Algoritmos de recuperação de fase para sistemas ópticos com modulação DP-QPSK

Abstract

O crescimento na demanda por tráfego Ethernet tem motivado o desenvolvimento de novos sistemas de transporte de dados a altas taxas e longas distâncias. Um novo esquema de transmissão óptica aparece como solução, permitindo taxas de transmissão superiores a 100 Gb/s por canal óptico. Esse esquema utiliza a modulação QPSK e a multiplexação de sinais em polarizações ortogonais (dual polarization QPSK - DP-QPSK), então, um receptor coerente se faz necessário. Nesses sistemas aliam-se processamento digital de sinais aos detectores coerentes para a compensaçãao de distorções ocorridas na transmissão e recepção. A recuperação de fase é um tópico relevante no projeto de receptores coerentes e várias técnicas podem ser aplicadas. Analisaram-se três técnicas de recuperação de fase, as clássicas Viterbi & Viterbi (V&V) e algoritmo direcionado a decisão (DD), e uma técnica computacionalmente eficiente, chamada aqui de hardware-efficient. Aliado à recuperação de fase, um algoritmo de recuperação de portadora, responsável por estimar diferen¸cas entre a frequência dos lasers transmissor e receptor, também foi estudado. Nas simulações, concluiu-se que a técnica de recuperação de portadora avaliada foi capaz de recuperar desvios de at´e 3, 125 GHz para um sistema DP-QPSK a 100 Gb/s com lasers de largura de linha de 1 MHz, sem penalidade significativa. As técnicas de recuperação de fase V&V e DD com filtro de máxima verossimilhan¸ca (maximum-likelihood - ML) (5 coeficientes) mostraram penalidades inferiores a 1 dB para o mesmo sistema, e inferiores a 0, 5 dB com filtros mais longos (> 10 coeficientes). O algoritmo hardware-efficient mostrou boa aproximação ao desempenho do V&V para um filtro com 5 coeficientes. Simularam-se ainda os algoritmos V&V e DD com filtros planos e filtros complexos não lineares (nonlinear complex filter - NCF) para comparação de resultados. Dados obtidos em um experimento com modulação DP-QPSK à taxa de 112 Gb/s também foram processados. Utilizaram-se técnicas de normalização, equalização e demultiplexação na recuperação do sinal, e os algoritmos de recuperação de fase e portadora foram testados. Uma técnica de estimação de SNR a partir do sinal ruidoso foi empregada, e o impacto sistêmico foi investigado. Mostrou-se que erros de estimação de −6 dB a 6 dB podem levar a até 1 dB de penalidade em um sistema DP-QPSK a 40 Gb/s. Para sistemas a 100 Gb/s, erros de estimação não levaram a penalidades significativas. O desempenho alcançado com o sistema experimental foi compatível ao simulado, validando o modelo teórico utilizado. _____________________________________________________________________________ ABSTRACT

The increasing demand for Ethernet traffic has motivated the development of new long-haul and high transmission rates optical systems. A new scheme for optical transmission appeared as a solution, allowing transmission rates higher than 100 Gb/s per optical channel. This scheme uses QPSK modulation and dual polarization multiplexing (DP-QPSK), therefore, a coherent receptor is needed. These systems combine digital signal processing techniques with the coherent detector, thus, compensating for distortions generated in transmission and detection. Phase recovery is an important subject in coherent receivers’ development and several techniques may be applied. We analyzed three phase recovery algorithms, the classical Viterbi & Viterbi (V&V) and decision directed (DD), and a hardware- efficient algorithm. A carrier recovery algorithm was also studied. This technique estimates frequency mismatches between transmitter and receiver lasers, whilst the phase recovery estimates the phase noise affecting the system. In our simulations, we concluded that the carrier recovery technique was able to compensating for a mismatch of up to 3, 125 GHz in a 100 Gb/s DP-QPSK system with 1 MHz lasers linewidth without noteworthy penalty. The V&V and DD recovery algorithms with maximum-likelihood (ML) filters (5 taps) exhibited less than 1 dB SNR penalty to this system, and less than 0, 5 dB for longer filters (> 10 taps). The hardware-efficient algorithm showed to be a good approximation of the V&V for a 5 taps filter. We also simulated the V&V and DD algorithms with flat filters and nonlinear complex filters (NCF) for comparison. We have also processed data from an optical 112 Gb/s DP-QPSK experimental system. We used normalization, equalization and demultiplexing techniques for the signal recovery and tested the carrier recovery algorithms. An estimation scheme for the SNR was used, and the systemic impact was analyzed. We observed that estimation errors from −6 dB to 6 dB may lead to up to 1 dB SNR penalty for a 40 Gb/s DP-QPSK system. For a 100 Gb/s system, estimation errors have not caused noteworthy SNR penalty. The experimental system performance was compatible with the simulated system, thus, validating our theoretical model.