Estudo do ruído de fase em sistemas óticos coerentes

Abstract

Apesar das condições económicas atuais, é previsto que a taxa de dados nas redes de acesso continue o seu crescimento exponencial nos próximos anos. A deteção coerente é uma solução promissora para os sistemas e redes óticas de próxima geração, devido às diversas vantagens que transporta face aos sistemas de deteção direta atualmente instalados. De facto, este é o método de deteção mais avançado, permitindo a equalização digital das imperfeições da transmissão como a dispersão cromática (CD), dispersão dos modos de polarização (PMD), ruído de fase (PN) e efeitos não lineares. A aceitação da deteção coerente como principal tecnologia para as redes de acesso futuras torna a arquitetura que recorre a multiplexagem em comprimentos de onda muito próximos (UDWDM) um forte candidato para as redes óticas passivas (PON) de próxima geração, a qual consegue fornecer enormes benefícios em termos de flexibilidade, escalabilidade e alcance, a custos reduzidos. No entanto, os recetores coerentes apresentam difiuldades na implementação da sincronização da portadora, a qual é fortemente influenciada pelo PN dos lasers. De modo a desmodular corretamente o sinal de informação, o recetor coerente deve ou recorrer a um oscilador local (LO) analogicamente bloqueado à fase da portadora, ou recuperar a fase da portadora digitalmente após deteção. Um método possível para desmodular sinais óticos coerentes é baseado no uso de phase locked loops (PLLs) para sincronizar a frequência e a fase do LO com o laser do transmissor. No entanto, os recetores óticos baseados em PLLs são difíceis de implementar e requerem larguras de linha dos lasers bastante estritas, especialmente quando são utilizados formatos de modulação avançados. Avanços recentes na tecnologia, particularmente na área do processamento digital de sinal (DSP) de alta velocidade, levou a uma alteração do paradigma dos receptores coerentes, permitindo tratar a sincronização da portadora com técnicas digitais. O objetivo desta dissertação é a pós-compensação digital do PN dos lasers. Alguns algoritmos foram desenvolvidos e testados no simulador ótico OSIP, de modo a realizar a tarefa em questão. Esses algoritmos foram de seguida aplicados a uma rede de acesso UDWDM-PON para determinar qual se apresenta como uma melhor solução, para determinados intervalos de larguras de linha. Foi também avaliada a influência da codificação diferencial no processo de estimação de fase, e em que situações esta deve ser aplicada.

Despite current economic conditions, the data rate in access networks is predicted to continue its exponential growth for the next years. Coherent detection is a promising solution for next generation optical systems and networks, due to its several advantages over the already installed direct detection systems. In fact, this is the most advanced reception method, allowing digital equalization of transmission impairments such as chromatic dispersion (CD), polarization mode dispersion (PMD), phase noise (PN) and nonlinear effects. The acceptance of coherent detection as a mainstream technology for future access network makes the ultra dense wavelength division multiplexing (UDWDM) architecture a strong candidate for next generation of passive optical networks (PON), which can deliver maximum benefits in term of flexibility, scalability and reach, at low costs. However, coherent receivers suffer from implementation difficulties of carrier synchronization, which is strongly influenced by laser PN. In order to correctly demodulate the signal, the coherent receiver must either use a local oscillator (LO) analogically locked to the carrier phase, or digitally recover the carrier phase after detection. A possible method for demodulating coherent optical signals is based in the use of a phase locked loop (PLL) to synchronize the frequency and the phase of the local oscillator with the transmitter laser. However, optical receivers based on PLL suffer from implementation difficulties and stringent laser linewidth requirements, especially when scalability to higher-order optical modulation formats is desired. Recent advances in technology, particularly in the field of high-speed digital signal processing (DSP), have led to a change in the paradigm of coherent receivers, allowing to handle carrier synchronization with digital techniques. The aim of this dissertation is digital post compensation of laser PN. Several algorithms were developed and tested in the optical simulator OSIP, in order to perform the task in hands. Such algorithms were then applied to a UDWDM-PON access network, to determine which one represents the best solution, for particular laser beat linewidth intervals. It was also evaluated the influence of differential codification on phase estimation process, and in which cases it should be used.