Abstract— This paper presents a theoretical model developed for estimating the power, the optical signal to noise ratio and the number of generated carriers in a comb generator, having as a reference the minimum optical signal do noise ratio at the receiver input, for a given fiber link. Based on the recirculating frequency shifting technique, the generator relies on the use of coherent and orthogonal multi-carriers (Coherent-WDM) that makes use of a single laser source (seed) for feeding high capacity (above 100 Gb/s) systems. The theoretical model has been validated by an experimental demonstration, where 23 comb lines with an optical signal to noise ratio ranging from 25 to 33 dB, in a spectral window of ~ 3.5 nm, are obtained.

Keywords— Coherent-WDM; comb generator; energy efficiency; high capacity optical fiber transport; orthogonal frequency division multiplexing; recirculating frequency shifting; spectral efficiency.

I. INTRODUÇÃO

USO crescente da Internet como meio para interconexão de bilhões de dispositivos requer, no núcleo da rede

global, a expansão dos sistemas ópticos de alta capacidade. Uma projeção recente previu que, por volta de 2015, mais de 15 bilhões de dispositivos estarão conectados, o que corresponde a mais que o dobro da população mundial. Foi também previsto que, entre 2010 e 2015, o tráfego IP total irá quadruplicar, sendo quatro os fatores que mais impulsionam este crescimento: o aumento do número de dispositivos conectados, dos usuários da Internet, da velocidade do acesso e do tráfego de vídeo. Segundo esta previsão, as aplicações de vídeo, de arquivos compartilhados e a web representam quase 100% de toda a demanda de tráfego da Internet, enquanto as aplicações de VoIP e jogos online correspondem a menos de 1% [1].

Tal projeção de crescimento na demanda por transmissão de tráfego IP implica na necessidade de desenvolvimento, nas redes tronco, de novas tecnologias de ruptura. Esta tendência é confirmada pelo fato de que a tecnologia para transmissão a 100 Gb/s já está normatizada tanto no padrão Ethernet (IEEE 802.3) quanto no padrão OTN (ITU G.709). Além disso, equipamentos para o transporte óptico a 100 G já estão comercialmente disponíveis [2]. Seguindo o crescimento do tráfego IP (cerca de 50% ao ano) é possível projetar, para as linhas tronco, a mudança das taxas de transmissão dos atuais

F. D. Simões, CPqD, Campinas, São Paulo, Brasil,

fsimoes@cpqd.com.br D. M. Pataca, CPqD, Campinas, São Paulo, Brasil, pataca@cpqd.com.br M. L. Rocha, Universidade de São Paulo (USP), São Carlos, São Paulo,

Brasil, rocha.monica@gmail.com

100 Gb/s, por canal, para 1 Tb/s, por canal, por volta de 2017 [3]. Dentre os maiores desafios que esta demanda coloca figura a demonstração, por meio de técnicas de modulação e recepção, da transmissão óptica em taxas que cheguem a 400 Gb/s e 1 Tb/s por longas distâncias (centenas de quilômetros).

De fato, à medida que a capacidade do sistema aumenta, as restrições tornam-se mais severas e as alternativas para superá-las, mas complexas. Em geral, estas abordagens referem-se aos métodos de geração e recepção de novos formatos de modulação que provêm alta eficiência espectral, às técnicas de amplificação óptica com banda larga e baixo ruído e ao combate dos ruídos e distorções nos transmissores e receptores em combinação com os efeitos lineares e não lineares de propagação pela fibra óptica. A pesquisa em sistemas de alta capacidade segue e/ou combina dois caminhos alternativos: transmissão com uso de uma única portadora óptica ou de múltiplas portadoras (multiportadora).

A técnica de transmissão WDM pertence ao grupo das multiportadoras que não apresentam coerência de fase, o que impõe a necessidade de se manter um espaçamento entre canais largo o suficiente para evitar que interfiram entre si. Para resolver o problema da banda de guarda larga, as portadoras devem ser, além de coerentes em fase, mutuamente ortogonais, de forma a permitir a transmissão de dados com canais pouco espaçados entre si. Este efeito é obtido pelo uso da técnica OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), uma classe da modulação multiportadora que vem ganhando atenção, especialmente quando combinada com a detecção coerente. Além de prover eficiência espectral , ela apresenta flexibilidade e robustez frente a distorções de propagação bem como alta granularidade em termos de números de canais, o que a torna uma ótima opção para uso em redes tronco e de acesso [2].

Neste contexto, este artigo apresenta o estudo de um bloco importante de um transmissor OFDM óptico, i.e. o gerador comb óptico ou OCG (optical comb generator). Estes subsistemas, adequados para operação a partir de 100 Gb/s, produzem um conjunto de portadoras ópticas coerentes apresentando pouca interferência entre si. Nossos estudos são baseados na técnica RFS (Recirculating Frequency Shifting), onde múltiplas portadoras ópticas são geradas para posterior modulação digital. Com atenção voltada ao OCG, analisamos analiticamente a limitação na capacidade de transmissão imposta pela relação sinal ruído das múltiplas portadoras. Nosso modelo é validado por um experimento, onde um

O

F. D. Simões, D. M. Pataca and M. L. Rocha

Design of a Comb Generator for High Capacity Coherent-WDM Systems

conjunto de sinais ópticos, com características adequadas para implementação de OFDM óptico, é gerado.

O artigo está estruturado como se segue: a Seção II apresenta uma breve descrição das técnicas de geração de multiportadoras e uma análise teórica, visando o desenvolvimento de um gerador comb óptico RFS. A Seção III descreve a implementação experimental do OCG e a Seção IV conclui o trabalho.

II. GERADOR COMB ÓPTICO

A última década testemunhou o surgimento de novas técnicas para habilitar o crescimento da capacidade dos sistemas de transmissão óptica, em combinação com as multiplexações no tempo e no comprimento de onda (TDM e WDM, respectivamente). Dentre elas, destacam-se novos formatos de modulação, os algoritmos de correção de erro (FEC, forward error corrector), a recepção óptica coerente e o processamento digital de sinal. Neste cenário, a modulação de multiportadoras aparece como uma alternativa competitiva e tem um papel importante no aumento da densidade espectral da informação transmitida [4].

A necessidade de bandas de guarda entre os canais WDM reduz a densidade espectral de informação do sistema e pode ser evitada empregando-se técnicas de multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM) sem intervalo de guarda. Nessa técnica, a taxa de modulação dos canais é igual à frequência de separação entre eles. Nos sistemas de comunicação com vários Tb/s por fibra uma das técnicas empregadas é a do processamento paralelo pelo uso de multiportadoras coerentes e ortogonais (Co-WDM), moduladas individualmente a taxas moderadas. Esse sinal de altas taxas, conhecido como supercanal, é produzido por um único laser e é composto por múltiplas portadoras amarradas em frequência e moduladas de uma maneira síncrona. Neste sinal, a interferência entre as portadoras ortogonais moduladas pode ser eliminada pelo controle da fase dos canais adjacentes [3]. Diferentemente dos sistemas WDM tradicionais, o sistema Co-WDM reduz a necessidade de bandas de guarda entre os canais fazendo um uso mais eficiente da banda óptica disponível.

Já foi mostrado que nos sistemas OFDM um canal dentre vários pode ser detectado, com a mínima penalidade provocada pela interferência entre canais, quando as seguintes condições são satisfeitas [5]:

a) o espaçamento entre portadoras é igual à taxa de símbolos das portadoras moduladas,

b) os símbolos nas portadoras são alinhados no tempo, c) o transmissor possui uma largura de banda suficiente

para a geração das portadoras, d) são aplicadas uma taxa de amostragem suficiente e

uma filtragem anti-aliasing apropriada. Uma característica importante do supercanal com uma dada

largura de banda é que quanto maior for o número de portadoras menor será a diferença entre a frequência de

separação entre elas e a taxa de transmissão de símbolos de cada uma. Ou seja, para a construção de sistemas ópticos que utilizem a técnica do supercanal é fundamental a geração de portadoras estáveis, sem variação do intervalo de frequência entre elas e com o mesmo valor da taxa de transmissão de cada uma.

Entre as técnicas utilizadas para a geração de supercanais, três podem ser destacadas:

a) cascateamento de moduladores Mach-Zehnder, MZMs. Técnica normalmente utilizada para a geração de sinais com duas a onze portadoras sendo sua limitação principal o pequeno número de portadoras geradas, que é determinado pela largura da banda elétrica dos MZMs e pela amplitude máxima do sinal RF modulante [6].

b) recirculating frequency shifting, RFS. - Técnica baseada na conversão de frequência produzida pela modulação de banda lateral única. Esta técnica permite a geração de um grande número de portadoras e grande estabilidade [7].

c) laser de modo discreto, DM, alimentado por onda senoidal. - Esta técnica é similar ao gain switching em lasers semicondutores mas resulta numa saída de fase amarrada. As principais vantagens desta fonte são a simplicidade e o baixo custo [8].

O gerador óptico de múltiplas portadoras ortogonais, apresentado neste artigo, é baseado na técnica RFS e constitui a célula básica do transmissor óptico dos sistemas Co-WDM. Este gerador é formado por um laser monomodo e um anel de recirculação (Fig. 1). O anel de recirculação, onde são geradas as múltiplas portadoras, é formado por um acoplador óptico 2 x 2, um modulador óptico do tipo Mach-Zehnder duplo, um filtro óptico e um amplificador óptico (EDFA). No diagrama esquemático do OCG, apresentado na Fig. 1, estão indicados os elementos do anel e os sinais ópticos na: saída do laser, entrada do modulador na primeira volta e depois de n voltas, saída do modulador na primeira volta e depois de n voltas e saída do gerador depois de n voltas.

Figura 1. Diagrama esquemático do gerador comb óptico.

A técnica RFS, como representada na figura, funciona da seguinte maneira: o sinal óptico proveniente da fonte laser é

aplicado continuamente a uma das entradas do acoplador, de onde metade sai por uma porta e a outra metade entra no anel de recirculação, onde serão geradas as múltiplas portadoras. A cada volta no anel, metade do sinal é acoplada à saída e metade reinserida. No anel, o modulador possui a função de geração de um sinal de banda lateral única e portadora suprimida, o filtro óptico, de limitação da banda de ruído e do número de portadoras geradas, e o amplificador, de compensação das perdas. O modulador é alimentado por dois sinais RF senoidais, de mesma frequência mas com a fase deslocada de 90º, e controlado por um conjunto de sinais DC de polarização (DC bias). O modulador é ajustado de tal maneira que aplica ao sinal óptico de entrada uma modulação do tipo SSB-SC (Single Sideband Suppressed Carrier).

A cada volta, o sinal óptico de saída do modulador é deslocado, em relação à entrada, de uma frequência igual à frequência do sinal RF aplicado ao modulador. Ao final de diversas voltas, o espectro do sinal circulante no anel é deslocado para fora da banda de operação do filtro, terminando a circulação do sinal e limitando o número de portadoras na saída do gerador. Um dos fatores que determinam esta largura de banda é a mínima relação sinal ruído óptica, OSNR, que as portadoras geradas podem ter, para uma dada taxa de erro e tipo de modulação utilizada no sistema.

As transmissões ópticas são limitadas em alcance por basicamente dois grupos de fatores: as distorções e a OSNR. Como o OCG é basicamente um gerador de portadoras ópticas sobre as quais serão aplicadas as modulações de cada canal, sua característica mais importante é a OSNR. Portanto, a OSNR do sinal produzido no OCG deve ser alta o suficiente para não causar uma degradação significativa na transmissão, quando comparada à degradação causada pela própria propagação do sinal até o receptor. Isso implica que as raias na saída do OCG devem ter um valor de OSNR conhecido e com um valor maior ou igual a um nível pré-determinado.

A potência, espaçamento e nível de ruído das portadoras ópticas na saída do OCG dependem das características dos componentes do gerador, bem como da quantidade de portadoras. O espaçamento das portadoras é dado pela frequência RF do sinal aplicado ao modulador e a fase óptica é atrelada à fase do sinal gerado pelo laser. O espaçamento entre as portadoras em comprimento de onda na saída do OCG, considerando-se um sinal óptico λ0 aplicado ao modulador, uma frequência RF de modulação fm e considerando-se que a frequência do sinal óptico f0 >> fm, é aproximadamente:

c

fλ m20=Δλ (1)

onde c é a velocidade da luz no espaço livre. O comprimento de onda das enésimas portadoras em função

da frequência de modulação pode ser obtido de:

λ (n )=λ0 (1 +nλ0 f m

c)

(2)

No cálculo das potências e das OSNR das raias, na saída do OCG, foram feitas algumas considerações: a razão de acoplamento do acoplador é exatamente 50%, sua atenuação é αac, a atenuação do modulador (MZ) incluindo a parte devida à modulação é αm, o amplificador óptico (EDFA) tem ganho de pequenos sinais suficiente para garantir a saturação do mesmo, sua potência de saída na condição saturada é PA e sua figura de ruído NF, o filtro óptico tem transmitância αF dentro da banda óptica Bo de transmissão, limitada pelos comprimentos de onda inicial λini e final λf., fora da banda óptica Bo o filtro tem atenuação infinita, as atenuações e ganhos dos dispositivos do OCG foram considerados constantes em função do comprimento de onda.

Como indicado na Fig. 1, na entrada do OCG é aplicado um sinal óptico não modulado cuja potência é Pin e o comprimento de onda é λ0. Esse sinal, combinado no acoplador 50/50 com os sinais nos demais comprimentos de onda (λ1, ... ,λn) presentes no anel, divide-se em 2 partes iguais, o sinal de saída Pout e o sinal aplicado à entrada do modulador P1, assim tem-se:

Pout =P1=∑i= 0

n

Pλi (3)

As raias são geradas no OCG a cada volta até o limite da banda óptica. Esta banda óptica é limitada pelo EDFA e pelo filtro óptico. Ao atingir um comprimento de onda que exceda o limite da banda óptica a raia é eliminada. Assim, a cada volta no OCG, uma nova raia é introduzida pelo laser externo no comprimento de onda λ0 e uma raia de comprimento de onda λn+1 é eliminada do OCG.

O sinal em P4 é formado pelas componentes λ1 a λn. limitadas em banda pela largura B0 do filtro óptico. O valor de P4 é definido por PA, pela atenuação αF e limitação de banda B0 do sinal imposta pelo filtro. O valor de P4 é então dado por:

P4=PA

αF

∑i=1

n

Pλi

∑i=1

n+1

Pλi (4)

O número N de raias que compõem a potência P4, limitada espectralmente entre λ1 e λf é dado por:

( )m

f

fλ

λλc=N

20

1. − (5)

No caso ideal todas as raias têm a mesma potência. Para que isso ocorra é necessário que os dispositivos do OCG tenham a mesma atenuação dentro da banda óptica do filtro e que a potência do sinal de entrada seja tal que sua potência na saída do acoplador seja a mesma que a das demais raias.

A potência do sinal de entrada do acoplador deve ser a mesma que a das raias geradas no OCG também na entrada do acoplador. Considerando que todas as raias tenham a mesma potência, a potência de saída Pout do OCG é:

Pout=NPin

αac

=NPA

αF αac ( N+1) (6)

A potência por raia na saída do OCG é então dada por:

Pλ0 =Pλ1= .. .=P λN=PA

αF α ac (N+1 ) (7)

Uma vez que a potência das raias na saída do OCG seja calculada, para saber a relação sinal ruído óptica (OSNR) é necessário calcular a quantidade de ruído em cada raia.

O ruído óptico acumulado em cada raia é proveniente de duas fontes distintas: a primeira é o próprio laser de entrada e a segunda o amplificador óptico do OCG. Nesta análise o sinal de entrada será considerado sem ruído, uma vez que o laser possui uma OSNR elevada (tipicamente superior a 45 dB em uma resolução de 0,1 nm). A potência de ruído por polarização gerada pelo EDFA é dada pela expressão [9]:

PASE= 12

h f Bo (G NF− 1) (8)

onde h é a constante de Planck (6,6260755x10-34 J/s), f é a frequência do sinal, B0 é a banda óptica do espectro, G é o ganho e NF é a figura de ruído do amplificador.

O modulador, trabalhando em modulação SSB-SC, elimina uma das polarizações da potência óptica que o atravessa, por isso é necessário um acurado controle da polarização do sinal ao longo do OCG.

A cada volta dentro do OCG o ruído óptico é inserido pelo amplificador e deslocado em frequência pelo modulador. Assim, o ruído gerado pelo amplificador no início da banda do filtro óptico é deslocado em frequência de fm e somado ao ruído gerado pelo amplificador, naquela frequência, na volta sucessiva, sucessivamente até que sua frequência tenha sido deslocada o suficiente para ficar fora da banda de transmissão do filtro óptico.

Pode-se observar em (8) que, para um amplificador com ganho e figura de ruído constantes dentro da banda do filtro, a potência de ruído por unidade de frequência introduzida a cada volta é aproximadamente constante. Para fazer o cálculo do nível de potência de ruído óptico inserido a cada volta no OCG divide-se a banda óptica do filtro B0 em fatias de largura igual à frequência fm. Os comprimento de onda envolvidos (λini, λf ou λ0) serão representados unicamente por λ. Para uma banda de sinal equivalente a fm a potência de ruído por volta é:

PASE (m)=(m+1 )h c f m(G NF− 1 ) 2λ (9)

onde m é o número da volta do sinal no OCG, iniciando por m=0, onde o sinal de saída do EDFA ainda não foi deslocado em frequência pelo modulador.

Como as medidas de OSNR são feitas normalmente usando analisadores de espectro óptico (OSA), é necessário definir uma banda óptica sobre a qual considerar a potência de ruído uma vez que este é, o contrário das raias do OCG, distribuído continuamente ao longo do espectro. O OSA faz a medida de OSNR considerando a banda óptica da resolução de seu

monocromador assim, em (10) a banda óptica considerada é a resolução r do OSA.

Sendo o espectro de saída do OCG plano, a potência dentro do OCG mantém-se constante ao longo do tempo. Nesse caso, a potência de entrada do amplificador será função de sua potência de saída e das transmitâncias dos dispositivos situados entre a saída do EDFA e sua entrada. A expressão da potência de ruído na banda r torna-se, então:

PASE (m)=(m+1 )hc 2r ( NFαF α ac αm− 1 ) 2λ3 (10)

O valor da OSNR de cada raia do OCG depende, entre outros parâmetros, da largura da fatia do espectro na qual a raia encontra-se. Assim, para calcular a OSNR das raias é necessário saber a potência do sinal e a potência de ruído geradas naquela faixa de comprimento de onda. O comprimento de onda λ0 do sinal do gerador externo pode estar ou dentro da banda do filtro [λini a λf] ou até um intervalo fm fora, assim, o ruído do OCG pode começar a ser acumulado ao longo do espectro em uma região diferente daquela onde as raias estão presentes.

Para o cálculo da OSNR o valor de m a ser usado para cada raia depende do salto de frequência da modulação (fm), do comprimento de onda do início da banda do filtro óptico (λini), do comprimento de onda do laser externo (λo) e também do número (n) de voltas que o sinal do laser externo percorre antes de sair do OCG. Assim, a partir de (2), obtém-se:

m=n(λ0

λ ini)

2

+c(λ0− λini)λ

2ini f m

(11)

O valor da OSNR na saída do OCG é o mesmo que na saída do amplificador. Substituindo-se (2) em (5) e levando o resultado em (7) determina-se o valor de potência por canal na saída do amplificador. A expressão da potência Pλ por portadora na saída do amplificador torna-se:

Pλ=PA λ

2 f m

c(λf− λ0) (12)

A expressão da OSNR para cada raia, de 0 a N é obtida de (12) e (10), resultando em:

OSNR(n )= 2PA λ

5 f m

(m+ 1 )(λf− λ

0)( NFαFα

acα

m− 1 )hc3 r

(13)

onde os comprimentos de onda para as raias m e n são relacionados em (11).

Em um sistema de transmissão a relação sinal-ruido óptica degrada conforme o sinal avança em direção ao receptor. A relação sinal-ruído óptica no receptor (OSNRRX) é dada por:

1OSNRRX

= 1OSNRTX

+∑i= 1

n1

OSNRn (14)

onde a OSNRTX é a relação sinal ruído no transmissor e OSNRn é a relação sinal ruído devida a cada amplificador da linha,

incluindo o do receptor. Nota-se que um valor excessivamente baixo de OSNRTX impacta no valor de OSNRRX. O segundo termo em (14) representa a relação sinal ruído devida aos amplificadores de linha.

A capacidade de geração de raias do OCG fica limitada à OSNRTX do último canal. Limitando a OSNRTX a um valor que penalize a OSNR da linha de transmissão em 1 dB determina-se o valor de OSNRTX para a pior raia. Desenvolvendo-se (14) na condição de 1 dB de penalidade obtém-se: OSNRTX�4, 86 OSNRRX (15)

Diversos formatos e taxas de modulação têm diferentes requisitos de OSNR para atingir uma BER = 10-12. Uma maior capacidade de transmissão normalizada em relação à banda ocupada pelo canal gera uma maior eficiência espectral causando, porém, um aumento na OSNRRX necessária para a mesma BER. Este aumento na OSNRRX faz com que o mesmo OCG possa gerar um número menor de raias com a mesma OSNRRX. Este número máximo de raias pode ser obtido de (13) para a OSNR desejada.

A OSNR relaciona-se com a relação sinal ruído elétrica do sinal (SNR) segundo [3]:

OSNR= R λ2 SNR2 rc (16)

onde R é a taxa de transmissão, em bit por segundo. Igualando-se (13) a (16), após alguma manipulação

algébrica obtém-se o número máximo (N+1) de raias na saída do OCG:

N+ 1=√ 4PA λ

4 , 86 R ( NF αc αmαF− 1 )SNR h c (17)

Finalmente, a capacidade total do OCG, COCG, por polarização, é dada pelo produto da taxa de transmissão por canal pelo número de raias:

CGC=√ 4 R PA λ

4 , 86( NF α cαmαF− 1)SNR h c (18)

A Eq. (18) não leva em consideração a banda limitada dos amplificadores ópticos usados. Considerando um caso limite onde NF = 2, αc = 2, αm = 4, αF = 1 e 30 nm de largura de banda de amplificação na banda C pode-se determinar a capacidade total de geração do OCG em função do formato de modulação usado. A Tabela I mostra os valores de OSNR necessários no receptor para BER = 10-12 em função da taxa de transmissão e do formato de modulação usado. Mostra também a máxima capacidade possível de ser gerada, nas duas polarizações, considerando uma banda óptica disponível de 30 nm.

TABELA I OSNR TOTAL E CAPACIDADE DO OCG PARA DIFERENTES FORMATOS DE

MODULAÇÃO E TAXAS DE TRANSMISSÃO

Formato de Modulação

OSNR (dB) (resolução 0,1 nm) COCG (Tb/s)

10 Gb/s 40 Gb/s 100 Gb/s

NRZ 13,0 19,0 23,0 7,5

BPSK 10,0 16,0 20,0 7,5

2-ASK 10,0 16,0 20,0 7,5

4-ASK 13,9 19,9 23,9 14,9

16-ASK 23,1 29,1 33,1 29,9

64-ASK 33,3 39,4 43,3 44,8

4-QAM 10,0 16,0 20,0 14,9

16-QAM 13,9 19,9 23,9 29,9

64-QAM 18,3 24,4 28,3 44,8

256-QAM 23,1 29,1 33,1 59,8

Observa-se que, apesar do aumento da complexidade do formato de modulação resultar em uma maior capacidade do OCG, resulta também em uma OSNR necessária maior. Em alguns casos, a OSNR necessária é superior à dos lasers DFB disponíveis atualmente, impondo um limite às condições de operação do OCG. Outro fato a se considerar é que a capacidade total não é alterada pela taxa de transmissão de cada canal, somente pelo formato de modulação.

III. IMPLEMENTAÇÃO EXPERIMENTAL

Nos laboratórios de comunicações ópticas da Fundação CPqD, está em andamento um projeto de pesquisa que investiga sistemas com taxas de transmissão que excedem a 100 Gb/s por canal. Neste contexto, a técnica Co-WDM tem um papel importante pois permite a transmissão de informação com alta densidade espectral. Assim, a técnica RFS foi escolhida para implementação do transmissor porque é capaz de gerar um grande número de canais com boa estabilidade e sua implementação é relativamente simples, requerendo dispositivos já disponíveis no laboratório.

A Fig. 2 mostra a configuração experimental. O anel de recirculação compreende um modulador 40 Gb/s IQ de niobato de lítio com razão de extinção superior a 22 dB, dois amplificadores ópticos (EDFA) e uma chave seletora de comprimento de onda (WSS, wavelength selective switch) operando como filtro óptico. A fonte semente é um laser DFB emitindo em 1551,85 nm. O modulador IQ é alimentado por um sinal senoidal de 20 GHz. Este sinal RF é dividido em dois segmentos, onde um é atrasado de 90º em relação ao outro, de modo a se obter a modulação SSB-SC. Nas portas de entrada do modulador dual, denominadas “I” e “Q” (correspondendo a In-phase e Quadrature, respectivamente), dois amplificadores elétricos banda larga (40 GHz) são usados para prover uma potência elétrica de 19 dBm/porta.

Figura 2. Arranjo experimental do gerador óptico comb,

A Fig. 3 mostra o espectro do sinal gerado pelo laser DFB após a modulação SSB-SC. A portadora fundamental (1551,81 nm) foi suprimida em quase 40 dB e isso foi possível graças a ajustes precisos dos níveis de voltagem DC e RF que alimentam o modulador. Como pode ser observado, a banda lateral superior também foi suprimida em mais de 30 dB, em relação à banda lateral inferior. Harmônicas de mais alta ordem também são observáveis na Fig. 3, atribuídas a não linearidades da curva de transferência do modulador, porém, na banda de operação do OCG, estas harmônicas estão consideravelmente abaixo (mais que 30 dB) da primeira harmônica da banda lateral inferior.

Figura 3. Espectro do sinal semente, depois da modulação SSB-SC.

A Fig. 4 apresenta os resultados medidos e simulados para o sinal de saída do gerador comb óptico: 23 portadoras espaçadas de 20 GHz e com uma relação sinal ruído óptica variando aproximadamente de 25 a 33 dB, com flutuação de amplitude inferior a 3 dB. A redução da OSNR entre as primeiras e últimas raias se deve ao acúmulo de ruído a cada volta no anel, causado pela geração de ASE nos amplificadores ópticos.

Os resultados experimentais estão muito próximos dos simulados, exceto para as portadoras com OSNR mais altas, e isso se deve a uma limitação na resolução do equipamento de medida (OSA), que compromete a precisão das medidas naquele nível de potência. De um modo geral, os resultados experimentais confirmam a precisão de nosso modelo teórico.

Figura 4. – Espectro experimental e teórico, na saída do OCG.

IV. CONCLUSÃO

Descrevemos o gerador comb óptico (OCG), parte do transmissor de um sistema OFDM de alta capacidade. Baseado na técnica RFS (recirculating frequency shifting), o OCG funciona com uma única fonte laser (semente) , a partir da qual é gerado um grande número de portadoras amarradas em fase. Apresentamos um modelo teórico para calcular a potência e o número de portadoras coerentes, bem como o valor da OSNR de cada portadora, na saída do OCG. O gerador comb foi implementado experimentalmente, demonstrando a geração de 23 canais com relação sinal ruído variando entre 25 e 33 dB e com 20 GHz de espaçamento entre si. Para uma penalidade de 1 dB na OSNR devido ao meio de transmissão, e considerando o mínimo valor de OSNR que deve chegar no receptor para garantir um limiar de taxa de erro de bit, BER, demonstramos um critério simples para estimar o valor ótimo da OSNR na saída do OCG, para diferentes formatos de modulação e taxas de bit. Desta forma, demonstramos um procedimento para determinar o máximo número de portadoras que podem ser geradas pelo OCG, tendo como referência a mínima OSNR das portadoras.

Os resultados experimentais validaram o modelo teórico, mostrando excelente concordância com as predições teóricas. Diferentemente de sistemas WDM tradicionais, a técnica aqui apresentada reduz a necessidade de banda de guarda entre canais, o que aumenta a eficiência no uso da banda óptica disponível e torna esta técnica adequada para uso em aplicações Tb/s.

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Fabio Donati Simões - Graduação (1990), mestrado (1995) e doutorado (2008) em Engenharia Elétrica pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Tem experiência em projeto e desenvolvimento de sistemas ópticos, amplificação e modulação óptica e redes ópticas. Atualmente é pesquisador da Fundação CPqD, atuando principalmente nos seguintes temas: sistemas ópticos de alta capacidade, técnicas de

modulação e redes ópticas WDM.

Daniel Moutinho Pataca - Graduação (1981) em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, mestrado (1984) e doutorado (1996) em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas. Tem experiência em microondas, optoeletrônica, redes IP, planejamento e desenvolvimento de serviços de telecomunicações, TV digital e comunicações ópticas. Atualmente é pesquisador da Fundação Centro de Pesquisa e

Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD) onde pesquisa e desenvolve sistemas de comunicações ópticas de alta capacidade baseados em técnicas de OFDM óptico e detecção coerente.

Mônica de Lacerda Rocha - Graduação (1980) em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, mestrado (1984) e doutorado (1999) em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas. Trabalhou como pesquisadora de telecomunicações na Fundação CPqD de 1987 a 2006. Desde 2006 é professora na Universidade de São Paulo, São Carlos, atuando na área de Engenharia Elétrica

e da Computação, com ênfase em Sistemas de Telecomunicações. Seu trabalho de pesquisa é ligado, principalmente, à área de comunicações e redes ópticas, com ênfase em redes ópticas heterogêneas e em técnicas de transmissão baseadas em OFDM óptico.