ópticas de nova geração
Júlio César Rodrigues Fernandez de Oliveira*, Reginaldo Silva, Adolfo Fernandes Herbster, Edson Porto da Silva, Luis Henrique H. de Carvalho, Anderson Cleyton Bravalheri, Vitor Bedotti
Ribeiro, Antonio Amauri Juriollo, Marcelo Lopes da Silva
Este trabalho apresenta um sumário das atividades em transmissão óptica realizadas no laboratório de sistemas ópticos reconfiguráveis (LASOR) do CPqD. Sistemas de transmissão coerente operando a 112 Gb/s DP-QPSK e 224 Gb/s DP-16QAM com alta eficiência espectral são apresentados com capacidade de transmissão de até 3.2 Tb/s (32x112 Gb/s), alcance de até 9.000 km além de eficiência espectral de 8,96 b/s/Hz. Uma metodologia de projeto de enlaces de longo alcance é detalhadamente descrita.
Palavras-chave: Transmissão óptica. Recepção coerente. Eficiência espectral. Processamento digital de sinais.
Introdução
A contínua evolução dos meios de comunicação, impulsionada pela disseminação da Internet e seus aplicativos, vem exercendo nas redes de telecomunicações uma contínua necessidade de aumento de capacidade (RENAUDIER et al., 2010). Como os sistemas de comunicações ópticas constituem a principal solução de transmissão de alta velocidade capaz de atender à crescente demanda, eles vêm passando por profundas modificações tecnológicas ao longo dos últimos anos. As redes ópticas evoluíram de redes baseadas em sistemas ponto a ponto com taxas de 2,5 Gb/s para redes ópticas reconfiguráveis a 100 Gb/s (NAG; TORNATORE; MUKHERJEE, 2010). Apesar de os sistemas de transmissão óptica operarem a taxas de 10 Gb/s e serem baseados em modulação de intensidade (OOK), com o avanço das taxas de transmissão, a ocupação espectral necessária para a
manutenção da grade DWDM (Dense
Wavelength Division Multiplexing) (50 GHz) forçou a evolução das estruturas de transmissão e recepção com o intuito de aumentar a eficiência espectral. Nesse contexto, os sistemas de 40 Gb/s passaram a operar, em sua maioria, baseados em estruturas de transmissão com modulação de fase e codificação diferencial com dois bits por símbolo (DQPSK). Já a estrutura de recepção passou a necessitar de um interferômetro para a recepção diferenciada, extraindo a informação da diferença de fase entre bits sucessivos (CHANDRASEKHAR; LIU, 2010). Nesses sistemas, a eficiência espectral evoluiu de 0,5 b/s/Hz (sistemas OOK) para 1 b/s/Hz, tornando possível a transmissão de sinais a 40 Gb/s na grade DWDM. Porém, para sistemas operando a 100 Gb/s, é necessária uma eficiência espectral de 2 b/s/Hz para garantir uma ocupação espectral de um sinal óptico
modulado a 100 Gb/s na grade DWDM. Para obter tal eficiência espectral, os sistemas de transmissão óptica atuais encontram-se em evolução adotando um formato de modulação baseado na multiplexação de polarização com modulação em fase. A utilização da modulação DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying) induz os sistemas ópticos à necessidade de detecção coerente, decorrente da necessidade de recuperação da fase do sinal. Por meio do uso de moduladores DP-QPSK em conjunto com o mecanismo de detecção coerente, torna-se possível a transmissão de sinais a 100 Gb/s na grade DWDM. O uso da detecção coerente, que possibilita a recuperação integral do campo elétrico do sinal recebido, torna possível o uso de forma off-line de algoritmos de processamento digital de sinais para minimização dos efeitos lineares e não lineares do canal de comunicação (SAVORY, 2010).
Na direção de taxas de transmissão cada vez maiores, além do 100 G DP-QPSK com detecção coerente, outros formatos de modulação vêm sendo explorados com o intuito de ampliar a eficiência espectral para mais de 2 b/s/Hz visando as gerações de 400 Gb/s e 1 Tb/s, que deverão suceder os emergentes sistemas operando a 100 Gb/s em um horizonte de médio/longo prazo. Nesse sentido, formatos de modulação N-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) e até OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) óptico vêm sendo utilizados para demonstrar a viabilidade de transmissões a taxas acima de 100 Gb/s em longas distâncias (CAI et al., 2010; GNAUCK et al., 2010; SANO et al., 2010; WINZER, 2010).
Neste trabalho são apresentados os últimos resultados obtidos no CPqD na linha de transmissão óptica de alta velocidade. Na Seção 1, os resultados experimentais de *Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: julioc@cpqd.com.br.
transmissões monocanal e WDM a 112 e 224 Gb/s DP-QPSK e 224 Gb/s DP-16QAM, assim como a validação do 112 G em uma rede experimental, são apresentados. Na Seção 2, a metodologia de projeto de redes de longo alcance utilizada neste trabalho é apresentada em detalhes, sendo executada em dois cenários. 1 Geração e transmissão de sinais em altas
taxas ≥ 100 Gb/s
Nesta seção serão descritos os experimentos de transmissão óptica em altas taxas utilizando um anel de recirculação óptica com chave seletora de comprimento de onda (Wavelength Selective Switch – WSS) para analisar o impacto dos efeitos do meio na transmissão. Os principais parâmetros de desempenho são obtidos com a finalidade de caracterizar o sistema observado. Os formatos de modulação e taxas dos sinais analisados são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 Taxas e formatos de modulação avaliados NRZ RZ iRZ 28 GBd DP-QPSK 112 Gb/s DP-QPSK 112Gb/s DP-QPSK112 Gb/s DP-16 QAM 224 Gb/s DP-16 QAM224 Gb/s 56 GBd DP-QPSK 224Gb/s Os sinais DP-QPSK em 112 Gb/s foram analisados nas configurações monocanal e WDM, e transmitidos através do anel de recirculação óptica. Os canais 224 Gb/s DP-16QAM foram transmitidos somente na configuração monocanal através do anel e os canais DP-QPSK a 224 Gb/s foram gerados e recebidos em configuração back-to-back.
A Figura 1 ilustra a montagem da geração e recepção dos canais em 28 GBd (Gigabaud) e a Figura 2 ilustra a montagem experimental utilizada na geração do canal em 56 GBd. A montagem experimental de transmissão ilustrada na Figura 1 consegue gerar tanto sinais DP-QPSK como DP-16QAM a 28 GBd. Quatro linhas de PRWS (Pseudo-Random Word
Sequences) não correlacionadas, com
comprimento de 215 -1, são geradas pela placa MUX a 28 GBd. A saída de RF da placa MUX é amplificada por drivers com largura de banda de 32 GHz, a fim de obter quatro sinais RF no formato de pulso NRZ e com 7,0 Vpp. Esses sinais são enviados para o modulador DP-QPSK (Vπ = 3,5 V), que modula uma portadora laser (ECL com 100 kHz de largura de linha). O modulador tem largura de banda mínima de 23 GHz e é sintonizado por um controlador de
bias. O sinal óptico modulado DP-QPSK com
112 Gb/s (4 x 28 Gb/s) é conectado a um
controlador de polarização (Polarization Controller – PC), seguindo para um modulador de amplitude, ou pulse carver. Somente um estado de polarização passa pelo pulse carver, que funciona como um polarizador linear. Com o PC, pode-se ajustar o ângulo espacial de incidência entre as polarizações do sinal DP-QPSK e a direção do polarizador de forma que, pela superposição de duas polarizações, um sinal 16QAM ou um sinal QPSK pode ser obtido na saída do pulse carver. Se o pulse carver estiver ligado, pulsos RZ são gerados na sua saída em uma frequência de 28 GHz. Caso contrário, o formato de pulso de saída será o NRZ. Finalmente, um estágio de multiplexação de polarização é utilizado para obter os sinais de 112 Gb/s DP-QPSK (NRZ/RZ) e 224 Gb/s DP-16QAM (NRZ/RZ). A geração de sinais DP-QPSK a 56 GBd é ilustrada na Figura 2. O princípio de obtenção do sinal é praticamente o mesmo do caso 28 GBd. A principal diferença é a utilização de um MUX 2:1 para obter sinais RF a 56 GBd a partir da multiplexação de duas entradas a 28 GBd. Obviamente, o aumento da frequência de operação elétrica é um fator crítico, quando se trata da operação dos dispositivos RF em tão altas taxas, quase nos limites da Microeletrônica. Um exemplo de anel de recirculação pode ser visto na Figura 3. Basicamente, cada anel consiste em uma sequência de trechos, cada um com de dezenas de quilômetros de fibra óptica e estágios de amplificação do sinal óptico, realizados por amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFAs) ou amplificadores Raman, que são posicionados de maneira a compensar a atenuação do sinal ao propagar por cada intervalo de fibra, além de suprir, também, as perdas nos componentes de acoplamento e controle de operação do anel. No anel de recirculação se encontra uma WSS que possui largura de filtro óptico selecionável em 50 ou 100 GHz. Relativo à utilização da WSS, são considerados três cenários:
a) anel de recirculação sem utilização de filtragem ROADM WSS modo direto; b) anel de recirculação utilizando ROADM
WSS com filtro selecionado em 50 GHz; c) anel de recirculação utilizando ROADM
WSS com filtro selecionado em 100 GHz.
A utilização do anel de recirculação permite observar o comportamento da propagação do sinal óptico em enlaces de longo alcance, possibilitando a avaliação dos fenômenos físicos que mais impactam a transmissão, testes rápidos de protótipos que devem ser instalados ao longo de um enlace, além de utilizar menos equipamentos e componentes, se comparado com um enlace de longa distância real, com milhares de quilômetros. No receptor, como
ilustrado no RX da Figura 1, a detecção óptica coerente é usada para recuperar dados transmitidos. A parte óptica da recepção é constituída de duas híbridas de 90°, nas quais o sinal óptico recebido interfere com um laser, que cumpre o papel de oscilador local sintonizável (Local Oscillator – LO), de forma que nesse processo o sinal modulado é trasladado para a banda básica e as componentes de cada uma das polarizações do sinal são separadas.
As saídas das híbridas são detectadas com
quatro fotodiodos balanceados, que convertem a informação do sinal óptico para o domínio elétrico. Esses sinais elétricos são amostrados e digitalizados por dois osciloscópios, cada um possuindo duas portas de entrada temporalmente sincronizadas com taxas de amostragem de 80 Giga-amostras/s e largura de banda elétrica de 30 GHz. Os dados armazenados são processados off-line usando um conjunto de algoritmos apropriados para cada formato de modulação.
Figura 1 Montagem experimental utilizada na geração dos sinais; NRZ/RZ/iRZ DP-QPSK em 112 Gb/s e NRZ/RZ DP-16 QAM em 224 Gb/s com 28 GBd. Telas dos equipamentos para: diagramas de olho, espectros
e constelação de recepção dos respectivos canais transmitidos
Figura 2 Montagem experimental utilizada na geração dos sinais; NRZ DP-QPSK em 224 Gb/s com 56 GBb
Figura 4 Dados recebidos em geração monocanal com 112 Gb/s em DP-QPSK NRZ em 9.353 km 1.1 Testes em campo
Após a consolidação do conhecimento teórico e experimental sobre a geração e recepção dos canais em 112 Gb/s, efetuou-se um teste de transmissão em campo, por uma rede WDM experimental real, a Rede GIGA, que estabelece um link óptico entre Campinas e Rio de Janeiro, ilustrado na Figura 5. A primeira transmissão a 112 Gb/s foi feita entre Campinas e São Paulo, totalizando um percurso 330 km. A Figura 6 ilustra os equipamentos da rede, assim como o diagrama sistêmico do setup.
1.2 Resultados
Nesta seção serão apresentados alguns resultados referentes às medições efetuadas em laboratório e à transmissão em campo pela Rede GIGA.
1.2.1 Resultados monocanal
Nesta subseção são apresentados os resultados do primeiro trabalho de transmissão em canal de 100 Gb/s efetuado pelo grupo LASOR. Os dados levantados em laboratório permitiram avaliar parâmetros tais como:
a) variação de OSNR em função da distância percorrida pelo sinal óptico; b) penalidades por variação nas potências
de transmissão e recepção; e
c) uma estimativa de erro para essas situações.
Também foram obtidos espectros ópticos e os diagramas das constelações demonstrando o impacto da filtragem no canal. A Figura 4 ilustra as constelações recebidas após 9.353 km com uma taxa de erro de bit (Bit Error Rate – BER) abaixo do limite do código corretor de erro (Forward Error Correction – FEC), representando uma comunicação bem-sucedida. Esse é o melhor resultado atingido até então, mostrando grande avanço nos trabalhos efetuados, dado que a primeira transmissão se limitou em 300 km.
Figura 5 Mapa geográfico com a representação da Rede GIGA de Campinas ao Rio de Janeiro
Figura 6 Equipamentos e diagrama sistêmico do teste realizado em campo 1.2.2 Resultados WDM
Aqui são apresentados os resultados experimentais obtidos nos testes de transmissão WDM. A Figura 7 ilustra os desempenhos para as penalidades na recepção, em função do erro – Figura 7 (a) – e em função da degradação de OSNR – Figura 7 (b). É verificado um alcance máximo de 4.000 km com possibilidade de se recuperar o sinal com aplicação de FEC para o sistema operando sem filtragem óptica no anel de recirculação. Quando operando com filtragem óptica de 100 GHz, um desempenho muito semelhante é verificado, como esperado, por conta da perda de componentes espectrais, uma vez que o cascateamento de filtros de 100 GHz não é capaz de penalizar o sinal que se encontra na grade de 50 GHz com uma ocupação espectral compatível com essa grade. Porém, utilizando filtros ópticos mais estreitos (ROADMs operando na grade de 50 GHz), verifica-se que, a
Figura 7 (a) Representação do desempenho para três configurações, sem filtro, com filtro de 50 GHz
e filtro de 100 GHz; (b) Degradação de OSNR em função do número de voltas no loop
partir de 11 voltas no anel (2.500 km), a penalidade imposta pela filtragem está presente, limitando o alcance máximo do sistema em 3.600 km.
Para os valores analisados, apresentam-se na Tabela 2 algumas constelações obtidas para as configurações apresentadas no gráfico da Figura 7. É possível visualizar a degradação da constelação recebida em função do número de voltas e o impacto gerado pela filtragem óptica.
Tabela 2 Constelações resultantes da análise de filtragem na transmissão 32x112 G NRZ-DP-QPSK
coerente
1 volta 9 voltas 18 voltas
Sem filtro
Filtro 50 GHz
Filtro 100 GHz
O comportamento apresentado na análise de filtragem é apresentado na Figura 8, na qual é possível confirmar o comportamento verificado na transmissão de 32 canais em 112 Gb/s NRZ-DP-QPSK. É demonstrado que o consumo de banda é o mesmo independentemente da banda do filtro. Nesse caso, para 5 voltas, foi de 12,5 GHz (0,1 nm). Sendo assim, é compreensível que o canal modulado a 112 Gb/s, que ocupa 56 GHz, espectralmente, seja bem mais penalizado quando transmitido na grade de 50 GHz que na de 100 GHz. Para a WSS com filtragem em 50 GHz, o cascateamento dos filtros impõe uma redução de
banda a 3 dB após 5 filtragens, o que resulta em uma filtragem de 37,5 GHz. A redução de banda a 10 dB resulta em uma filtragem de 33,75 GHz exibindo uma diminuição de 16,25 GHz. Para a WSS operando em 100 GHz, resultados semelhantes são verificados, sendo que a redução espectral verificada até 30 voltas não chega a eliminar componentes espectrais do sinal que ocupa a banda de 56 GHz.
(a)
(b)
Figura 8 (a) 50 GHz e (b) 100 GHz – Representação do impacto da filtragem gerada pela WSS, para 1,
5, 15 e 30 em loop
A Figura 9 (a), (b) e (c) ilustra os espectros ópticos resultantes da propagação após 9 voltas (2.025 km) de 32x112 G NRZ-DP-QPSK nas três configurações realizadas (sem filtragem, 50 GHz e 100 GHz).
A partir da análise da Figura 9, com a comparação dos níveis de potência e OSNR dos canais, podemos verificar que o perfil espectral para o sistema sem e com filtragem de 100 GHz é semelhante, exceto para o canal filtrado antes da recepção. Já para o espectro de 50 GHz, Figura 9 (b), verificamos que a filtragem óptica mais estreita, apesar de apresentar inicialmente um fator negativo, pode ser benéfica por conta da minimização do ruído ASE nos canais adjacentes, elevando a relação sinal-ruído óptica e a potência dos canais recebidos. Porém, esse ganho introduzido pela filtragem em 50 GHz é
inferior à penalidade inserida pelo consumo de componentes espectrais, tornando o sistema que opera nessa grade mais penalizado que na grade de 100 GHz ou com ausência de filtragem. 1.3 Resultados Rede GIGA
Após avaliados os dados obtidos com a transmissão pela Rede GIGA, pôde-se comparar o desempenho obtido do teste de campo com o desempenho dos testes realizados pelos principais fornecedores de tecnologia de transmissão óptica do mundo. A Tabela 3 ilustra o posicionamento do CPqD em relação a outros centros de pesquisa e empresas da área de telecomunicações. Canal analisado C41 (a) Canal filtrado em 50GHz (b) Canal filtrado em 100 GHz (c)
Figura 9 Espectro recebido após a propagação de 32x112 Gb/s NRZ-DP-QPSK por 2.025 km (9 voltas), no anel de recirculação: (a) sem filtro; (b)
Tabela 3 Testes em campo efetuados pelas maiores empresas de telecomunicações
Siemens & AT&T & other
(US)
Alcatel Lucent Deutsche Telecom (GER)
Ciena &
Caltech (US) Nokia Siemens& Verizon (US) Alcatel Lucent &Verizon (US)
CPqD (BRA) Distância 160 km 500 km 80 km 1.040 km 504 km 330 km Formato de modulação 107G VSB-OOK 107G VSB-OOK 112 G DP-QPSK 111 G PDM-QPSK 107 G DQPSK 112 G NRZ DP-QPSK Taxa de símbolo 107 Gbaud 107 Gbaud 28 Gbaud 28 Gbaud 53.5 Gbaud 28 Gbaud
WDM 8 x 107 G 10/40/100 G 10/100 G 6x10G/112G
Tempo real OK OK OK NOK OK NOK
Recepção DD DD DD w/poltrack Coherent DD Coherent
ano 2007 2009 2008 2008 2007 2011
Fonte: RAYBON et al., 2010 e CPqD
Nos testes realizados na Rede GIGA, podemos destacar o fator estabilidade do sistema. A Figura 10 ilustra o resultado do teste.
Figura 10 Gráfico da análise temporal de variação da qualidade do sinal recebido na primeira etapa dos testes realizados na Rede GIGA com loopback
em São Paulo
1.3.1 Resultados dos canais 224 Gb/s com DP-16 QAM
Em 2011, um passo importante foi dado pelo LASOR na direção do progresso da área de transmissão óptica em altas taxas, vislumbrando-se as tecnologias que podem, num futuro próximo, suceder os sistemas a 112 Gb/s. Nesse contexto, foram implementados os primeiros conjuntos de algoritmos de processamento digital de sinais e realizados os primeiros testes experimentais para a transmissão com um novo formato de modulação – o DP-16QAM – elevando, dessa maneira, a taxa transmitida de 112 para 224 Gb/s. A Figura 11 apresenta um resultado experimental de transmissão em back-to-back obtido em laboratório. Observa-se, detalhadamente, o resultado de cada etapa do tratamento digital do sinal recuperado até a obtenção das constelações 16QAM de cada polarização do sinal. O trabalho, nessa linha de pesquisa em particular, demanda um pouco mais de engenhosidade e improviso dos pesquisadores,
uma vez que as restrições físicas para a realização da transmissão nesse formato de modulação são significativamente maiores do que as impostas ao DP-QPSK. Contudo, a equipe do LASOR rapidamente obteve resultados próximos daqueles recentemente publicados por outros pesquisadores da mesma área (GNAUCK et al., 2010) e contribuiu também com análises adicionais já submetidas para publicação em uma das principais conferências mundiais voltadas a sistemas de comunicações ópticas e fotônica.
1.3.2 Resultados dos canais 224 Gb/s com 56 GBd
Com essa configuração, o alcance em fibra foi verificado, sendo necessária a inserção de amplificadores ópticos, degradando o sinal. O comprimento do enlace testado foi de 40,0 km na configuração de geração ilustrada pela Figura 2. Os resultados obtidos em termos de constelação e BER são apresentados na Figura 12.
Figura 11 Resultado de uma transmissão experimental back-to-back 28 GBd DP-16QAM
Figura 12 Constelações recebidas em uma configuração Tx/Rx (sem propagação por fibras),
em um canal DP-QPSK 224 Gb/s com 56 GBd 2 Projeto de sistemas ópticos de longo
alcance – Anel de recirculação
O primeiro passo neste projeto foi a definição do comprimento do enlace entre cada amplificador. Ao considerar enlaces idênticos e amplificadores com mesmo desempenho óptico, é possível estimar a OSNR no final do sistema de transmissão.
Com os requisitos dos amplificadores, partiu-se para o projeto óptico. Parâmetros ópticos do amplificador, a exemplo figura de ruído e desequalização, são obtidos por meio de testes ópticos.
No terceiro passo, é estimada a distância máxima teórica, considerando as perdas dos componentes ópticos responsáveis pelo controle do anel de recirculação, como, por exemplo, a chave óptica e o atenuador monitor. Com um projeto-modelo do anel de recirculação, é determinada a potência ótima de transmissão, considerando um modelo de simulação, em que se extrai a BER em função da potência de transmissão. No quarto passo, o limite de não linearidade é obtido e considerado na análise dos resultados.
Embora o projeto do amplificador contemple requisito de planicidade de ganho, após várias amplificações no enlace óptico, a desequalização do espectro do sinal é superior a 1 dB, por conta da desequalização residual presente em cada amplificador, tornando o desempenho do sistema aquém do máximo. Dessa maneira, a quinta etapa consiste na equalização do sinal óptico após a passagem pelo enlace óptico, que, por sua vez, consiste em uma volta através do anel de recirculação. A equalização é realizada por meio de um filtro óptico dinâmico.
No sexto e último passo, os resultados obtidos por meio de simulação do sistema são analisados, considerando: o comprimento do enlace especificado, o projeto do amplificador, as perdas dos componentes ópticos do anel de recirculação, o comprimento por volta do anel e a potência óptica de transmissão ótima.
O fluxograma da metodologia proposta é ilustrado na Figura 13. É importante observar que, nesse fluxograma, a metodologia é um processo contínuo de melhoramento, em que os resultados obtidos são os mais próximos dos requisitos inicialmente especificados. Caso os requisitos não sejam atendidos nos passos intermediários, é necessário iniciar todo o processo com a finalidade de obter bons resultados.
2.1 Simulação do sistema óptico
É considerado um anel de recirculação composto por sete enlaces de 40 km. São utilizados oito amplificadores ópticos a fibra dopada com érbio para compensar as perdas acumuladas (fibra e componentes de controle do anel de recirculação), utilizando, dessa forma, um enlace de 280 km.
Figura 13 Fluxograma que descreve a metodologia para projeto de um anel de
recirculação
O primeiro resultado apresentado é o valor da OSNR em função da distância percorrida pelo sinal, conforme ilustra a Figura 14. De acordo com o resultado apresentado na Tabela 5, em 7.713 km, considerando perdas adicionais de 13,5 dB, a OSNR do sinal óptico é de 20 dB. Conforme ilustrado na Figura 15, a OSNR média do sinal óptico será de 20 dB em 6.160 km.
Figura 14 OSNR em função da distância percorrida pelo sinal óptico composto por
32 canais modulados a 112 Gb/s
Há, portanto, um erro que representa 20% do valor obtido por meio da simulação. Essa discrepância dos valores analíticos é consequência da simplificação analítica realizada para estimar a OSNR, visto que a expressão utilizada considera um sinal óptico com apenas um canal e sem nenhum tipo de efeito degenerativo, apenas a adição de ruído óptico decorrente do processo de amplificação.
Nessa simulação, a OSNR de entrada é de aproximadamente 37 dB. É observado que a redução da OSNR na primeira volta do anel é mais acentuada que nas demais voltas.
Há três curvas ilustradas na Figura 14 que representam os valores máximos, mínimos e médios de OSNR para todos os 32 canais ópticos utilizados. Como a diferença de valores entre os máximos e mínimos é pequena, a desequalização do sinal óptico é baixa, conforme ilustra a Figura 16. Durante toda a propagação óptica, a desequalização é abaixo de 0,5 dB no sinal do anel de recirculação.
Figura 15 OSNR em função da distância percorrida pelo sinal óptico composto por 32 canais modulados a 112 Gb/s para vários
comprimentos de enlaces ópticos
A Figura 15 ilustra a OSNR em função da distância percorrida pelo sinal óptico para diversos comprimentos do anel de recirculação. Entretanto, à medida que a distância total percorrida é elevada, os valores de OSNR para as diferentes condições (280, 360, 440, 520 e 600 km) são bastante distintos, conforme pode ser verificado pelos resultados apresentados na Tabela 4.
Tabela 4 Desempenho da OSNR média do sinal óptico para diferentes comprimentos de enlaces
Distância do enlace (km) Distância total (km) @ OSNR = 20 dB Distância total (km) @ OSNR = 19 dB Valor Erro Valor Erro 280 5880 23,77 7402 4,03 360 6120 25,89 7626 7,65 440 6699 22,15 8408 2,29 520 6703 24,74 8412 5,55 600 6716 25,54 8424 6,61 Sem perdas 7188 - 9020
-Considerando a OSNR-alvo de 20 dB, há erro máximo de 25,89% entre os valores obtidos de forma analítica e por meio de simulação sistêmica. Considerando uma variação de 5% da OSNR, ou seja, uma OSNR-alvo de 19 dB, o erro máximo é de 7,65%, de acordo com os dados apresentados na Tabela 4.
Figura 16 Desequalização do sinal óptico em função da distância percorrida pelo sinal óptico
A Figura 17 ilustra a BER em função da distância percorrida pelo sinal óptico. Foram analisadas as voltas 5, 10, 15, 20, 25, 30 e 35, totalizando, respectivamente, 1.400, 2.800, 4.200, 5.600, 7.000, 8.400 e 9.800 km. O aumento da BER é
semelhante à redução da OSNR em função da distância percorrida pelo sinal óptico. Conforme ilustra a Figura 17, para 9.800 km, a taxa de erro obtida é de 4,06e-3.
Figura 17 BER em função da distância percorrida pelo sinal óptico composto por 32 canais
modulados a 112 Gb/s
Conclusão
Neste trabalho foram apresentados os últimos resultados em transmissão óptica de alta velocidade realizados no CPqD. Foram feitos experimentos laboratoriais com transmissões a taxas de 112 Gb/s e 224 Gb/s por até 9.000 km e até 3,2 Tb/s de capacidade agregada na fibra. Esses resultados demonstram a viabilidade técnica de se transmitir sinais com taxas superiores a 100 Gb/s por longas distâncias e com alta eficiência espectral, tanto em laboratório como em fibras comerciais em operação, sem grandes mudanças no enlace. A base tecnológica adquirida habilita o desenvolvimento de produtos e equipamentos baseados em altas taxas em um futuro próximo vislumbrado pelo CPqD.
Referências
CAI, J.-X. et al. Transmission of 96x100G pre-filtered PDM-RZ-QPSK channels with 300% spectral efficiency over 10,608km and 400% spectral efficiency over 4,368km. In: CONFERENCE ON OPTICAL FIBER COMMUNICATION/NATIONAL FIBER OPTIC ENGINEERS CONFERENCE (OFC/NFOEC), 2010, San Diego, USA. PDPB10. 2010.
CHANDRASEKHAR, S.; LIU, X. 40 Gb/s DBPSK e DQPSK Formats for Transparent 50 GHz DWDM Transmission. Bell Labs Technical Journal, v. 14, n. 4, p. 11-25, 2010.
GNAUCK, A. et al. 10 x 224-Gb/s WDM transmission of 28-Gbaud PDM 16-QAM on a 50-GHz grid over 1,200 km of fiber. In: CONFERENCE ON OPTICAL FIBER COMMUNICATION/NATIONAL FIBER OPTIC ENGINEERS CONFERENCE (OFC/NFOEC), 2010, San Diego, USA. PDPB8. 2010.
NAG, A.; TORNATORE, M.; MUKHERJEE, B. Optical Network Design with Mixed Line Rates and Multiple Modulation Formats. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, v. 28, n. 4, p.466-475, 2010.
RAYBON, G. et al. 100 Gb/s DQPSK field trial: Live video transmission over an operating LambdaXtreme® network. Bell Labs Technical Journal, v. 14, n. 4, p. 85-113, 2010. Disponível em: <http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bltj .20406/abstract>. Acesso em: out. 2011 DOI: 10.1002/bltj .20406.
RENAUDIER, J. et al. 8 Tb/s Long Haul Transmission Over Low Dispersion Fibers Using 100 Gb/s PDM-QPSK. Bell Labs Technical Journal, v. 14, n. 4, p. 27-45, 2010.
SANO, A. et al. 69.1-Tb/s (432 x 171-Gb/s) C-and extended L-bC-and transmission over 240 km using PDM-16-QAM modulation and digital coherent detection. In: CONFERENCE ON OPTICAL FIBER COMMUNICATION/NATIONAL FIBER OPTIC ENGINEERS CONFERENCE (OFC/NFOEC), San Diego, USA, 2010. PDPB7. 2010.
SAVORY, S. J. Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, v. 16, n. 5, p. 1164-1179, Sept.-Oct. 2010.
WINZER, P. Beyond 100G Ethernet. IEEE Communications Magazine, v. 48, n. 7, p. 26-30, 2010.
Tabela 5 Distância total considerando o comprimento do anel de recirculação e as
perdas dos componentes de controle
Comprimento do anel (km) Distância total (km) Pior caso (13,5 dB) Melhor caso(11,0 dB) 200 6734 7369 280 7713 8168 360 8258 8611 440 8605 8893 520 8906 9090 600 9020 9232
Abstract
This work presents a summary of the optical transmission activities performed in the Reconfigurable Optical Systems Laboratory (LASOR) at CPqD. Coherent transmission systems operating at 112 Gb/s (DP-QPSK) and 224 Gb/s (DP-16QAM) with high spectral efficiency are presented with transmission capacity, reach and spectral efficiency up to 3.2 Tb/s (32x112 Gb/s), 9000 km and 8.96 b/s/Hz, respectively. A long haul systems project metodology is described in detail.
