Zmodulowane sygnały optyczne w obecności szumu

Transkrypt

1 Zbigniew Zakrzewski Instytut Telekomunikacji Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy Zmodulowane sygnały optyczne w obecności szumu Przedstawiono zasadnicze parametry modulacji optycznych w dziedzinie częstotliwości. Scharakteryzowano funkcje przenoszenia sygnałów zmodulowanych przez komponenty systemu światłowodowego. Wymieniono podstawowe własności intensywności modulacji oraz szumów optycznych. Przeanalizowano właściwości różnych formatów impulsu optycznego oraz wielowartościowych modulacji fazy DPSK w obecności szumów. 1. Wprowadzenie Przesyłanie dużej ilości informacji w sieciach rozległych stało się faktem. Rozwój komputerowych sieci pakietowych oraz bezprzewodowych i komórkowych sieci multimedialnych wnosi duże zapotrzebowanie na sieci szkieletowe o wysokich przepływnościach bitowych. Jedynym medium, które jest w stanie przenieść tak dużą ilość informacji jest światłowód oraz sprzężony z nim wydajny system optotelekomunikacyjny. Rozwój technik optotelekomunikacyjnych wydaje się nie ustępować innym dziedzinom wysokich technologii składających się na całość gałęzi teleinformatycznej. Postęp ten można zawdzięczać ciągłemu rozwojowi różnych technologii wspomagających się nawzajem. Wydajny system teletransmisyjny powinien składać się ze źródeł światła np. jednomodowych laserów DFB o dużej mocy wyjściowej, modulatorów optycznych zespolonych z laserami lub zewnętrznych, wzmacniaczy optycznych EDFA i Ramana, dostosowanych telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych, kompensatorów dyspersji oraz czułych szerokopasmowych i niskoszumowych detektorów światła. Każdy z wymienionych składników światłowodowego toru transmisyjnego posiada określony wpływ na przesyłany sygnał zmodulowany według określonych kryteriów i standardów. Parametrami finalnymi, które warunkują transmisję są: szerokość pasma przenoszenia systemu, wierność odtwarzania sygnału oraz odstęp sygnału od szumu (OSNR) w poszczególnych punktach toru oraz w chwili demodulacji i odbioru. 2. Klasyczna modulacja optyczna i jej parametry Teoria sygnałów zmodulowanych jest niewątpliwie dziedziną, która jest oparta na teorii przetwarzania sygnałów różnorakiego pochodzenia. Sposób modulacji sygnału nośnego, w praktyce, jest ściśle związany z medium transmisyjnym oraz urządzeniami nadawczo-odbiorczymi jak też stopniem zaawansowania oraz kosztów technologii wytwarzania poszczególnych komponentów składowych całego systemu teletransmisyjnego. Najprostszym systemem modulacji w transmisji cyfrowej jest tzw. kluczowanie impulsowe (OOK On/Off Keying), czyli przerywana transmisja. Samuel Morse nadał w 1844 roku pierwszą wiadomość telegraficzną z miasta Baltimore do Waszyngtonu, stosując pierwszą wersję modulacji OOK nazwaną później kodem Morsa. Do chwili obecnej modulacja OOK zachowała się jedynie w teletransmisyjnych systemach światłowodowych, dochodząc do granic stosowalności. Modulacja OOK jest bardzo prostą formą modulacji amplitudy, gdzie w systemach światłowodowych sygnałem modulującym jest bitowy strumień danych, zaś sygnałem modulowanym (nośną) jest określony zbiór fal świetlnych [1]. Na rys. 1 przedstawiono najprostszy przypadek, gdzie głębokość modulacji wynosi 100%, sygnałem modulującym jest sygnał

2 sinusoidalny, zaś nośną pojedyncza fala optyczna. Każdy z dwóch produktów modulacji (składowych bocznych) reprezentuje sobą jedną z połówek mocy optycznej nośnej. a) b) Moc optyczna 1 GHz 1 GHz 6 db Szum emisji spontanicznej Moc optyczna 1 ns Maksymalna moc optyczna Średnia moc optyczna Optyczna nośna f [THz] Częstotliwość optyczna Rys. 1. Przykład sygnału modulacji intensywności świecenia światła: a) widmo mocy nośnej f M = 193 THz (λ M = 1554,4 nm) zmodulowanej sygnałem sinusoidalnym o f m = 1 GHz, b) moc sygnału zmodulowanego w dziedzinie czasu. Oczywiście przedstawiony system modulacji jest kluczowym systemem stosowanym w transmisji światłowodowej, jednak nie pozwalającym na osiągnięcie imponujących szybkości bitowych oraz zasięgów w transmisji jednokanałowej, a tym bardziej w transmisji wielokanałowej DWDM lub UWDM. Składa się na to wiele zjawisk występujących w torze światłowodowym, które zostaną poruszone w dalszych paragrafach. 2.1 Parametry sygnału zmodulowanego w dziedzinie częstotliwości W celu optymalizacji wydajności systemu transmisyjnego wysokiej przepływności, musi być przeprowadzonych kilka analiz oraz pomiarów dziedziny częstotliwości wielu składników oraz urządzeń wchodzących w skład całego systemu optotelekomunikacyjnego. Ogólnie tego typu pomiary można podzielić na trzy główne kategorie [1]: Określenie funkcji przenoszenia sygnału zmodulowanego transmitancja; Analiza sygnału zmodulowanego; Charakterystyka intensywności szumu Funkcja przenoszenia sygnału zmodulowanego Określenie funkcji przenoszenia sygnału zmodulowanego jest konieczne szczególnie w przypadku, gdy składnik optyczny posiada graniczne pasmo modulacyjne z określoną charakterystyką amplitudowo-fazową. W cyfrowych systemach, gdzie stosuje się binarny format NRZ (Non-Return-to-Zero) z modulacją OOK, pasmo modulacji winno być większe niż połowa przepływności bitowej. Na przykład dla strumienia 1 Gbit/s powinno być zapewnione co najmniej pasmo 500 MHz. Dodać należy, iż przy takim paśmie odpowiedź fazowa, szczególnie przy zaawansowanych modulacjach, musi być bardzo liniowa, aby nie doszło do interferencji międzysymbolowej (ISI InterSymbol Interference). W przypadku zastosowania formatu RZ (Return-to-Zero) zapotrzebowanie na pasmo modulacyjne wzrasta do co najmniej szybkości bitowej, czyli do 1 GHz. Funkcję przenoszenia sygnału zmodulowanego przenoszonego przez komponent systemu można wyznaczyć przy pomocy podstawowego wyrażenia: O( jω ) H( jω ) = (1) I jω ( ) gdzie: O( jω ) - wyjściowa odpowiedź składnika systemu, I( ) Czas t [ns] jω - wejściowy sygnał pobudzający. W celu pomiaru funkcji przenoszenia najczęściej stosuje się analizator składników optycznych (LCA Lightwave Component Analyzer) zbudowany na bazie platformy kierunkowego analizatora różnych połączeń, uwzględniającego kierunek propagacji sygnału (VNA - Vector Network Analyzer). W skład platformy testera optycznego wchodzi skalibrowane źródło światła oraz

3 skalibrowany odbiornik (detektor światła). Sygnał elektryczny dostarczony do źródła światła moduluje falę nośną, zaś odbiornik wykrywa falę modulującą. W efekcie powstają cztery kombinacje pomiarowe: E/O, O/E, O/O oraz E/E, gdzie E sygnał elektryczny, O sygnał optyczny. Wśród powyższych trybów pracy można znaleźć odpowiedni do pomiaru dowolnych składników systemu np.: źródła światła, detektora światła, światłowodu, wzmacniacza optycznego, zewnętrznego modulatora optycznego [2]. W przypadku półprzewodnikowego lasera DFB, mierzonego trybem E/O, można zaobserwować i zmierzyć stopień oddziaływania szybkości modulacji na odpowiedź amplitudowo-fazową. Na podstawie tego pomiaru można wstępnie określić najlepsze warunki pracy lasera lub zakres dopuszczalnych warunków intensywności modulacji. Na szczególną uwagę zasługuje możliwość pomiarowa zewnętrznych modulatorów oraz demodulatorów optycznych, których rozwój warunkuje nam w przyszłości znaczne zwiększenie bitowej przepływności w kanale optycznym. Zewnętrzne modulatory optyczne najczęściej są budowane na bazie interferometrów Macha-Zehndera (MZ). Optyczna odpowiedź modulatora MZ jest funkcją napięcia polaryzującego (modulującego). Zatem stosując także tryb E/O, można wyznaczyć krzywą pracy modulatora MZ rys. 2, na podstawie której można określić takie parametry jak: Stratę wtrąconą, która stanowi tłumienie optyczne w maksymalnym punkcie transmisyjnym krzywej; Napięcie przełączające, V π, które stanowi różnicę napięć dla maksymalnego i minimalnego punktów transmisyjnych; Współczynnik ekstynkcji, który określa stosunek maksymalnego do minimalnego optycznego poziomu transmisji; Nominalny punkt pracy, który określa się dla takiego napięcia sterującego, które wyznacza środek między maksymalnym i minimalnym poziomem transmisyjnym. V π Transmisja optyczna Maksimum transmisji Minimum transmisji Napięcie sterujące Standardowy punkt pracy Liniowy zakres pracy Rys. 2. Charakterystyka przenoszenia interferometru Macha-Zehndera w funkcji napięcia sterującego. Odpowiedź modulatora jest liniowa w bardzo małym zakresie odchylenia od nominalnego punktu pracy. Gdy modulator pobudzimy przebiegiem sinusoidalnym o pulsacji ω m, odpowiedź optyczną mocy światła I() t można zapisać jako [1]: I V 0 b + E( ωm) Vpcos( ωmt) I() t = 1 + cos π (2) 2 V π gdzie: I 0 - maksymalna transmitowana moc światła, E ( ω m ) - zależna od pulsacji sygnału modulującego efektywność modulacji, V p - najwyższe napięcie dostarczane do modulatora, V π - napięcie przełączające, V b - przestrajalne napięcie przesuwające punkt pracy modulatora na krzywej przenoszenia [3].

4 W skład układów, których funkcja przenoszenia sygnału mierzona jest w trybie O/E, wchodzą różnego rodzaju odbiorniki światła oraz fotodetektory. W tym trybie wyznacza się charakterystykę nachylenia odpowiedzi odbiornika na pobudzenie modulacyjne w określonym zakresie pracy odbiornika. Odpowiedź może być przedstawiona jako elektryczny poziom amplitudy w funkcji częstotliwości modulującej lub jako stałość fazy sygnału elektrycznego w funkcji częstotliwości modulującej [1]. Tryb O/O pozwala na pomiar funkcji przenoszenia dowolnego urządzenia lub układu z wejściem i wyjściem optycznym. Najczęściej jest to pomiar dyspersji chromatycznej (CD Chromatic Dispersion) światłowodu, gdzie grupowe opóźnienie w światłowodzie jest obliczane na podstawie zmierzonej odpowiedzi fazowej. Oczywiście wcześniej powinna być dostosowana odpowiednia częstotliwość optyczna oraz skalibrowane grupowe opóźnienie Analiza sygnału zmodulowanego W skład analizy optycznego sygnału zmodulowanego wchodzą: głębokość modulacji, odporność sygnału oraz różnego rodzaju zniekształcenia. Większość tych pomiarów można dokonać przy pomocy analizatora sygnałów optycznych (LSA Lightwave Signal Analyzer), czyli innymi słowy elektrycznego analizatora widma z wejściem optycznym. Sygnał optyczny doprowadzony do wejścia optycznego wstępnie wyregulowany przy pomocy tłumika optycznego, zostaje przekonwertowany do postaci elektrycznej (wydzielenie sygnału modulującego) oraz wzmocniony [4]. Jako stały podkład mocy elektrycznej zostaje przyjęta uśredniona moc optyczna nośnej. Intensywność modulacji, w przypadku pojedynczego sygnału zmodulowanego, można zmierzyć przy pomocy analizatora cyfrowych sygnałów telekomunikacyjnych (DCA Digital Communications Analyzer), który oparty jest na platformie oscyloskopu z wejściem optycznym. W przypadku, gdy liczba sygnałów zmodulowanych jest większa, należy zastosować analizator LSA. Głębokość modulacji optycznej (OMD Optical Modulation Depth) można określić przy pomocy zależności: P( fm ) OMD = (3) Psr P f - maksymalna moc optyczna zmodulowanej nośnej w funkcji sygnału modulującego gdzie: ( ) m rys. 1b), P sr - średnia moc optyczna rys. 1b). W praktyce żadne urządzenie nie jest liniowe, dlatego powstaje wiele zniekształceń, które należy mierzyć lub szacować, żeby określić przydatność danego składnika systemu do konkretnych zastosowań. Do najczęściej występujących zniekształceń należą zniekształcenia harmoniczne oraz intermodulacyjne. Zniekształcenia harmoniczne wynikają z faktu, iż część mocy sygnału nośnego jest przenoszona przez składowe harmoniczne wyższych rzędów, pochodzące ze zniekształceń nieliniowych, co można określić przy pomocy ogólnej zależności łącznego zniekształcenia harmonicznego THD (Total Harmonic Distortion): P( 2fm) + P( 3fm) +! + P( nfm) THD = 10log P( fm ) [db]. (4) Zniekształcenia intermodulacyjne występują w przypadku, gdy w sygnale znajdują się dwa lub więcej sygnałów zmodulowanych. Wówczas zniekształcenie intermodulacyjne ID (Intermodulation Distortion) jest obserwowane jako produkty interakcji sygnałów zmodulowanych w postaci sumy i różnicy częstotliwości. Dla trzech sygnałów zmodulowanych zniekształcenie intermodulacyjne trzeciego rzędu można wyrazić zależnością: P( fi ± f j ± fk) ID3( fi ± f j ± fk) = (5) P( fi ) Szczególnie nieprzyjemną formą zniekształcenia intermodulacyjnego jest trzeciego rzędu intermodulacja (IMD) dwóch położonych blisko siebie sygnałów, gdyż sygnały IMD usytuowane są bardzo blisko oryginalnych częstotliwości modulujących. Określa to stosunek:

5 IMD 2 ( fi f j) ( 2 i j) P f f = (6) P f Charakterystyka intensywności szumu W przypadku wielu układów optycznych widmo szumu i jego intensywność jest znaczącym parametrem określającym możliwości systemu transmisyjnego w przenoszeniu informacji. Właśnie odstęp sygnału od szumu określany jako stosunek sygnału do szumu SNR (Signal to Noise Ratio) w powiązaniu z odpornością sygnału na zaszumienie i jego efektywnością widmową, określa graniczne parametry systemu teletransmisyjnego [5]. Parametr ten w przypadku systemów optycznych, jako zbiorczy, nazywany jest Optical SNR OSNR [7] i może być mierzony przy pomocy optycznych analizatorów widma OSA (Optical Spectrum Analyzer). Pomiarów intensywności szumów najczęściej dokonuje się przy pomocy analizatora LSA. W przypadku pomiaru intensywności szumu lasera stosuje się także fotoodbiornik z miernikiem obrazu szumu lub elektrycznym miernikiem mocy, uzyskując konkretny wynik (od 5 do 10 db) bez możliwości pomiaru charakterystyki widmowej szumu. Pomiary wykazują, iż poziom generowanych szumów przez laser jest zależny od prądu podkładowego jak też od intensywności modulacji. Dodatkowo w laserach półprzewodnikowych DFB mogą być obserwowane duże negatywne wpływy efektów odbiciowych (w przypadku braku izolatora optycznego), pochodzących od niedoskonałych połączeń w torze światłowodowym, na intensywność szumu w obecności modulacji [6]. Tego typu pomiary mogą być także wykonywane przy pomocy analizatorów LSA. Relatywny poziom (intensywność) szumu (RIN Relative Intensity Noise) jest bardzo istotnym parametrem, na podstawie którego dokonuje się oceny odstępu sygnału od szumu SNR. RIN definiujemy jako [1]: 2 ( P) RIN = (7) 2 P gdzie: ( P) 2 - średniokwadratowa intensywność fluktuacji gęstości widma sygnału optycznego, ( ) Psr - uśredniona moc optyczna. Zależność współczynników RIN oraz SNR można zapisać: S N sr ( OMD) 2 = (8) 2B RIN gdzie: B pasmo szumu. Pomiar większej ilości komponentów szumowych, w połączeniu z RIN półprzewodnikowych laserów DFB lub obrazu szumu, może być wykonany przy pomocy analizatora widma OSA. Zatem w skład mierzonych szumów będą wchodziły szumy lasera, śrutowe oraz termiczne (szumy odbiornika) [1]. 3. Modulacje optyczne zwiększające wydajność kanału optycznego Do niedawna dziedzinami telekomunikacyjnymi, w których można było obserwować dynamiczny rozwój technik modulacyjnych była łączność bezprzewodowa oraz łączność modemowa (kablowa i kanałowa). W chwili obecnej można zaobserwować wdrażanie określonych technik modulacyjnych także w systemach światłowodowych dużych przepływności. Jak wcześniej zostało wspomniane, ograniczenia klasycznej modulacji OOK, wiążą się z granicą technologiczną wytwarzania elementów optoelektronicznych. Oczywiście w tym kontekście nie zostało powiedziane ostatnie słowo, czego dowodem są ciągle prowadzone badania nad zwiększaniem wydajności widmowej kluczowanego elementu w obecności szumów optycznych. Alternatywą dla modulacji OOK, w systemach światłowodowych, stały się modulacje fazowe PSK (Phase Shift Keying), których pierwsze implementacje pochodzą z połowy lat 80-tych. W chwili obecnej zapotrzebowanie na tego typu techniki jest szczególnie wysokie. Wynika to z przepływności bitowej w kanale optycznym, która doszła do 40 Gbit/s. Przy tak wysokiej przepływności szczególną uwagę należy zwrócić na zjawiska dyspersyjne, występujące w ( ) i

6 światłowodzie jednomodowym SMF (Single Mode Fiber), takie jak CD oraz PMD (Polarization Mode Dispersion) oraz ograniczenia wynikające z nieliniowości Ramana, Brillouin oraz samomodulacji fazy. Z grupy modulacji fazowych największą popularnością, w nowoczesnych systemach światłowodowych, cieszy się wielowartościowa modulacja DPSK (Differential Phase Shift Keying). Dodatkowego zwiększenia wydajności modulacji można dokonać dobierając odpowiedni format optycznego impulsu przebiegu nośnego. Do takich formatów należą NRZ, RZ oraz CSRZ (Carrier Suppressed Return to Zero). a) Moc optyczna Maksymalny punkt pracy b) Moc optyczna Minimalny punkt pracy 0 T t 0 T t 2Vπ Napięcie sterujące [V] 2Vπ Napięcie sterujące [V] 0 0 t T c) Moc optyczna Maksymalny punkt pracy Sygnał optyczny t T t Vπ Napięcie sterujące [V] Elektryczny sygnał pobudzający t Rys. 3. Czasowo napięciowe charakterystyki pracy modulatorów generujących sygnały optyczne w formatach [8,10]: a) RZ, b) CSRZ, c) NRZ. Powszechnie stosowany format NRZ w chwili obecnej mocno ogranicza możliwości transmisyjne systemów. Sygnał NRZ jest szczególnie podatny na działanie efektów nieliniowych takich jak mieszanie cztero-falowe (FWM Four Wave Mixing), samo-modulacja fazy (SPM Self-Phase Modulation) lub modulacje międzyfazowe (CPM Cross-Phase Modulation). Zastosowanie światłowodów o dużej powierzchni efektywnej modu podstawowego oraz o relatywnie wysokiej dyspersji chromatycznej (ITU-T: G.655 (NZDSF), G.655b (A-NZDSF dla DWDM o odstępie między-kanałowym 50 i 25 GHz)), można zredukować tego typu nieliniowości. Jeszcze większy wpływ na złagodzenie tego typu efektów ma zastosowanie formatu RZ lub CSRZ [11]. Format RZ optycznych impulsów może być wygenerowany przy pomocy dwóch modulatorów MZM [10] połączonych kaskadowo rys. 5a). Pierwszy modulator jest modulowany przez dane w formacie NRZ, zaś drugi jest pobudzany przez sinusoidalny zegar [9]. Pozwala na to funkcja przenoszenia modulatora RZ rys. 2 i 3. Inną zaletą formatu RZ oraz CSRZ jest duża tolerancja na dyspersję polaryzacyjną PMD. W chwili obecnej PMD światłowodów SMF osiąga wartość poniżej 0,05 ps km, jednak w przypadku strumienia 40 Gbit/s lub 80 Gbit/s w pojedynczym kanale

7 optycznym, na długich dystansach różnicowe opóźnienie grupowe zaczyna nabierać znaczenia. Praktyczne tutaj zatem staje się stosowanie polaryzatorów kanałowych oraz systemu przeplatania kanałów z różnymi polaryzacjami, co w przyszłości może stanowić kolejny krok w kierunku rozwoju nowego systemu zwielokrotniania w dziedzinie polaryzacji [18]. a) b) c) d) Rys. 4. Przykładowe charakterystyki czasowe i częstotliwościowe optycznego strumienia 40 Gbit/s [8]: a) oscylogram oka formatu RZ, b) optyczne widmo mocy formatu RZ, c) oscylogram oka formatu CSRZ, d) optyczne widmo mocy formatu CSRZ. a) Zegar 20 GHz b) Zegar 20 GHz 40 Gbit/s NRZ Laser DFB (ciągła fala) MZM Optyczny NRZ MZM Optyczny RZ Laser DFB (ciągła fala) MZM Optyczny RZ MZM Optyczny RZ-DPSK 40 Gbit/s NRZ Zegar 20 GHz Zegar 20 GHz 40 Gbit/s NRZ Rys. 5 Przykłady kaskad modulatorów Macha-Zehndera (MZM) [9,10]: a) modulacja RZ-OOK, b) dwuwartościowa modulacja RZ-DPSK. Format CSRZ [10,11,12,13] charakteryzuje się lepiej skompresowanym widmem z wytłumioną nośną rys. 4d), co w dziedzinie czasu stanowi odpowiednik impulsu o wypełnieniu 67% - rys. 3b) [10,11]. Dla porównania impuls formatu RZ (w tym przypadku o wypełnieniu 33% [10]), posiada bardziej rozłożone widmo optyczne rys. 4b) [8] w zakresie kanału optycznego. Format CSRZ posiada dwa razy mniejszy odstęp składowych bocznych w stosunku do formatu RZ. Na podstawie tego nasuwa się wniosek, iż w przypadku zwielokrotnienia falowego DWDM strumieni 40 Gbit/s z odstępem miedzy-kanałowym poniżej 100 GHz, bardziej praktyczne staje się zastosowanie formatu CSRZ [12].

8 W odniesieniu do rys. 3 oraz (2), napięcie modulujące V() t można przedstawić odpowiednio dla formatów RZ33, RZ50 oraz CSRZ jako: V t = V cos ω t, (9) () π ( m ) Vπ Vπ () cos( ωmt) 2 2 () cos( ) V t = +, (10) V t = V + V t. (11) π π ωm Modulacje DPSK w połączeniu z wymienionymi formatami, tworzą interesujące kombinacje, którym obecnie poświęca się coraz więcej badań. Do takich technik modulacyjnych należą między innymi wielowartościowe modulacje różnicowe [14]: NRZ-DPSK, RZ-DPSK, CSRZ-DPSK. W przypadku dwuwartościowej modulacji 2-DPSK, jeden symbol transmisyjny transportuje jeden bit danych, który jest zakodowany w ϕ { 0, π}. Standardowo przyjmuje się, iż 1 jest kodowany jako brak zmiany fazy, zaś 0 jako zmianę fazy na przeciwną. W takiej sytuacji wyjściowy sygnał z modulatora MZM rys. 5b), w paśmie podstawowym, może być wyrażony zależnością [14]: x() t = Inp( t nmtb) (12) gdzie: sekwencję symboli stanowi { } n n j0 jπ 2 jπ j3π 2 {,,, } I e e e e n I, takich, że dla 2-DPSK { j0 j In e, e π }, Tb - czas trwania bitu danych, oraz dla 4-DPSK MT b - czas trwania symbolu (np. M = 1,2 odpowiednio dla modulacji 2-DPSK i 4-DPSK), p() t reprezentuje symbol o określonym kształcie MT, p() t można (np. RZ, NRZ, CSRZ). Przy założeniu przedziału symbolu w zakresie [ ) 0, b opisać: Eb Tb p() t = 2E b π πt T b gdzie: p() t jest zerowe poza zakresem, a) NRZ-DPSK 2 cos cos RZ-DPSK 2 MTb E b - energia optyczna na jeden transmitowany bit. (13) b) Pasmowy filtr optyczny T b Interferometr Elektryczny filtr dolno-pasmowy Próbka 2T b Próbka sygnału I Pasmowy filtr optyczny π/4 2T b π/4 Elektryczny filtr dolno-pasmowy Elektryczny filtr dolno-pasmowy Próbka sygnału Q Rys. 6 Przykłady odbiorników (demodulatory optyczne z interferometrami z wbudowaną linią opóźniającą oraz ze zrównoważoną bezpośrednią detekcją): a) 2-DPSK, b) 4-DPSK.

9 Tak uformowany sygnał optyczny zostaje przetransmitowany przez tor światłowodowy z zastosowaniem polaryzatorów, wzmacniaczy oraz kompensatorów dyspersji. Parametry toru powinny być dobrane w taki sposób, żeby jak najmniej wpływały na rozmycie impulsu jak też na poszerzenie każdego z kanałów optycznych. Fazowo zmodulowany sygnał może być odebrany i zdemodulowany przy pomocy stosu demodulatora zbudowanego na bazie interferometrów MZ z liniami opóźniającymi w jednej z gałęzi rys. 6. W przypadku demodulatora dwuwartościowego linia opóźniająca opóźnia sygnał o dokładnie jeden bit danych. W przypadku modulacji czterowartościowej, czas opóźnienia wydłuża się dwukrotnie. Tego typu opóźnienie można wprowadzić stosując różnorodne techniki, gdzie do najczęściej stosowanych należą: zmiana współczynnika załamania w gałęziach stosując efekty elektro-optyczne, wstawienie w gałęzi opóźniającej światłowodu o innym współczynniku załamania lub dołączenie do gałęzi opóźniającej odpowiednio dłuższego światłowodu. W praktyce tego typu układy optyczne wykonuje się różnymi technologiami, takimi jak: krystalograficznymi, planarnymi lub poprzez wspawywanie włókien światłowodowych. a) 10-2 NRZ-DPSK b) 10-2 RZ-DPSK BER DPSK BER DPSK 2-DPSK DPSK OSNR [db] OSNR [db] Rys. 7 Charakterystyki kondycji sygnałów optycznych w funkcji optycznego stosunku sygnału do szumu [14]: a) system z modulacją NRZ-DPSK, b) system z modulacją RZ-DPSK. Na podstawie badań i pomiarów, można w zwięzły sposób określić właściwości sygnału zmodulowanego w obecności szumów optycznych. W przypadku dwuwartościowej modulacji 2- DPSK, dla określonej bitowej stopy błędów BER (Bit Error Rate), sygnał dopuszcza o 3 db mniejszy OSNR w stosunku do sygnału dla modulacji OOK. Stosując odpowiednie techniki symulacyjne lub pomiarowe [14] uwzględniające czynniki występujące w torze światłowodowym, można wyznaczyć aproksymowane charakterystyki stopnia występowania błędów, dla danej modulacji, w obecności szumów optycznym o określonym poziomie rys Podsumowanie Jak zostało nadmienione, w systemie światłowodowym występuje wiele czynników, na które należy zwrócić uwagę w chwili projektowania oraz doboru składników i urządzeń. W celu uzyskania imponujących wyników transmisyjnych, każdy z elementów powinien spełniać określone parametry, które zostały wymienione we wcześniejszych paragrafach. W połączeniu z technologiami optoelektronicznymi oraz wytwarzania światłowodów, w chwili obecnej osiąga się imponujące szybkości terabitowe na kilkutysięcznych odcinkach torów światłowodowych [11,12, 13, 15,16]. Jest to między innymi możliwe dzięki niskoszumowym i wąskowidmowym nadajnikom laserowym, czułym niskoszumowym detektorom, wzmacniaczom Ramana, wydajnym modulacjom optycznym takich jak RZ-DPSK, CSRZ-DPSK lub CSRZ-OOK, jak też filtrom optycznym FBG (Fiber Bragg Grating) lub FP (Fabry-Perot) ze stromymi zboczami filtracyjnymi. Do szczególnych

10 osiągnięć należy możliwość przesyłania strumieni bitowych powyżej 40 Gbit/s z odstępami międzykanałowymi poniżej 50 GHz na odcinkach bez regeneratorów powyżej 100 km z efektywnością wykorzystania pasma poniżej 0.8 bit/s/hz. Dodatkowym elementem podnoszącym dynamikę pracy systemu optycznego jest, wprowadzony na poziomie cyfrowym SDH (ITU-T G.709), system korekcji błędów FEC (Forward Error Correction), który standardowo wnosi około 7% nadmiarowy kod Reeda-Solomona (255,239) [17] z grupy kodów BCH (Bose Chaudhuri Hocquenghem) lub wprowadzony na poziomie DWDM, system OOB-FEC (Out-of-Band FEC) o nadmiarowości około 6%. Systemy te mogą spowodować podniesienie dynamiki systemu, uwzględniając zjawiska zachodzące w torze, nawet o 6 db. Literatura 1. D. Derickson, Editor, Fiber Optic Test and Measurement, Prentice Hall PTR, Agilent Technologies, Lightwave Component Analyzer User s Guide, Santa Rosa, CA, R.L. Jungerman, et al., High-speed optical modulator for application in instrumentation, J. Lightwave Tech. 8, , C.M. Miller, High-speed lightwave signal analysis, Hewlett-Packard J. 41(1), 80-91, H.B. Killen, Digital Communications with fiber optics and satellite applications, Prentice-Hall Inc., New Jersey, J.L. Gimlett, N.K. Cheung, Effects of phase-to-intensity noise conversion by multiple reflections on gigabit-per-second DFB laser transmission systems, J. Lightwave Tech. 7, , J. Chappell, S. DeMange, Optical signal-to-noise ratio characterization demands precision and flexibility, WDM Solution, 11, SHF 5003 RZ Optical Transmitter, Operating Manual, SHF Communication Technologies AG, Berlin, C.J. Videcrantz, B. Mikkelsen, Module, system design advances enable high-speed systems, WDM Solution, 5, M. Böckl, Modulation Formats for Fiber Transmission Systems with Direct-Detection Receivers, Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik der Technischen Universität, Wien, Y. Miyamoto, et al., 320 Gbit/s (8 40 Gbit/s) WDM transmission over 367 km with 120 km repeater spacing using carrier-suppressed return-to-zero format, El. Letters, vol.35, no.23, pp , D.F. Grosz, et al., 5.12 Tb/s ( Gb/s) Transmission with 0.8 bit/s/hz Spectral Efficiency over 1280 km of SSMF Using All-Raman Amplification and Strong Signal Filtering, ECOC Post Deadline Paper, B. Zhu, et al., 6.4 Tb/s ( Gb/s) transmission with 0.8 bit/s/hz spectral efficiency over 32 x 100 km of fiber using CSRZ-DPSK format, Proc. Optical Fiber Communications Conference (OFC'2003), Atlanta, USA, PD19, J.Wang, Impact of Chromatic and Polarization-Mode Dispersion on DPSK Systems using Interferometric Demodulation and Direct Detection, IEEE Journal of Lightwave Technology, B. Zhu, et al., Transmission of 3.2 Tb/s ( Gb/s) over 5200 km of UltraWaveTM fiber with 100 km dispersion-managed spans using RZ-DPSK format, pd. 4.2, Proc. ECOC'2002, Copenhagen, Denmark, A. H. Gnauck, et al., 2.5 Tb/s ( Gb/s) Transmission Over 40 x 100 km NZDSF Using RZ-DPSK Format and All-Raman-Amplified Spans, pd. FC2, Proc. Opt. Fiber Comm. Conf. OFC 2002, Anaheim, USA, B. Lavallée, FEC eases requirements for high-speed transmission, WDM Solutions, 1, D. Sandel, et al., PMD compensation in a 2 40 Gbit/s, 212 km, CS-RZ polarization multiplexed transmission experiment, ECOC, 2001.