). Nesta figura é observado que para taxas de transmissão maiores de 10 Gbit/s apenas os sistemas ópticos de comunicações suportam tal capacidade (DESURVIRE, 2006; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Nos sistemas ópticos atuais as fibras ópticas são os meios de transmissão mais amplamente difundidos e usados para o transporte de informações no mundo, sejam elas, intercontinentais, regionais e até mesmo metropolitanas. Desta forma, é verificada a importância dos sistemas de fibras ópticas atuais para a transmissão de informação no mundo atual e no futuro próximo (DESURVIRE, 2006).

Novas tecnologias, serviços e arquiteturas de rede como PON (“Passive Optical

Networks”) vão disponibilizar capacidade de transmissões aos usuários finais maiores que as

atuais, resultando na necessidade de mais banda disponível, sejam ela local, regional ou mesmo transoceânica (DESURVIRE, 2006).

Conforme Desurvire (2006), mesmo a disseminação destas tecnologias para apenas uma pequena parcela da população, que hoje possui acesso internet, já seria responsável por um acréscimo de 2.000 Tbit/s (“upload”) e de 20.000 Tbit/s (“download”) da necessidade de

capacidade de transmissão. Tais estimativas, mesmo sendo bem conservadoras, servem como alerta para um problema latente que pode em muito pouco tempo ocasionar congestionamentos nas principais rotas locais, regionais e continentais de tráfego de dados (DESURVIRE, 2006).

Fig. 1.3 Capacidade instalada em 2005 das rotas de internet conectadas aos Estados Unidos (DESURVIRE, 2006).

Em artigo recente Dvorak (2007) relata que na região da baía de São Francisco, onde fica o Vale do Silício nos Estados Unidos, já está ocorrendo congestionamento e lentidão crônicos na internet. A situação já se encontra crítica nos dias de semana e fica até pior nos finais de semana, desta forma verifica-se que as previsões efetuadas por Desurvire (2006) estão se materializando. A previsão de Desurvire (2006) era que a internet se tornaria “World

Wide Wait” em 2015, porém na baia de São Francisco isso já ocorre em outubro de 2007.

Para assegurar a capacidade necessária os fornecedores de telecomunicações podem aumentar as rotas atuais dos sistemas ópticos com novos cabos e novas fibras ópticas, mas há limitações na capacidade mundial de fabricação de fibras ópticas, instalação destes cabos, e mesmo disponibilidade, além dos elevados custos para tais empreendimentos (DESURVIRE, 2006).

Na Fig.1.3 visualiza-se a capacidade instalada de transmissão de internet conectada aos Estados Unidos em 2005. Observa-se que havendo alternativas para o crescimento da

banda sem a construção e lançamentos de novas rotas transoceânicas de fibra ópticas haveria uma maximização do retorno dos investimentos já efetuados nos últimos anos (DESURVIRE, 2006).

Fig. 1.4 Atenuação versus comprimento de onda λ de uma fibra óptica padrão e as bandas padronizadas (O, E, S, C, L e U/XL) (DESURVIRE, 2006).

A capacidade de transmissão de dados das fibras ópticas monomodo atuais é estimada em 125 Tbps, a ITU-T (International Telecommunication Union) padroniza o uso de apenas 59 Tbps de capacidade (as bandas padronizadas pela ITU-T: O, E, S, C, L e U/XL ocupam apenas os comprimentos de onda λ de 1260nm a 1675nm) (DESURVIRE, 2006). Observa-se assim que há a possibilidade de aumento da utilização das fibras ópticas atuais desde que resolvidos alguns problemas encontrados nesta elevação de taxa de transmissão e a ocupação dos demais comprimentos de onda disponíveis nas fibras ópticas (DESURVIRE, 2006).

Por outro lado conforme Desurvire (2006), a escolha do formato avançado de modulação é um entre vários outros fatores que podem melhorar os sistemas ópticos de alta capacidade, para nos aproximar da exaustão da capacidade disponível de transmissão das fibras ópticas (DESURVIRE, 2006). São visualizadas para este aumento da capacidade de transmissão as seguintes soluções: desenvolver lasers e receptores que cubram as janelas de 1,0-1,7 µm (Fig.1.4), e que sejam maciçamente integrados, amplificadores ópticos “ultrabroadband”, desenvolvimento das super-bandas A, B, migração para sistemas coerentes, etc. (DESURVIRE, 2006).

Neste contexto, o estudo de formatos avançados de modulação torna-se uma questão chave não apenas para se ter eficiência nos sistemas ópticos de alta capacidade (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b), assim como uma alternativa no curto prazo para permitir a construção de sistemas mais flexíveis e futuras expansões de capacidade

(WINZER; ESSIAMBRE, 2006b), até o desenvolvimento das demais soluções propostas por Desurvire (2006).

Um enlace genérico de transmissão de dados usando fibras ópticas é composto, visualizado na Fig.1.5, de forma genérica, de transmissores, multiplexadores ópticos, demultiplexadores e receptores (CHARLET, 2006; GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b; ZHANG, 2004).

Estudar os formatos avançados de modulação de sistemas de fibras ópticas é a contribuição inicial para o desenvolvimento das outras tecnologias para o aumento da eficiência de transmissão de dados dos sistemas de fibras ópticas.

Fig. 1.5. Sistema WDM (Wavelength-Division Multiplexing) genérico, composto pelo transmissor, multiplexadores óptico, fibra óptica, demultiplexadores óptico e receptores, para a transmissão de 4 canais com 4 comprimentos de onda λ1 a λ4 (CHARLET, 2006).

Neste contexto, esta pesquisa vai comparar e analisar os formatos de modulação usados em sistemas de fibras ópticas mais promissores (DPSK e DQPSK) em comparação aos formatos mais amplamente usados (OOK). Tais sistemas serão simulados no programa VPIsystemsTM, considerando-se um enlace genérico entre São Paulo e Campinas-SP de 160 km de transmissão de dados onde todos os demais parâmetros serão fixados alterando-se apenas o formato de modulação. Desta forma se obterá a real contribuição de cada formato avançado de modulação para a transmissão de dados.

2 SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

Os sistemas de comunicações ópticas se tornaram disponíveis em 1980, nesta época operavam com fibra multimodo e LED (Light Emitting Diodes) com comprimentos de onda de 0,8 µm a 0.9 µm (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; GIOZZA; CONFORTI; WALDMAN, 1991; ZHANG, 2004). Estes sistemas ópticos, considerados de primeira geração, apresentavam diversas limitações tais como: grande dispersão modal, resultando em limitação para sistemas ópticos, como a distância de transmissão taxa e a transmissão máxima alcançada (BUCK, 1995; DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; GIOZZA; CONFORTI; WALDMAN, 1991; ZHANG, 2004).

A segunda geração de sistemas ópticos tornou-se disponível comercialmente no final da década de 1980. Operando com comprimentos de onda próximo de 1,3 µm, e utilizando-se já de fibras monomodo, com atenuação inferior a 1 dB/km, conseguindo atingir taxas de 1,7 Gb/s e distâncias de até 50 km (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; GIOZZA; CONFORTI; WALDMAN, 1991; ZHANG, 2004).

A terceira geração de sistemas ópticos apresentava taxa de transmissão de dados de 2,5 Gb/s se tornou disponível comercialmente em 1990. Tal geração foi significativamente marcada pelas fibras ópticas com atenuação de 0,2 dB/km para comprimento de onda 1,55µm. Infelizmente existe uma grande dispersão da fibra óptica para comprimento de onda próximo a 1,55µm. Para contornar este problema, desenvolveu-se a DSF (Dispersion Shifted Fiber) e laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) de modo longitudinal único, mas o sinal óptico tinha de ser regenerados eletronicamente a cada 60 km ou 70 km aproximadamente (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; ZHANG, 2004). Segundo Desurvire (2006), esta geração pode ser fracionada em duas gerações de sistemas óptico sendo desenvolvimento da DSF o marco a ser considerado como a quarta geração de sistemas ópticos.

A quarta geração foi caracterizada pela introdução de EDFA (Erbium Doped Fiber

Amplifier), que tornou possível transmitir sinais ópticos de até dezenas de milhares de

quilômetros sem usar regeneração eletrônica (GARCIA, 2005). Para Desurvire (2006) e Zhang (2004) esta geração além dos itens apontados por Garcia (2005) é caracterizada também pelo desenvolvimento dos sistemas WDM (Wavelength-Division Multiplexing), alertando que para Desurvire (2006) está é considerada a quinta geração.

Fig. 2.1 Evolução da capacidade de transmissão das diversas gerações de sistemas ópticos ao longo dos anos indicando quais tecnologias possibilitaram o crescimento da capacidade (DESURVIRE, 2006).

Na Fig. 2.1 é mostrada a evolução da capacidade de transmissão e distância das diversas gerações de sistemas ópticos ao longo dos anos indicando quais tecnologias possibilitaram o crescimento da capacidade (DESURVIRE, 2006).

A próxima geração dos sistemas ópticos tem sido desenvolvida há algum tempo. A nova geração está focada em alargar a gama de comprimentos de onda da banda L (1570nm a 1610nm) e da banda S (1485nm a 1520nm), visualizado na Fig. 1.4, para aumentar o número de canais WDM. Atualmente os sistemas convencionais estão em operação no comprimento da banda C, visualizado na Fig. 1.4, com comprimentos de onda de 1530 nm a 1565 nm (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

Outro destaque para a próxima geração é o aumento da taxa de transferência de dados por cada canal de 10 Gb/s para 40 Gb/s ou mais. Nestas taxas de transmissão os sinais ópticos são mais sensíveis aos efeitos lineares e não lineares, tais como: SPM (Self-Phase

Modulation), XPM (Cross-Phase Modulation) e FWM (Four-Wave Mixing). Neste contexto

os sistemas de modulação avançados são um dos fatores que ajudam a reduzir a influência destes problemas (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

Segundo Winzer e Essiambre (2006b), as taxas de transmissão de dados em sistemas de comunicação óptica foram tradicionalmente limitadas pela velocidade dos componentes opto-eletrônicos disponíveis, desta forma, é importante considerar sempre aspectos práticos da modulação e da detecção ao projetar novos formatos de modulação óptica. Encontrar a modulação adequada que apresente melhor eficiência de custo para uma aplicação de sistema particular envolve aspectos do formato da modulação e da tecnologia do modulador.

2.1 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS ÓPTICOS

Um enlace genérico de transmissão de dados usando fibras ópticas é composto, visualizado na Fig.1.5, de forma genérica, de transmissores ópticos, enlace ópticos de fibra e receptores (CHARLET, 2006; GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b; ZHANG, 2004).

2.1.1 Transmissores ópticos

O transmissor óptico pode ser construído de forma direta ou através de um modulador óptico. A modulação direta ou DML (Directly Modulated Lasers) é a maneira mais fácil de modular sinal em uma portadora óptica. Tal modulação normalmente é utilizada para taxas de transmissão menores onde o sinal elétrico modula diretamente o laser (GARCIA, 2005; WAKITA, 1998; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

O formato binário resultante da modulação de intensidade usando a DML é a modulação OOK (On/Off Keying). Esta forma de modulação e transmissão apresenta um baixo custo, e grande integração do transmissor. Atualmente a DML está amplamente disponível até taxas de transmissão de 2,5 Gb/s, com alguma disponibilidade limitada até 10 Gb/s e algumas pesquisas indicam a possibilidade de se atingir até 40 Gb/s usando a DML (GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

A principal desvantagem da DML para a transmissão de altas taxas de bits é o alto

chirp. O chirp amplia o espectro óptico, o qual impede o seu uso em WDM com alta

densidade de canais e pode conduzir ao aumento das distorções nos sinais causadas pela interação com a dispersão cromática ou CD (Chromatic Dispersion) da fibra óptica (WAKITA, 1998, WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). Assim, sistemas com uma taxa de transmissão maior que 10 Gb/s a modulação externa é utilizada, porque o impacto do chirp pode ser reduzido de forma mais eficiente (GARCIA, 2005). Os moduladores Mach-Zehnder

(MZM) e de Eletroabsorção (EAM) podem ser usados para a modulação externa do laser (GARCIA, 2005; WAKITA, 1998; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Os EAM (ElectroAbsorption Modulators) são semicondutores PIN (Positive–

Intrinsic–Negative) que possuem um bandgap que pode ser modulado aplicando-se uma

tensão externa e assim alterar as propriedades de absorção do modulador (WAKITA, 1998; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). Os EAM estão disponíveis atualmente para modulação com taxas de até 40 Gb/s, mas há pesquisas conseguindo subir este patamar para o limite de 80 Gb/s (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). No entanto, semelhante ao DML o EAM produz algum chirp residual (WAKITA, 1998; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Fig. 2.2 O modulador Mach-Zehnder – MZM (Mach–Zehnder Modulator) a) Ilustração da interferência construtiva e destrutiva após o interferômetro de Mach-Zehnder b) interferômetro de Mach-Zehnder (MILLER, 2000).

O modulador Mach-Zehnder – MZM (Mach–Zehnder Modulator) ao contrário do EAM, que trabalha com o princípio da absorção, trabalha com o princípio da interferência como controle da fase óptica. O princípio do MZM é simples: a entrada de luz é acoplada a dois braços de um guia de onda, um dos dois caminhos (ou ambos) está equipado com moduladores de fase que ao se aplicar campos elétricos nestes alteram a fase do sinal óptico, como mostra a Fig.2.2. Quando se altera o campo elétrico aplicado a um destes braços, o índice de refração do guia de ondas também muda, resultando assim em uma mudança na fase do sinal óptico que pode ser controlada pela variação do campo elétrico. Assim, os dois sinais ópticos são unidos em um acoplador de saída e dependendo da tensão elétrica aplicada, o sinal óptico resultante varia com interferências destrutivas ou construtivas, produzindo assim uma

modulação de intensidade (GARCIA, 2005; WAKITA, 1998; MILLER, 2000; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

2.1.2 Fibras ópticas

Fibras ópticas são classificadas em fibra multimodo (permitem a propagação em muitos modos de propagação transversal) e a fibra monomodo (permite a propagação em apenas um único modo transversal) (GIOZZA; CONFORTI; WALDMAN, 1991; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). Para transmissões em altas capacidades e longas distâncias é necessário o uso de fibras momomodo, devido às limitações das fibras multimodo, tais como: a grande dispersão modal (GARCIA, 2005; GIOZZA; CONFORTI; WALDMAN, 1991; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; ZHANG, 2004).

Atualmente existem fibras monomodo com características de atenuação menores que 0,2 dB/km em uma larga banda de muitos THz (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). Mesmo assim, após longas distâncias o nível de sinal óptico fica abaixo do limiar de detecção óptica dos receptores, necessitando assim a amplificação destes sinais (GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; ZHANG, 2004). As fibras ópticas também apresentam características de dispersão, que após distâncias significativas de transmissão tornam necessária a compensação da dispersão óptica ocorrida (GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; ZHANG, 2004).

2.1.3 Receptores ópticos

A função do receptor óptico é a detecção e a conversão dos sinais ópticos para sinais elétricos. Dependendo da modulação empregada na transmissão, pode-se distinguir entre a detecção direta e detecção coerente (GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

A detecção direta é utilizada para receber sinais modulados em amplitude, e por causa de sua simples construção e robustez é muito usado em sistemas comerciais em operação (GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

As duas principais vantagens da detecção coerente são: o aumento da sensibilidade e a melhora da seletividade de freqüência do receptor e com isso auxiliando na recepção dos formatos avançados de modulação com eficiência espectral elevada. A detecção coerente é uma técnica que emprega a combinação não linear de dois sinais ópticos realizando assim uma conversão de freqüência (conhecido por heteródino). Estes sinais ópticos são: o sinal

contendo a informação transmitida e um sinal óptico gerado localmente no receptor. O resultado deste processo heteródino é a modulação da foto-corrente no detector, gerando uma nova freqüência denominada de freqüência intermediaria (IF). Esta freqüência intermediária contém a informação na modulação de amplitude, fase ou freqüência assim como no sinal transmitido originalmente (LINKE; GNAUCK, 1988; TONGUZ; WAGNER, 1991).

A detecção coerente tem mostrado sensibilidade superior em comparação com a detecção direta conforme Garcia (2005). A detecção coerente usada atualmente em formatos avançados de modulação óptica foi amplamente discutida nos sistemas sem amplificação na década de 1980. Entretanto, o advento dos EDFAs permitiu a utilização da detecção direta, e as pesquisas com sistemas coerentes decaíram no início dos anos 1990. Mesmo com o avanço do EDFA a detecção coerente ainda pode proporcionar ao receptor uma sensibilidade melhor do que a detecção direta amplificada, além disso, a detecção coerente está permitindo um processamento eletrônico do sinal para usar a informação da fase óptica, trazendo assim um novo interesse neste tipo de detecção (GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

2.2 PRINCIPAIS PROBLEMAS DOS SISTEMAS ÓPTICOS

Quando há necessidade da elevação da taxa de transmissão dos sistemas ópticos algumas características e problemas das fibras ópticas e da rede que até o momento não eram significativos, tornam-se críticos. Desta forma, os sistemas de modulação em WDM (“Wavelength Division Multiplexing”) precisam ser resistentes aos ruídos dos amplificadores ópticos; à interferência entre canais adjacentes do WDM; ser robusto à dispersão cromática, dispersão dos modos de polarização e com os efeitos não lineares das fibras ópticas além de serem de fácil adição e retirada de dados ao longo do caminho (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b; ZHANG, 2004).

A Fig.2.3 mostra um enlace genérico de um sistema WDM composto de transmissores (TX), multiplexador ópticos (Mux), amplificadores ópticos (OA), multiplexador óptico para inserção e retirada de sinais (OADM), demultiplexador (Demux) e os receptores (RX) (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Fig. 2.3. Sistema WDM genérico de transmissão de N canais ou N comprimentos de onda λ1 a λN com a inserção

(“add”) e retirada de sinais (“drop”) ao longo do trajeto (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

2.2.1 Atenuação

A transmissão de sinais por longas distâncias implica que haverá atenuação do sinal ao longo do trajeto (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; GIOZZA; CONFORTI; WALDMAN, 1991; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b; ZHANG, 2004). As fibras ópticas monomodo possuem coeficientes de atenuação da ordem de 0,2 dB/km, conforme Fig. 2.4, para o comprimento de onda (λ) da ordem de 1550 nm (DESURVIRE, 2006).

Fig. 2.4. Atenuação de uma fibra óptica monomodo padrão em função do comprimento de onda λ, e a indicação das super-bandas A e B (DESURVIRE, 2006).

Na Fig. 2.4 é visualizado que a atenuação varia com o comprimento de onda λ de forma não é linear.

A atenuação é um parâmetro importante para a caracterização de uma fibra. Quando o sinal óptico é transmitido pela fibra óptica a sua potência é perdida devido à absorção do material e ao espalhamento Rayleigh. A expressão de perda de potência é apresentada abaixo (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004):

PR = P0.exp(-α.L) (2.2.1) onde: α é a constante de atenuação; P0 é a potência de entrada na fibra óptica de comprimento

L; e PR é a potência recebida. Normalmente a atenuação da fibra é expressa em dB/km conforme a relação abaixo (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004):

α α 10 log 4,343. 0 = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − = P P L T dB (2.2.2)

A atenuação da fibra αdB é dependente do comprimento de onda. A Fig. 2.4 mostra a curva característica de uma fibra monomodo padrão - SSMF (Standard Single-Mode Fiber). A curva tracejada mostra a perda intrínseca resultantes do espalhamento Rayleigh e a absorção da sílica pura (DESURVIRE, 2006; GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

Desta forma para distância mais longas da ordem de dezenas de quilômetros é necessária a inclusão de elementos para a amplificação do sinal e muitas vezes a regeneração do mesmo (DESURVIRE, 2006; LATHI, 1998; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b). Assim uma modulação mais robusta pode aumentar o espaçamento entre os amplificadores, como é mostrado no exemplo da Fig. 2.3, ou ser mais imune a ruídos introduzidos pelos amplificadores ópticos (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

2.2.2 Dispersão Cromática – CD (Chromatic Dispersion)

A CD (“Chromatic Dispersion”) produz um alargamento do sinal óptico, como é observada na Fig. 2.5. A dispersão cromática altera a velocidade da propagação para os diversos componentes espectrais contidos em um sinal óptico modulado. No domínio do tempo implica tipicamente no alargamento do pulso transmitido (BUCK, 1995; GIOZZA; CONFORTI; WALDMAN, 1991; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Fig. 2.5. - A velocidade da propagação para os diversos componentes espectrais do sinal transmitido é diferente devido à dispersão cromática resultando num sinal “alargado” temporalmente e com menor amplitude no

receptor. Adaptada de (MATOS, 2007).

O mecanismo fundamental da dispersão cromática é a variação do índice de refração com a freqüência n(ω). Devido ao fato de a velocidade de fase ser determinada por c/n(ω) as diferentes componentes espectrais associadas ao pulso irão viajar com velocidades de fase diferentes. A propagação de componentes com velocidades ligeiramente diferentes causa o alargamento do pulso, visualizado Fig.2.5. A CD é medida em picosegundo por quilômetro de fibra por nanômetros de largura de banda (BUCK, 1995; GARCIA, 2005; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; ZHANG, 2004).

Fig. 2.6. Dispersão cromática (CD) de uma fibra monomodo padrão SSMF (Standard Single-Mode Fiber) indicada pela curva D, onde D=Dm+ Dp+ Dw; Dm = Dispersão do material; Dp = Dispersão de perfil; Dw =

Dispersão cromática é a soma de três componentes de dispersão: material (Dm) e da dispersão do guia de onda (Dw) e do perfil (Dp), como visualizado na Fig.2.6. A dispersão material ocorre da alteração no índice refração com a alteração do comprimento de onda da sílica, e é pouco afetada pela dopagem da fibra. A dispersão do guia de onda, afetado pela geometria do guia de onda, desempenha um papel crítico na propagação de pulsos curtos com diferentes componentes espectrais associados, pois assim as componentes espectrais do pulso viajam em velocidades diferentes, visualizado Fig.2.5, e desta forma, o pulso óptico é alargado no final da fibra (BUCK, 1995; GARCIA, 2005; MATOS, 2007; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

A equação para a evolução de um campo óptico E(z,t), representando um sinal óptico modulado propagando na direção z em uma fibra óptica com dispersão é dada pela equação (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a):

( )

onde α(z) é o coeficiente de atenuação da fibra óptica; β2(z) é a dispersão da velocidade de grupo GVD (Group Velocity Dispersion) e representa a mudança da velocidade de grupo com a freqüência angular ω; β3(z) indica a alteração da GVD com a freqüência angular ω

A dispersão D com unidade de [ps/(km . nm)] pode ser obtida a partir da GVD ou β2(z) pela relação abaixo:

) ( 2 ) (z ₂c ₂ z D β λ π − = (2.2.4)

A dispersão cromática da fibra óptica pode possuir valores positivos ou negativos. As fibras ópticas com valores negativos de dispersão denominadas de DCF

(Dispersion-Compensating Fiber), ou fibras de compensação de dispersão, são usadas para compensar a

dispersão positiva acumulada ao longo da transmissão óptica. Tipicamente a DCF apresenta valores altos de dispersão negativa para atingir os valores de compensação nos menores comprimentos possíveis (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

2.2.3 Dispersão dos modos de polarização - PMD (Polarization-Mode Dispersion)

Devido à sua simetria circular, o único modo de propagação transversal existe em 2 modos degenerados de polarização, que têm idênticas propriedades de propagação. Na realidade, devido a mínimas assimetrias do guia de onda quer por imperfeições durante a fabricação, pelas tensões impostas durante a instalação, por vibrações mecânicas ou variações térmicas resultam em 2 modos de propagação da fibra monomodo (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). Assim a PMD tem suas origens na birrefringência. Embora as fibras ópticas sejam chamadas de momomodo, existem dois modos ortogonalmente polarizados.

Considerando a propagação de um pulso na fibra, pode-se distinguir entre os dois eixos ortogonais de polarização, chamados de estados principais de polarização ou PSP (Principal State of Polarization) (GARCIA, 2005). Os PSP’s resultam em diferentes velocidades de grupos, dando origem a um DGD (Differential Group Delay), visualizada na Fig.2.7, e a DGD acaba por gerar um alargamento do pulso após a detecção elétrica do sinal óptico. O sinal elétrico é dado pela soma das potências de sinal em ambas as polarizações (x e y), conforme equação abaixo, e devido ao DGD há um atraso de uma polarização em relação à outra e este fenômeno é chamado de dispersão dos modos de polarização ou PMD (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

2 2 ) ( ) ( ) (t E t E t DGD S = _x + _y − (2.2.5)

A dispersão dos modos de polarização ou PMD (Polarization-Mode Dispersion) apresenta como maior problema em sistemas de fibra óptica a sua natureza estocástica, afeta o modo de polarização e o atraso de grupo, variando entre milissegundos (devido a vibrações acústicas) e meses (devido a variações da temperatura da fibra) (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b). O formato da modulação pode aumentar a tolerância de PMD (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Fig. 2.7. Exemplo de DGD (Differential Group Delay), a propagação em cada eixo ocorre em velocidades distintas resultando num atraso entre os sinais em propagados em cada eixo (GARCIA, 2005).

Quando o DGD é constante com o comprimento de onda a PMD é denominada de primeira ordem, caso contrário é denominado PMD de ordem superior. Para muitas aplicações o DGD pode ser considerada constante para um canal WDM, mas variando entre múltiplos canais (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

2.2.4 SPM (Self-Phase Modulation) e XPM (Cross-Phase Modulation)

A SPM (Self-Phase Modulation) e XPM (Cross-Phase Modulation) são importantes efeitos não lineares. Estes efeitos afetam a fase do sinal e causam um alargamento espectral que resulta numa distorção temporal por causa da dispersão (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

A SPM e XPM são efeitos que ocorrem devido à dependência do índice de refração da potência do sinal óptico transmitido (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004). A dependência do índice de refração em função da intensidade óptica de forma não linear provoca a mudança de fase enquanto o sinal é propagado através de uma fibra óptica. Se a intensidade óptica não é uniforme ao longo do caminho de propagação, a mudança induzida na fase também não é uniforme. Este defasamento não uniforme pode ser tratado como uma modulação de fase, e causa alargamento do espectro de potência (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

A SPM ocorre quando o próprio comprimento de onda induz mudanças de fase não linear em seu próprio campo óptico, já a XPM ocorre quando a mudança de fase não linear do campo óptico é induzida por outra propagação de um campo óptico de comprimento de onda diferente (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

A interação entre a SPM e a dispersão da fibra óptica pode resultar em distorções do sinal óptico, mas quando a intensidade óptica e o coeficiente de dispersão satisfazem certa relação, o efeito da SPM pode anular os efeitos da dispersão e o sinal óptico pode ser preservado. Em sistemas WDM, o nível de potência em cada canal normalmente é tão pequeno que a SPM não é significativa, sendo um efeito de importância secundária, em comparação a outros efeitos não lineares (GARCIA, 2005).

Dois campos ópticos polarizados propagando-se ao longo do eixo x podem ser representados pela seguinte equação abaixo (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004):

(

E

e

E

e

)

x

E

)

2

1

₊

=

onde ω1 e ω2 são as freqüências dos campos ópticos, a SPM e a XPM induzem uma defasagem não-linear em ω1 resultando em (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004):

43

42

1

43

42

1

n

k

L

E

n

k

L

E

+

2

=

φ

onde n2 é o coeficiente do índice não linear; k0 é o numero de onda; e L é o comprimento da fibra óptica.

Desta forma verifica-se que para um campo óptico de igual intensidade, a contribuição de XPM para a mudança de fase não linear é o dobro em comparação com o da SPM (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

2.2.5 FWM (Four Wave Mixing)

A FWM (Four Wave Mixing) é um fenômeno não linear que ocorre quando 2 ou mais comprimentos de onda estão propagando numa mesma fibra óptica e satisfazem algumas condições. Este efeito é mais importante quando os comprimentos de onda estão próximos do comprimento de onda de dispersão zero da fibra óptica e quando o espaçamento entre os canais é muito pequeno (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004). Pois uma elevada dispersão levaria a um desencontro da velocidade de grupo que destruiria a condição de casamento de fase (ZHANG, 2004).

Por exemplo, suponha que tenhamos três freqüências ( ω1 , ω2 , ω3 ) sendo propagadas na mesma fibra óptica, então a nova freqüência gerada (ω123) é dada por (ZHANG, 2004):

ω123 = ω1 + ω2 - ω3 (2.2.8) Se duas das três freqüências forem as mesmas, por exemplo, ω1 = ω2, neste caso o fenômeno é denominado PDFWM (Partially Degenerate Four-Wave-Mixing) e serão geradas apenas as freqüências ω113 e ω331 conforme Fig. 2.8 (ZHANG, 2004):

Fig. 2.8. Exemplo de FWM (Four Wave Mixing) mostrando freqüências adicionais geradas. Adaptada de Zhang (2004).

Conforme Zhang 2004, N comprimentos de onda se propagando na mesma fibra óptica irão produzir M freqüências adicionais através da FWM, conforme equação abaixo:

(

)

2.2.6 SRS (Stimulated Raman Scattering) e SBS (Stimulated Brillouin Scattering)

O espalhamento estimulado Raman SRS (Stimulated Raman Scattering) e o espalhamento estimulado de Brillouin SBS (Stimulated Brillouin Scattering) são produzidos pelo espalhamento inelástico estimulado em que o campo óptico transfere parte da energia do sinal óptico para um meio não-linear (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

Conforme Garcia (2005) e Zhang (2004), embora SRS e SBS tenham uma origem similar há uma fundamental diferença entre eles: o SBS ocorre em sentido contrário ao da transmissão óptica, e o SRS ocorre na mesma direção da transmissão óptica. Para Zhang (2004) a principal diferença entre o SRS e SBS é que phonons ópticos participam do SRS, enquanto phonons acústicos participam no SBS.

Para SRS, o crescimento inicial da onda de Stokes pode ser descrita pela relação abaixo (ZHANG, 2004): S P R s

_g

_I

_I

dz

dI

.

.

=

onde IS é a intensidade Stokes; Ip é a intensidade de bombeio e gR é o coeficiente de ganho do Raman.

O ganho espectro Raman é muito largo e se estende até 30 THz aproximadamente. O pico de ganho gR é de cerca de 10-13 m/W para um bombeio no comprimento de onda de 1 µm e desloca o Stokes aproximadamente 13 THz (ZHANG, 2004).

Para SBS, o crescimento inicial da onda Stokes pode ser descrita pela relação abaixo (ZHANG, 2004): S P B s

_g

_I

_I

dz

dI

.

.

=

onde IS é a intensidade Stokes; Ip é a intensidade de bombeio e gB é o coeficiente de ganho do Brillouin.

O espectro do ganho de Brillouin é muito reduzido com uma banda de 10 MHz aproximadamente. O pico de ganho gB é de cerca de 6x10-11 m/W e desloca o Stokes aproximadamente 10 GHz (ZHANG, 2004).

A conversão significativa de energia de bombeio de Stokes ocorre somente quando a bombeio apresenta intensidade superior a um determinado limiar. Tipicamente para o SRS podem ser observadas com um bombeio de potência de 1mW, já para o SBS podem ser observadas com bombeio de 10 mW de potência (ZHANG, 2004).

2.2.7 ASE (Amplified Spontaneous Emission)

A ASE (Amplified Spontaneous Emission) é um problema comum nos sistemas ópticos e desta forma, os sistemas de modulação devem ser mais imunes e robustos possíveis a este efeito. Este efeito para o sistema representa um ruído Gaussiano e com a propagação na fibra e a passagem por amplificadores ópticos acaba sendo amplificada e tendo suas características alteradas (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b). O sistema de modulação pode contribuir para que o sinal no receptor seja separado do ruído de melhor forma (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

A ASE é principalmente gerada nos EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Esta situação amplifica o ruído de emissão espontânea adicionado ao sinal e assim degradando a relação sinal-ruído no sistema de comunicação óptica como um todo (GARCIA, 2005).

2.2.8 Não-linearidades Kerr

Devido ao alto confinamento da luz dentro do núcleo da fibra monomodo temos uma grande intensidade óptica no interior da fibra, podendo a chegar exceder um MW/cm2. Essas altas intensidades induzem mudanças no índice de refração da fibra: tal efeito é denominado de efeito Kerr ou não-linearidade Kerr (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

A evolução do campo óptico de uma única polarização E(z,t) na presença de não-linearidade Kerr instantânea em uma fibra óptica pode ser escrita como (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a):

E

E

i

E

z

t

E

z

t

E

z

i

z

E

2

)

(

)

(

6

1

)

(

2

γ

α

β

β

+

=

∂

∂

−

∂

∂

+

∂

∂

onde γ é o coeficiente de não linearidade Kerr; γ = n2.ω0/(c.Aeff) onde n2 é o coeficiente do índice de refração não-linear; Aeff é a área efetiva.

A importância de cada classe de não-linearidades depende significativamente da taxa de bits de cada canal. Em geral, os efeitos inter-canais afetam os sistemas WDM com taxas menores que 10 Gb/s por canal, assim as interferências e os efeitos não lineares intra-canais afetam sistemas com taxas de transmissão superiores a 10 Gb/s por canal (WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

3 FORMATOS DE MODULAÇÃO

3.1 PARÂMETROS CONFIGURÁVEIS NOS FORMATOS DE

MODULAÇÃO

A modulação do laser pode ser efetuada de 3 formas para o transporte de informações: intensidade, fase ou freqüência, e polarização (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b; SKLAR, 1988). Isto não implica que o sinal não possa ser modulado com mais de um tipo de modulação ao mesmo tempo, por exemplo, pode-se modular a intensidade e a fase simultaneamente (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Nos sistemas ópticos a portadora do sinal será a luz do laser em um determinado comprimento de onda λ e o sinal de informação a ser transmitido será um sinal digital (LATHI, 1998; PEEBLES, 1987; SKLAR, 1988).

A quantidade de bits representados por cada estado do sistema de modulação é mais um parâmetro do sistema de modulação que pode ser manipulado para melhorar a performance do sistema (DESURVIRE, 2006). Assim cada conjunto de n bits é representado por um código específico do modulador reduzindo a taxa de transmissão de cada símbolo (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Outra característica da modulação é a forma como o pulso de modulação é formatado com sinais do tipo RZ (“Return-to-Zero”) ou NRZ (“Non Return-to-Zero”), como podem ser visualizados alguns exemplos na Fig.3.1 e Fig.3.2 (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b). Conforme Winzer e Essiambre (2006a), o formato RZ é mais robusto para distorções não-lineares.

Na Fig.3.1 é visualizada a representação dos sinais do tipo NRZ-OOK e RZ-OOK para sinais modulados em intensidade, e para sinais modulados em fase são apresentados os sinais do tipo NRZ-DPSK e RZ-DPSK (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Para modulação em intensidade, nos exemplos da Fig.3.1, a presença e ausência de intensidade de sinal óptico indicam qual o bit está sendo transmitido naquele momento, o NRZ ou RZ afeta a largura do pulso transmitido, desta forma para sinais RZ o pulso transmitido é mais estreito, pois a cada bit “1” o sistema retorna para o nível “0” independentemente do próximo bit. Para sinais NRZ o sinal óptico permanece sendo

transmitido enquanto perdurar a seqüência de bits “1” e não há sinal óptico durante a transmissão do “0” (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Fig. 3.1. Alguns exemplos de pulsos ópticos sendo transmitidos por modulação de intensidade e fase, e com os sinais NRZ e RZ (a escala de cinza indica a fase óptica) (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Na modulação NRZ-DPSK da Fig. 3.1 observa-se que há sempre sinal óptico na fibra independentemente do bit de informação que se esteja transmitindo, já na modulação RZ-DPSK há sinal óptico sempre que houver a transmissão de um bit seja ele “0” ou “1”, mas há intervalos onde não há sinal algum sendo transmitido devido à característica RZ (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Fig. 3.2. Equivalência de bits “1” e “0” representados em sinais do tipo: a) RZ (“Return-to-Zero”); b) NRZ (“Non Return-to-Zero”) (LATHI, 1998).

Na Fig.3.2 observa-se a representação dos sinais do tipo RZ “Return-to-Zero” (Fig.3.2-a) e a representação da mesma seqüência de bits para o tipo NRZ “Non

Return-to-Zero” (Fig.3.2-b). O NRZ é caracterizado por não retornar ao nível zero a cada bit, havendo

esta transição apenas quando há uma transição do bit de “1” para “0”, já o RZ para cada bit “1” o sinal retorna para zero antes da transmissão do próximo bit independentemente dele ser zero ou um (CARLSON, 1986; HAYKIN, 2001; LATHI, 1998; PEEBLES, 1987; SKLAR, 1988; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Conforme Carlson (1986) existem variações dos tipos RZ e NRZ que podem ser obtidas de adaptações dos tipos RZ e NRZ unipolar (Fig.3.2) tais como: a polar, bipolar entre outras (CARLSON, 1986; LATHI, 1998).

Fig. 3.3. Classificação e indicação da origem da modulação (intensidade ou fase) dos principais sistemas de modulação óptica (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Na Fig.3.3 é observada a evolução e a origem (modulação de intensidade ou fase) dos principais sistemas de modulação óptica.

Os formatos RZ e NRZ podem, conforme Fig.3.1 e Fig.3.3, tanto serem utilizados em modulação de intensidade, fase/freqüência ou polarização, na modulação em intensidade é mais intuitivo as diferenciações entre RZ e NRZ como será visualizado a seguir.

3.2 PRINCIPAIS TIPOS DE MODULAÇÃO DE INTENSIDADE

3.2.1 NRZ-OOK (Non Return-to-Zero On/Off Keying)

A mais simples modulação é conhecida por NRZ-OOK (Non Return-to-Zero On/Off

Keying) ou NRZ e pode ser observada na Fig.3.1 e espectro óptico na Fig. 3.4-a (WINZER;

ESSIAMBRE, 2006a).

A modulação NRZ tem sido o formato de modulação dominante em sistemas de comunicação nos últimos anos. As principais razões para a utilização da modulação NRZ, no início dos sistemas de fibra óptica foram: a) NRZ não é sensível ao ruído de fase do laser em comparação com PSK; b) a NRZ requer relativamente pouca largura de banda elétrica para os transmissores e receptores, em comparação com RZ; c) possui a configuração mais simples do transmissor e do receptor (GARCIA, 2005; PEREZ et al., 2006; ZHANG,2004).

Fig. 3.4. Espectro óptico e diagrama de olho, onde R é a taxa de bits das modulações: a) NOOK; b) RZ-OOK; c) CSRZ-RZ-OOK; d) CRZ-RZ-OOK; e) Duobinário; f) RZ-AMI (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

O diagrama de um transmissor NRZ-OOK é mostrado na Fig. 3.5, onde sinal elétrico é modulado com um modulador externo. O modulador pode ser tanto do tipo Mach-Zehnder ou eletro-absorção, que converte um sinal elétrico NRZ-OOK com taxa de transmissão em um sinal óptico com a mesma taxa de bits (GARCIA, 2005; HOSHIDA et al. 2002; PEREZ et al., 2006; ZHANG, 2004). Para a detecção de um sinal óptico modulado com NRZ-OOK, um simples fotodiodo é utilizado no receptor, que converte sinais ópticos em corrente elétrica. Isso é chamado detecção direta (DD).

3.2.2 RZ-OOK (Return-to-Zero On/Off Keying)

Outra modulação muito conhecida é RZ-OOK (Return-to-Zero On/Off Keying) ou simplesmente RZ, observada na Fig.3.1. A modulação RZ-OOK é similar a NRZ-OOK com a diferença que a cada bit “1” o sinal retorna para zero antes da transmissão do próximo bit independentemente dele ser “0” ou “1” (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

A principal característica dos sinais modulados em RZ é possuir, relativamente, espectros ópticos mais amplos, visualizado na Fig. 3.4-b, que a modulação NRZ-OOK, esta

característica é devido ao retorno a zero de cada bit “1”, resultando em uma redução da tolerância à dispersão e uma reduzida eficiência espectral (ZHANG, 2004).

O sinal óptico modulado no formato RZ é mais tolerante a não-linearidades e a PMD do que o modulado no formato NRZ. Esta característica é devido ao padrão regular dos dados no formato RZ do sinal óptico de sempre retornar a zero após cada bit “1” (GARCIA, 2005; ZHANG, 2004).

Os sinais modulados em RZ-OOK podem ser implementados eletronicamente gerando-se sinais elétricos RZ que modulam uma portadora óptica diretamente, ou sinais ópticos modulados em NRZ são aplicados a um modulador adicional denominado desbastador de pulso (pulse carver) resultando em um sinal óptico modulado em RZ, conforme visualizado na Fig. 3.5 (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

Fig. 3.5. Estrutura de um típico modulador NRZ e RZ. O modulador consiste de um laser, um modulador NRZ e um desbastador de pulso (pulse carver) RZ (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

O desbastador de pulso (pulse carver) pode ser convenientemente implementado com o MZM ou EAM. A modulação RZ é normalmente executada usando desbastador de pulso baseado no MZM (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

O princípio de funcionamento do desbastador de pulso é simples, o desbastador de pulso recebe um sinal óptico contínuo, por exemplo, um sinal NRZ-OOK, e gera pulsos ópticos RZ em uma determinada taxa de transmissão, ou seja, ele é utilizado para esculpir pulsos RZ de um sinal óptico. Este princípio de funcionamento é executado a partir de um MZM que é controlado por uma onda senoidal esculpindo o pulso óptico (WINZER et al., 2004; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a). A detecção do sinal modulado no formato RZ pode usar a mesma detecção usada para a modulação NRZ convencional (GARCIA, 2005; PEREZ et al., 2006).

3.2.3 CSRZ (Carrier-Suppressed Return-to-Zero)

A modulação CSRZ ou CS-RZ (Carrier-Suppressed Return-to-Zero) é caracterizada por inverter o campo do sinal óptico em cada transição de bit. A principal diferença entre a modulação CSRZ e a RZ é que na modulação CSRZ o sinal óptico tem um defasagem de π

entre bits adjacentes. Devido à sua alternância de fase no domínio óptico, não há qualquer componente DC, como conseqüência, não há nenhuma portadora no espectro do sinal CSRZ, conforme Fig. 3.4-c (GARCIA, 2005; HOSHIDA et al. 2002; MIYAMOTO et al. 1999; PEREZ et al., 2006; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; ZHANG,2004).

O principal objetivo da modulação CSRZ é a redução dos efeitos não lineares e uma melhoria da eficiência espectral (MIYAMOTO et al. 1999). Sua intensidade padrão para os bits possibilita uma melhor compensação de dispersão, e a supressão da portadora reduz a sensibilidade desta modulação a FWM em sistemas WDM, se comparados com as modulações NRZ ou RZ (GARCIA, 2005; HOSHIDA et al. 2002; PEREZ et al., 2006; ZHANG,2004).

3.2.4 CRZ (Chirped Return-to-Zero)

A modulação CRZ (Chirped Return-to-Zero) é predominantemente utilizada em transmissões de fibra óptica de longa distância (acima de 3000 km) ponto-a-ponto, como por exemplo, em sistemas transoceânicos (submarinos), com uma típica modulação de fase de amplitude de 1 rad aproximadamente. (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Para situações em que é necessária alta robustez quanto às características de não linearidade da fibra óptica usa-se a modulação CRZ. Esta modulação também apresenta aumento da resistência do sistema a MPI (MultiPath Interference). A principal desvantagem desta modulação é o alargamento espectral do sinal transmitido, conforme Fig. 3.4-d, onde m é o índice de modulação (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

O índice de modulação m descreve o quanto o parâmetro que modula a portadora varia em relação ao sinal não modulado (GOMES, 1991).

3.2.5 Duobinário - DB (Duobinary)

O benefício principal da modulação Duobinário ou DB é sua alta tolerância à dispersão cromática e a estreita banda óptica comparada aos formatos RZ e NRZ, conforme Fig. 3.4-e (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b; YONENAGA et al. 1995; YONENAGA; KUWANO, 1997).

Para a modulação DB, o sinal digital elétrico é previamente pré-codificado de forma que cada bit “0” o nível de tensão é alterado na seqüência original, de forma e prevenir erros de propagação (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

3.2.6 AMI (Alternate-Mark Inversion)

A AMI (“Alternate-Mark Inversion”), em seu formato de modulação óptica normalmente é efetuada na forma RZ-AMI. O RZ-AMI usa uma modulação auxiliar da fase, esta modulação de fase adicional do AMI ajuda a reduzir os efeitos de não linearidade das fibras ópticas, o espectro óptico pode ser visualizado na Fig. 3.4-f (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Além da modulação em intensidade, outro tipo de modulação para sinais ópticos que se destaca é a modulação em fase e/ou freqüência. A seguir serão apresentados os principais tipos de modulação em fase e/ou freqüência.

3.3 PRINCIPAIS TIPOS DE MODULAÇÃO DE FASE / FREQÜÊNCIA

A modulação em fase é denominada PSK (“Phase Shift Keying”). Neste tipo de modulação a cada bit “1” a fase é alterada em π radianos, e cada bit “0” é representado pela ausência de transição de fase (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

As principais e mais usadas modulações em fase nos sistemas ópticos são a DPSK (“Differential-Phase-Shift-Keying”) e a DQPSK (“Differential Quadrature Phase Shift

Keying”) e serão explicadas mais detalhadamente no capítulo 4 (ROHDE et al. 2000;

WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b).

3.4 TABELA COMPARATIVA ENTRE OS FORMATOS DE MODULAÇÃO

Na Tabela 3.1 temos as comparações relativas dos formatos de modulação com os seguintes parâmetros: complexidade do transmissor, complexidade do receptor, a sensibilidade à dispersão cromática, a sensibilidade a efeitos não–lineares, a eficiência espectral, a sensibilidade a PMD e a OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio) requerida para um BER de 10-3 obtida por Winzer e Essiambre (2006a).

A comparação efetuada na Tabela 3.1 é relativa aos formatos apresentados indicando o grau relativo de cada item em relação aos outros formatos.

Tabela 3.1 – Tabela comparativa ente os formatos de modulação avançados

No capítulo 4 serão detalhadas as principais modulações de fase DPSK e DQPSK, com formatação de pulso RZ e NRZ.

4 MODULAÇÃO DE FASE DPSK E DQPSK

A utilização da modulação PSK (Phase Shift Keying), exige que a fase da portadora óptica se mantenha estável para que possam ser extraídas as informações no receptor sem erros. Esta necessidade coloca sérias limitações no uso desta modulação. Melhorias constantes nos lasers de faixa estreita, tornando-os com a fase mais estável, possibilitaram a utilização de uma variante do formato PSK, conhecido como DPSK (Differential-Phase-Shift-Keying) (CHARLET, 2006; GARCIA, 2005; GNAUCK et al. 2002; JACOBSSON, 2004; LINKE; GNAUCK, 1988; ROHDE et al. 2000; ZHANG, 2004).

4.1 MODULAÇÃO DPSK (DIFFERENTIAL-PHASE-SHIFT-KEYING)

A modulação de fase DPSK (Differential-Phase-Shift-Keying) codifica a informação a ser transmitida usando a diferença de fase entre 2 bits vizinhos, assim um bit “1” é representado pela ausência de mudança de fase da portadora óptica, e o bit “0” é representado pela mudança de π radianos na fase da portadora óptica em relação ao bit anterior. Desta forma, enquanto não houver nenhuma mudança fase entre os bits de dados consecutivos da portadora óptica o bit transmitido foi “1”, conforme Fig. 4.1 (GARCIA, 2005; GNAUCK; WINZER, 2005; JACOBSSON, 2004; PEREZ et al., 2006; SEIMETZ; NOELLE; PATZAK, 2007; ZHANG, 2004).

Fig. 4.1. Sinal modulado em DPSK (Differential-Phase-Shift-Keying) (JACOBSSON, 2004).

A diferença entre PSK e o DPSK é que no DPSK os bits não são representados por certa fase, como ocorre no PSK, mas por uma mudança de fase, visualizado na Fig. 4.1 (CHARLET, 2006; GNAUCK et al. 2002; JACOBSSON, 2004). Uma característica muito

importante da modulação NRZ-DPSK é que a potência do seu sinal óptico é sempre constante, conforme visualizado na Fig. 4.1, pois a amplitude do sinal é constante (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; ZHANG, 2004).

A vantagem da modulação DPSK é que o sinal transmitido pode ser demodulado com sucesso, desde que a fase da portadora permaneça relativamente estável ao longo do período de apenas dois bits, assim as exigências de largura do laser são menos críticas que as necessárias na modulação PSK (GARCIA, 2005). Na Fig. 4.2 abaixo, é exemplificado a demodulação de um sinal DPSK, o sinal recebido (Not delayed) é atrasado de 1 bit (Delayed 1

bit) e somado com o sinal recebido, resultando no sinal Output, com isso se obtém a

informação originalmente transmitida desde que a portadora consiga manter a fase estável ao longo de 2 bits consecutivos (JACOBSSON, 2004).

Fig. 4.2 - Exemplo de demodulação DPSK (Differential-Phase-Shift-Keying), a demodulação do sinal DPSK é efetuado pelo próprio sinal recebido com 1 bit de atraso somado com o sinal original sem atraso.

(JACOBSSON, 2004).

Uma vez que as informações são armazenadas na mudança de fase e não na fase propriamente, a modulação DPSK é muito boa para os sistemas onde a precisão da fase não é conhecida. Por esse motivo, e se o sistema for afetado por um ruído de fase a detecção do

sinal transmitido é facilmente obtida quando modulado com o formato DPSK (JACOBSSON, 2004).

A principal vantagem da modulação DPSK sobre a modulação NRZ ou RZ-OOK é o aumento da sensibilidade do receptor em 3 dB, esta vantagem pode ser entendida a partir da Fig. 4.3-b. Nesta figura é mostrado que com mesma de potência óptica média para a modulação DPSK e OOK, o espaçamento dos símbolos para a modulação DPSK é aumentado em 2 em comparação a modulação OOK. Por isso, apenas a metade da potência média óptica deve ser necessário para a modulação DPSK em comparação com a OOK para atingir a mesma distância do símbolo (CHARLET, 2006; GNAUCK et al. 2002; GNAUCK; WINZER, 2005).

Fig. 4.3 – Diagrama de constelação de sinal em escala para as modulações a) RZ / NRZ OOK; b) DPSK. (GNAUCK; WINZER, 2005).

Este aumento da distância entre símbolos faz com que a modulação DPSK aceite um desvio padrão de ruído maior do que 2 em comparação com sistemas OOK para a igual BER, o que traduz em uma redução de 3 dB na OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio). Note que, este benefício da modulação DPSK só pode ser obtido através do receptor com a detecção balanceada (ATIA; BONDURANT, 1999; CHARLET, 2006; GNAUCK et al. 2002; GNAUCK; WINZER, 2005; KIM; GNAUCK, 2003; ROHDE et al. 2000; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Outros benefícios da modulação DPSK apontadas por Gnauck e Winzer (2005), são: a) modulação DPSK com detecção balanceada oferece grande tolerância a flutuações de potência no circuito de decisão do receptor, porque o limiar de decisão é independente da potência de entrada; b) DPSK é mais robusto a filtros ópticos de banda mais estreita do que os sinais modulados em OOK (RZ ou NRZ), especialmente quando é empregada a detecção

balanceada; c) a modulação DPSK é mais resistente do que a OOK para alguns efeitos não lineares.

Estes benefícios adicionais da modulação DPSK podem ser atribuídos ao fato de: a) a potência óptica ser mais bem distribuída na modulação DPSK do que na modulação OOK (a energia está presente em todos os bit slots na modulação DPSK, o que reduz a dependência de efeitos não lineares do bit amostrado); b) o pico de potência óptica é 3 dB inferior para modulação DPSK em comparação a OOK para a mesma potência óptica média (GNAUCK; WINZER, 2005).

A modulação DPSK pode ser efetuada em conjunto com outras modulações ou com sinais elétricos de formas diversas como RZ ou NRZ, desta forma apresentando características distintas para cada uma destas modulações, conforme apresentado a seguir.

4.1.1 NRZ-DPSK

A modulação NRZ-DPSK é formada pela modulação de sinais elétricos NRZ que são modulados em DPSK gerando a modulação NRZ-DPSK (Non Return-to-Zero –

Differential-Phase-Shift-Keying ) (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; ZHANG, 2004).

Fig. 4.4 - Espectro óptico da modulação NRZ-DPSK. a) Espectro óptico de um canal de 10 Gbps (ZHANG,2004). b) Espectro óptico e intensidade óptica do diagrama de olho, onde R é a taxa de bits

Na modulação NRZ-DPSK a potência óptica é constante como observado nas Fig. 4.1, 3.1 e 4.5. No entanto, o campo óptico se alterna entre “1” e “-1” (ou deslocamentos de fase entre “0” e “π”), como visualizado na Fig. 3.1, e a média do campo óptico é zero. Como conseqüência, não há portadora no espectro óptico do sinal modulado em NRZ-DPSK, como mostrado na Fig. 4.4. Isso difere do espectro da NRZ-OOK (Fig. 3.4-a), onde temos a presença marcante da portadora (LINKE; GNAUCK, 1988; WINZER; ESSIAMBRE, 2006a; WINZER; ESSIAMBRE, 2006b; ZHANG, 2004).

Na Fig. 4.4-b a intensidade das depressões entre dois bits no diagrama de olho (quadro superior direito) representa a intensidade residual da modulação do MZM causados pela largura de banda limitada do sinal NRZ que modulou o sinal óptico (WINZER; ESSIAMBRE, 2006a).

Intuitivamente, por causa da sua potência óptica constante o desempenho da modulação NRZ-DPSK não deveria ser afetado por efeitos não lineares relacionados com a potência óptica modulada tais como SPM e XPM. No entanto, quando a dispersão cromática é considerada, esta conclusão não é inteiramente verdadeira, pois modulações de fase podem ser convertidas em modulação de intensidade através da dispersão da velocidade de grupo (GVD). Desta forma os efeitos SPM e XPM podem contribuir para produzir estas distorções no sinal óptico (HOSHIDA et al. 2002).

As limitações de dispersão cromática (CD) e dispersão dos modos da polarização (PMD) são semelhantes para sistemas modulados em DPSK e OOK e algumas vantagens da modulação NRZ-DPSK quanto à dispersão cromática foram reportadas (GNAUCK; WINZER, 2005).

Em sistemas de longa distância usando a modulação NRZ-DPSK com amplificadores ópticos o ruído de fase não-linear é o fator limitante para sistemas modulados com este formato. Alguns artigos demonstram que a modulação DPSK é particularmente vulnerável a ruído de fase não-linear e tal fenômeno é denominado de efeito Gordon-Mollenaeur (GORDON; MOLLENAUER, 1990).

Outro problema que afeta a modulação NRZ-DPSK é o ruído causado pela ASE (Amplified Spontaneous Emission) gerada pelos amplificadores ópticos, pois tal ruído é convertido em ruído de fase através do efeito Kerr e este distúrbio na fase do sinal óptico causa distorções na forma de onda do sinal (XU; LIU; MOLLENAUER, 2003a ; XU; LIU; MOLLENAUER, 2003b).

O diagrama de blocos do modulador NRZ-DPSK é visualizado na Fig. 4.5 onde o sinal NRZ sinal elétrico tem que ser pré-codificado por um codificador DPSK (DPSK encoder). O