SIMULAÇÃO EM COMPUTADOR DE SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ÓPTICOS COM MULTICANALIZAÇÃO NO COMPRIMENTO DE ONDA E TRANSMISSÃO SUPORTADA POR DISPERSÃO Máro M. Frere *, Pedro M. Gernhas *, Henrque M. Costa ** e Henrque J. A. da Slva *** Insttuto de Telecomuncações - Pólo de Combra, Largo Marquês de Pombal, 3 Combra Telefone: (39)3, Fax: (39)357 Sumáro. Esta comuncação descreve uma metodologa de smulação para sstemas de comuncação óptcos que utlzam multcanalzação no comprmento de onda e transmssão suportada por dspersão. Recorrendo a esta metodologa mostra-se que é possível transmtr através de Km de fbra óptca monomodo padrão (SMF) 3 canas a Gbt/s por canal com uma penaldade de dafona nferor a db se a separação entre eles for de cerca de nm.. INTRODUÇÃO. No método de transmssão suportada por dspersão (DST), o snal emtdo pelo transmssor óptco é modulado em FSK. O própro meo de transmssão, consttuído por uma fbra óptca dspersva, é utlzado para converter a modulação FSK em modulação de ampltude e o snal resultante é drectamente detectado por um receptor óptco []. A técnca de transmssão suportada por dspersão (DST) revelou-se bastante poderosa na transmssão a Gbt/s através de fbras óptcas monomodo padrão, para longas dstâncas []. Apesar dsso, anda não é utlzada a enorme largura de banda dsponível em fbras óptcas na janela de 55 nm. Enquanto que a largura de banda de modulação é da ordem das dezenas de Ggahertz (- GHz), a largura de banda dsponível em fbras óptcas, na janela de 5 nm é de cerca de.5 THz [3]. A lmtação da velocdade de transmssão deve-se essencalmente a duas razões: nsufcente largura de banda dos dspostvos electróncos e optoelectróncos e nteracção entre o desvo dnâmco de frequênca (chrp) e a dspersão da fbra óptca []. * Bolsero de Mestrado da JNICT. ** Assstente da ESTG do Insttuto Poltécnco de Lera. *** Professor Auxlar da FCTUC, responsável pela Lnha de Comuncações Óptcas no Pólo de Combra do IT. Uma forma de ultrapassar esta lmtação consste na transmssão smultânea de város canas em comprmentos de onda lgeramente dferentes, através da mesma fbra óptca. Esta técnca de combnação de város canas é desgnada por multcanalzação no comprmento de onda (WDM), e é conceptualmente semelhante à técnca de multcanalzação óptca na frequênca (OFDM) [5]. Quando o espaçamento entre canas é meddo em termos de undades de comprmento de onda, dz-se que se trata de multcanalzação no comprmento de onda e quando o espaçamento entre canas é comparável à largura de banda do snal ou do débto bnáro e é meddo em termos de undades de frequênca, dz-se que se trata de multcanalzação óptca na frequênca []. Esta dstnção torna-se necessára quando se consdera a tecnologa utlzada e os lmtes de desempenho do sstema. Além dsso ndca a escala de frequênca ou de comprmento de onda com nteresse e o grau de complexdade requerdo no controlo e selecção de comprmentos de onda [7]. Para N canas, a multcanalzação no comprmento de onda permte aumentar a capacdade de transmssão para B.N, sendo B o débto bnáro por canal [8]. Nesta comuncação é apresentado um modelo para smulação de sstemas de comuncação óptcos que utlzam multcanalzação no comprmento de onda de canas DST. São também apresentados os prmeros resultados de smulação para transmssão smultânea de ou 3 canas a GBt/s por canal através de Km de fbra óptca monomodo padrão (SMF) utlzando o método DST. A comuncação encontra-se organzada da segunte forma: a secção descreve os modelos utlzados para smulação do sstema. A secção 3 descreve as lmtações na transmssão mpostas pelo processo de mstura de quatro ondas (FWM) em fbras óptcas. Na secção são apresentados os resultados de smulação e as conclusões serão apresentadas na secção 5.
. MODELOS PARA SIMULAÇÃO DO SISTEMA. O dagrama de blocos apresentado na fgura mostra os elementos funconas consderados neste estudo. A segur descrevem-se os modelos utlzados para cada subsstema. PPG PPG PPG TG DRIVER TG DRIVER TG MQW-DFB λ MQW-DFB λ MQW-DFB DRIVER λ N EDFA I I I FPF FILTRO ÓPTICO WDM MUX PIN FOTODÍODO EDFA AMP PPG: Gerador de Sequêncas Pseudo-Aleatóras. DRIVER: Crcuto de Comando do Laser. MQW-DFB: Laser de Poço Quântco Múltplo com Realmentação Dstrbuda. I: Isolador Óptco. WDM MUX: Multplexador Óptco EDFA: Amplfcador Óptco de Fbra Dopada com Érbo SMF: Fbra Óptca Monomodo Padrão FPF: Fltro Óptco Fabry-Perot AMP: Amplfcador electrónco LPF: Fltro Passa-Baxo SMF FIBRA ÓPTICA Fgura. Dagrama de blocos dum sstema WDM com Transmssão Suportada por Dspersão (DST). Gerador de Sequêncas Pseudo-Aleatóras (PPG) Em experêncas de transmssão realzadas em laboratóro é utlzado um gerador de sequêncas pseudo-aleatóras (PPG) que fornece a sequênca de teste bnára aplcada à entrada do transmssor óptco. De forma análoga, as sequêncas utlzadas neste estudo são sequêncas de máxmo comprmento (sequêncas M de comprmento L= M - bts) geradas analtcamente com base nas estruturas de regstos de deslocamento realmentados [9]. Para gerar o por caso de nterferênca entre canas foram aplcadas ao transmssor WDM N sequêncas M dêntcas []. Todas as smulações foram realzadas com M=7. Transmssor óptco Cada um dos N transmssores óptcos que ntegram o transmssor WDM é consttuído por um crcuto de comando do laser, por um laser e um solador óptco. Assumndo que o crcuto de comando do laser (com N) se comporta como uma fonte de corrente não deal com mpedânca de saída R//C, a corrente de comando do laser I(t) com formato NRZ é gerada com tempos de subda e descda exponencas. O modelo para o laser de poço quântco múltplo (MQW) descreve a dnâmca dos portadores na heteroestrutura de confnamento separada (SCH) e nos poços quântcos e a dnâmca dos fotões na cavdade e encontra-se descrto em []. Este modelo permte LPF obter a potênca óptca P (t) e a fase nstantânea φ (t) do campo eléctrco emtdo pelo laser, para uma dada corrente de comando. Desprezando flutuações aleatóras, o campo eléctrco emtdo pelo laser pode ser representado por [9]: jω E () t = E () t e t () onde o ω é a frequênca angular no ponto de operação de referênca do laser. A envolvente complexa do campo é dada por [9]: E () t = P() t e jφ ( t) () onde P (t) representa a potênca óptca e φ (t) a fase nstantânea do campo eléctrco emtdo pelo laser. Supondo que a separação espectral entre o comprmento de onda de emssão (no ponto de operação de referênca) de cada um dos N lasers se mantém constante e gual a λ, a frequênca angular ω encontra-se relaconada com a frequênca angular no ponto de operação de referênca do laser através de: c ω = ω ( ) π λ (3) λ onde λ é o comprmento de onda de emssão do laser no ponto de funconamento de referênca e c é a velocdade da luz no vácuo. Multplexador Óptco (WDM MUX) Supondo que os N transmssores óptcos se comportam da mesma forma e que transmtem sncronamente a mesma sequênca (stuação em que é gerado o por caso de nterferênca entre canas [,]), a envolvente complexa é a mesma para todos os campos pelo que o campo eléctrco emtdo pelo laser pode ser representado por: jwt ( ) () () [ + t] E t = e Et ω () com ω=-πc λ /λ. Os campos eléctrcos emtdos pelos N lasers são combnados no multplexador óptco, pelo que à saída deste, o campo eléctrco resultante é dado por: N jwt ( ) () () [ + ωt] E t = E te mux = (5) No domíno da frequênca, a envolvente complexa do campo eléctrco resultante, em relação à frequênca angular w, é dada por: N E ( ) E[ ( ) mux ω = ω ω ] () = Esta equação coloca em evdênca a justaposção dos N canas no comprmento de onda λ=πc/ω.
Amplfcadores de Fbra Dopada com Érbo (EDFA) Um dos problemas da amplfcação multcanal é a dafona (crosstalk) resultante () da saturação do ganho ntroduzda pelos snas nos canas vznhos ou () do processo de mstura de quatro ondas (FWM) em amplfcadores óptcos [3]. Estes dos tpos de dafona são muto mas reduzdos em Amplfcadores Óptcos de Fbra Dopada com Érbo (EDFA) do que em Amplfcadores Óptcos Semcondutores (SLA), pelo que os EDFAs são preferdos para aplcações em sstemas com multcanalzação [3]. Sendo P n a potênca de snal à entrada do EDFA, a potênca óptca à saída deste é dada por []: P out = G. P (7) onde G é o ganho em potênca do amplfcador. n Fbra Óptca Monomodo Padrão (SMF) À saída da fbra, a envolvente complexa do campo eléctrco resultante, no domíno da frequênca, pode ser escrta na segunte forma: E out ( ω) = E ( ω) H SMF ( ω) (8) [ ] n com E ( ω ) = E ( t ) n n, onde E n (t) representa a envolvente complexa resultante da combnação dos campos njectados na fbra e H SMF (ω) representa a função de transferênca passa-baxo normalzada da fbra óptca [9]: H SMF λ j πc DL ω ( ω) = e (9) onde ω representa a frequênca angular na banda base. Desmultplexador Óptco (WDM DEMUX) Para seleconar um canal dos N canas dsponíves à saída da fbra óptca utlzou-se um fltro óptco Fabry- Perot. Para um fltro de cavdade smples a resposta em frequênca é dada por []: H FPF T ( ω) = j( ω ωc) Re FSR () onde R representa a reflectvdade (T=-R) e f c =ω c /π é a frequênca central do fltro. O parâmetro FSR é desgnado por regão espectral lvre. A largura da banda-passante a 3-dB (FWHM) é defnda pela razão entre a regão espectral lvre (FSR) e a fnura F do fltro óptco []. A fnura do fltro óptco encontra-se relaconada com a reflectvdade do fltro através da equação dada em [,]: A envolvente complexa do campo eléctrco correspondente ao canal seleconado, no domíno da frequênca, é dada por []: E sel ( ω) = E ( ω) H FPF ( ω) () out Após a selecção dum determnado canal, a potênca óptca dstorcda devdo à nteracção entre a dspersão e o desvo dnâmco do comprmento de onda e devdo à dafona (crosstalk) resultante da rejeção mperfeta dos canas não seleconados por parte do fltro óptco, pode ser obtda da segunte forma [] : Pt () = [ E sel ( ω )] () Secção Frontal do Receptor Óptco A secção frontal do receptor é composta por um fotodíodo PIN, por um amplfcador electrónco e um fltro passa-baxo. O modelo para o fotodíodo PIN tem em consderação o efeto dos parastas eléctrcos e do tempo de trânsto de portadores na lmtação da largura de banda do dspostvo. Este modelo é analsado em [5]. A frequênca de corte do fotodíodo PIN é ajustada para um valor requerdo pelo método DST. O fltro passa-baxo têm uma resposta do tpo Butterworth de 3ª ordem. 3. LIMITAÇÕES NA TRANSMISSÃO DEVIDO À MISTURA DE QUATRO ONDAS (FWM) EM FIBRAS ÓPTICAS Através dum processo de mstura de quatro ondas (FWM), a propagação smultânea de três campos com frequêncas f, f j e f k (,j k) geram um quarto campo com frequênca f jk =f +f j -f k, onde, j, k podem tomar valores entre e 3 [-8]. A potênca P jk (L) gerada através dum processo FWM para a frequênca f jk é dada por [-8]: αl ( ) PP P j k e π αl P ( L) d e jk = ηjk χ n λ c A α e (3) onde χ é a susceptbldade não-lnear de tercera ordem, n é o índce de refracção do núcleo da fbra, λ é o comprmento de onda, c é a velocdade da luz no vácuo, A e é a área efectva do modo guado [], α é o coefcente de atenuação da fbra, L é o comprmento da fbra, P, P j e P k são as potêncas njectadas na fbra, d é o factor de degenerecênca e η jk é desgnada por: efcênca da geração de campos em relação à desadaptação de fase [7], efcênca da mstura de quatro ondas [8], efcênca da mstura, ou efcênca FWM [] e é dada por [-8]: η jk α αl e sen ( βl ) = + / α + β αl ( e ) () onde β representa: a dferença entre as constantes de propagação [7] ou desadaptação de fase [] e pode 3
ser expressa em termos da separação entre frequêncas [,7]: πλ λ β = + f f f f D dd f f + f f k j k c λ k j k d c (5) onde D é o parâmetro de dspersão de prmera ordem e fk = f fk e f f f jk = j representam a k separação entre frequêncas. Para comprmentos de onda dstantes do comprmento de onda de dspersão nula, o parametro de dspersão de prmera ordem em (5) torna-se domnante e a contrbução devda à dervada do parâmetro de dspersão de prmera ordem (dd/dλ) pode ser desprezada [7]. Nessa stuação a efcênca FWM pode ser escrta em função da separação equvalente entre frequêncas [7] ou dferença efectva entre frequêncas [], dada por [,7]: f = f f () k A separação entre canas [8] a que se refere o gráfco da fgura corresponde à separação equvalente entre frequêncas (dferença efectva entre frequêncas). Na stuação de gual separação entre canas, alguns dos novos campos (recém gerados) sobrepõem-se aos que lhes dão orgem. Esta transferênca de potênca entre canas devdo ao processo FWM, resulta não só em perdas adconas (atenuação) num canal específco, mas também em dafona (não lnear) que degrada o desempenho do sstema. Conforme se mostra no gráfco da fgura, a nfluênca da mstura de quatro ondas pode ser desprezada se a separação efectva entre canas for superor a 9 GHz. Efcênca FWM 9 8 7 5 3 3 5 7 8 9 Separação entre canas [G Hz] jk L= Km L= 5 Km L= 5 Km L= 5 Km Fgura. Efcênca FWM em função da separação entre canas para dferentes comprmentos de fbra SMF, com α=. db/km D= ps/(nm.km) e λ=535 nm. FSK). A frequênca de corte a 3-dB do fotodíodo PIN fo ajustada para 5.5 GHz. A penaldade de potênca total após transmssão va Km de fbra fo de. db, dos quas. db são devdos à penaldade de modulação e os restantes à penaldade de dspersão. A penaldade de potênca fo calculada a partr da abertura do dagrama de olho, conforme referdo em [9]. Fgura 3. Dagrama de olho normalzado à entrada do crcuto de decsão após Km de Fbra Monomodo Padrão (SMF) utlzando a técnca DST, com D=. ps/(nm.km), λ=53 nm. Na smulação do sstema WDM com ou 3 canas DST, o desempenho do sstema fo concentrado no canal. O comprmento de onda de emssão do laser fo λ =53 nm e os comprmentos de onda dos lasers e 3 foram tas que λ =λ - λ e λ 3 =λ + λ, sendo λ a separação entre λ e λ e entre λ e λ 3 (separação entre canas). Na fgura enconta-se representada a estmatva normalzada do espectro de potênca do snal à saída do multplexador óptco. Esta estmatva fo obtda utlzando o perodograma com uma janela rectangular. Na fgura 5 encontra-se representada a estmatva normalzada do espectro de potênca do snal à saída do do fltro óptco e na fgura apresenta-se o dagrama de olho correspondente. Nas fguras 7 e 8 representa-se a penaldade de potênca no canal em função da largura da banda-passante a 3-dB (FWHM) do fltro óptco tendo-se utlzado um fltro de cavdade smples (Fg. 7) e um fltro com duas cavdades guas (Fg. 8). O desempenho do fltro de cavdade dupla é superor ao do fltro de cavdade smples, no entanto o prmero apresenta perdas adconas uma vez que é necessáro solar as duas cavdades.. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO. Na fgura 3 encontra-se representado o dagrama de olho obtdo com o método DST após transmssão através de Km. Com os parâmetros do laser utlzados, obteve-se uma corrente de lmar (I th ) de cerca de.3 ma e uma efcênca FM de cerca de 37 MHz/mA. O laser fo polarzado a ma e o desvo de frequênca no emssor laser fo de 7 GHz (modulação Espectro de potênca norma - - -3 - -5 - - - - - -8 - - - 8 Frequênca [G Hz] Fgura. Estmatva do espectro de potênca, à saída do multplexador óptco para 3 canas com separação de nm.
Espectro de potênca norma - - -3 - -5 - -7-8 - - - - -8 - - - 8 Frequênca [G Hz] Fgura 5. Estmatva do espectro de potênca, à saída do fltro óptco. A largura da banda-passante (FWHM) do fltro óptco (de cavdade dupla) fo de GHz e a separação entre canas de nm. Penaldade de potênca no c 8 FW HM = GHz FW HM = 8 GHz,5,55,,5,7,75,8,85,9,95,5,,5, Separação entre canas [nm ] Fgura 9. Penaldade de potênca no canal em função da separação entre canas após transmssão de 3 canas (ch, ch e ch3) através de Km de fbra SMF, para duas frequêncas de corte a 3-dB (FWHM) do fltro de cavdade dupla com F=5. Conforme se pode nferr a partr do gráfco da fgura 9, é possível transmtr smultaneamente 3 canas separados de.8 nm com penaldade de dafona nferor a db se a largura de banda do fltro óptco for GHz. Esta penaldade de dafona nclu também a penaldade devdo à (estreta) largura de banda do fltro óptco. Se a largura de banda do fltro óptco for de 8 GHz a separação requerda entre canas para manter a penaldade de dafona nferor a db é de cerca de nm. Fgura. Dagrama de olho normalzado à entrada do crcuto de decsão após transmssão de 3 canas através de Km de Fbra Monomodo Padrão (SMF). A largura da banda-passante do fltro óptco (FWHM) fo de GHz e a separação entre canas de nm. Repare-se que nos gráfcos e 5 os canas, e 3 encontram-se representados por ordem decrescente na frequênca (ordem crescente no comprmento de onda). Penaldade de potênca no c 8 8 8 FW H M [GHz] ch ch+ ch ch+ ch3 ch+ ch+ ch3 Fgura 7. Penaldade de potênca no canal em função da largura da banda passante (FWHM) do fltro óptco de cavdade smples com fnura F=5, para nm de separação entre canas. Neste gráfco, ch, ch e ch3 representam os canas, e 3. Penaldade de potênca no c 8 8 8 FW H M [GHz] ch ch+ ch ch+ ch3 ch+ ch+ ch3 Fgura 8. Penaldade de potênca no canal em função da largura da banda passante (FWHM) do fltro óptco com duas cavdades com fnura F=5, para nm de separação entre canas. Neste gráfco, ch, ch e ch3 representam os canas, e 3. 5. CONCLUSÕES. Utlzando um smulador de sstemas de comuncação óptcos, mostrou-se que com multcanalzação no comprmento de onda é possível transmtr através de Km de fbra óptca monomodo padrão (SMF) 3 canas DST a Gbt/s por canal com uma penaldade de dafona nferor a db se a separação entre eles for de cerca nm. Além dsso colocou-se em evdênca o desempenho superor de fltros de cavdade dupla em relação aos de cavdade smples.. AGRADECIMENTOS. Este trabalho teve o apoo do programa Cênca (JNICT). 7. BIBLIOGRAFIA. [] B. Weddng, New Method for Optcal Transmsson Beyond Dsperson Lmt, Electron. Lett., Vol. 8, No., pp. 98-3, Jul 9. [] B. Weddng, B. Franz, e B. Jungnger, Dsperson Supported Transmsson at Gbt/s va up to 53 Km of Standard Snglemode Fbre, Proc. ECOC'93, paper TuC.3, Montreux, Set 93. [3] K. Nosu, H. Toba, K. Inoue, e K. Oda, Channel Optcal FDM Technology and ts Apllcatons to Optcal FDM Channel-Based Networks, J. Lghtwave Tech., Vol., No. 5/, pp. 7-77, Ma-Jun 93. 5
[] H. Nakano, S. Tsug., S. Sasak, K. Uom, e K. Yamashta, -Gb/s, -Cannel Wavelength Dvson Multplexng Fber Transmsson Usng Semconductor Optcal Amplfer Modules, J. Lghtwave Tech., Vol., No., pp. -8, Abr 93. [5] G. Keser, Optcal Fbre Communcatons, McGraw-Hll, 99 [] R. A. Lnke, A. H. Gnauck, Hgh-Capacty Coherent Lghtwave Systems, J. Lghtwave Tech., Vol., No., pp. 75-79, Nov 88. [7] C. A. Brackett, Dense Wavelength Dvson Multplexng Networks: Prncples and Applcatons, J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No., pp. 98-9, Ago 9. [8] Y. H. Lo, L. A. Wang, A. S. Gozdz, P. S. Ln, M. Z. Iqbal, R. Bhat, e T. P. Lee, Four Channel Integrated DFB Laser Array wth Tunable Wavelength Spacng and -Gb/s Sgnal Transmsson Capacty, J. Lghtwave Tech., Vol., No. 5/, pp. 9-3, Ma- Jun 93. [9] H J. A. da Slva, R. S. Fyath, J. J. O'Relly, Senstvty Degradaton Wth Laser Wavelength Chrp for Drect-Detecton Optcal Recevers, IEE Proceedngs, Vol. 3, Pt. J, No., Ago 989. [] M. W. Maeda, W. B. Sessa, W. I. Way, A. Y- Yan, L. Curts, R. Spcer, R. I. Lamng, The Effect of Four-Wave Mxng n Fbers on Optcal Frequency- Dvson Multplexed Systems, J. Lghtwave Tech., Vol. 8, No. 9, pp. -8, Set 9. [7] N. Shbata, K. Nosu, K. Iwashta, Y. Azuma, Phase-Msmatch Dependence of Effcency of Wave Generaton Through Four-Wave Mxng n a Sngle- Mode Optcal Fber", J. Quantum Electron., Vol. QE- 3, No. 7, pp. 5-, Jul 87. [8] A. R. Chraplyvy, Lmtatons on Lghtwave Communcatons Imposed by Optcal-Fber Nonlneartes, J. Lghtwave Tech., Vol. 8, No., pp. 58-557, Out 9. [9] R. S. Vodhanel, A. F. Elrefae,M. Z. Iqbal, R. E. Wagner, J. L. Gmlett, S. Tsuj, "Performance of Drectly Modulated DFB Lasers n Gb/s ASK, FSK and DPSK Lghtwave Systems", J. Lghtwave Tech., Vol. 8, No. 9, pp. 379-38, Set 9. [] C. L., F. F. Tong, K. Lu, D. G. Messerschmtt, Channel Capacty Optmzaton of Chrp-Lmted Dense WDM/WDMA Systems Usng OOK/FSK Modulaton and Optcal Flters, J. Lghtwave Tech., Vol., No. 8, pp. -8, Ago 9. [] H. M. Costa, P. M. Gernhas, M. M. Frere, H. J. A. da Slva, Ruído e Ganho Não Lnear em Lasers com Múltplos Poços Quântcos, Acete para º Encontro Naconal do Colégo de Engenhara Electrotécnca, - 3 Ma 9. [] P. A. Humblet, e W. M. Hamdy, Crosstalk Analyss and Flter Optmzaton of Sngle- and Double-Cavty Fabry-Perot Flters, J. Select. Areas Commun., Vol. 8, No., pp. 95-7, Ago 9. [3] E. Desurvre, C. R. Gles e J. R. Smpson, Gan Saturaton Effects n Hgh-Speed, Multchannel Erbum-Doped Fber Amplfers at λ=.53 µm, J. Lghtwave Tech., Vol. 7, No., pp. 95-, Dez 89. [] A. Yarv, Optcal Electroncs, Saunders College Publshng, 99. [5] P. M. Gernhas, M. M. Frere, H. M. Costa, H. J. A. da Slva, Avalação do desempenho de Fotodíodos PIN e APD em Sstemas de Comuncação Óptcos com Detecção Drecta, Acete para º Encontro Naconal do Colégo de Engenhara Electrotécnca, -3 Ma 9.