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Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” Campinas, 18 de outubro de 2007 Sistemas com Taxas de 40 Gb/s Mônica de Lacerda Rocha Escola de Engenharia de.

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1 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” Campinas, 18 de outubro de 2007 Sistemas com Taxas de 40 Gb/s Mônica de Lacerda Rocha Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Elétrica Universidade de São Paulo

2 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

3 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

4 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Comparação entre as várias soluções tecnológicas

5 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Sistemas de Comunicações Ópticas Solução ideal para redes, com fio, de alta capacidade  Mas... por que aumentar o alcance dos sistemas e a capacidade de transporte WDM agregado? Aumento crescente do volume de serviços de dados e da demanda por banda comredução do custo por bit transmitido  Porém... este aumento deve ser atendido com redução do custo por bit transmitido

6 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Redução de custo em sistemas WDM 1. Compartilhamento de componentes ópticos entre muitos (ou todos) canais  Exemplos: fibra óptica, amplificadores ópticos, compensadores de dispersão...  A operação destes componentes em janelas espectrais limitadas justifica a aproximação entre os canais, com a taxa líquida de informação por canal sendo definida como eficiência espectral do sistema (b/s/Hz) (SE: spectral efficiency), também conhecida como densidade espectral de informação. SE = 0,4 b/s/Hz Ex.: Para um sistema com 40 Gb/s (ou 42,7 Gb/s, para acomodar 7% de overhead para FEC) por canal WDM (100 GHz de espaçamento no grid ITU) SE = 0,4 b/s/Hz

7 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Redução de custo em sistemas WDM 2. Aumento da taxa de bits por canal  Maturidade da tecnologia optoeletrônica com volume de produção razoável Fator “4” no aumento da taxa pode corresponder a um fator “2,5” no aumento do custo do transponder  4 x B pode resultar numa economia de 40 % no custo do transponder  Motivação para desenvolvimento da tecnologia de 40 Gb/s Em combinação com novas tecnologias para filtros estreitos (grid de 50 GHz ITU), já foram demonstrados sistemas WDM com SE = 0,8 b/s/Hz Sistemas de 40 Gb/s são disponíveis comercialmente desde 2002

8 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Redução de custo em sistemas WDM 3. Expansão das funcionalidades de rede no domínio óptico: redes roteadas opticamente (reconfiguráveis)  (Reconfigurable) Optical Add-Drop Multiplexer – (R)OADM  Optical Cross Connect (OXC)

9 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Tecnologias essenciais à promoção de alto SE em redes de transporte, de alta capacidade, opticamente roteadas Componentes ópticos de baixo custo Componentes ópticos de baixo custo  Incluindo fibra transmissora, dispositivos para compensação de dispersão e elementos para chaveamento/roteamento óptico, minimizam a necessidade de amplificação óptica e reduzem o ruído de amplificação associado Amplificadores ópticos de baixo ruído Amplificadores ópticos de baixo ruído  (ex. Raman distribuído) Reduzem o ruído acumulado e o ruído de amplificação associado Fibras ópticas avançadas Fibras ópticas avançadas  Reduzem distorções por não-linearidades e permitem o lançamento de sinais mais potentes FEC (Forward Error Correction) FEC (Forward Error Correction)  Permite operação com alta taxa de erro (BER, bit error ratio), o que minimiza as exigências de alta relação sinal ruído (OSNR) no receptor Formatos de Modulação Avançados Formatos de Modulação Avançados  Usados para aumentar a resistência do sinal a efeitos de ruído, características de propagação da fibra e filtragem em cascata.

10 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Maioria dos sistemas ópticos em operação Transponders projetados para operação em multigigabit/segundo/canal  Eletrônica (RF) e optoeletrônica de banda larga (de poucos kHz a dezenas de GHz)  Modulação binária da intensidade da luz, na transmissão, e foto-detecção quadrática, na recepção Demodulação coerente, técnicas de equalização eletrônica, FEC,... são pouco usados

11 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Introdução  Transponders dos sistemas ópticos mais modernos (a partir de 2000) Eletrônica e optoeletrônica de alta velocidade  Processamento eletrônico do sinal FEC, sempre, em 10 Gb/s e em 40 Gb/s MLSE (Maximum-Likelihood Sequence-Stimator) Pré-distorção controlada do sinal, em 10 Gb/s Detecção coerente  Informação da fase óptica  Formatos Avançados: além da modulação de intensidade e fase “OOK” (on-off key) Modulação de fase multinível Modulação de resposta parcial, etc.

12 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Trials Operação Comercial  Conclusão

13 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Classificação dos Formatos de Modulação  Atributos e Critérios Quantidade física usada para representar o dado binário transmitido  Intensidade, fase e polarização Característica de modulação auxiliar usada para melhorar as propriedades de transmissão  Ex.: modulação pulsada e chirp

14 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Classificação dos Formatos de Modulação  Atributos físicos do campo óptico numa fibra monomodo Intensidade Fase (incluindo freqüência) Polarização  Complexidade: codificação do tipo Pol-SK (polarization shift keying) é pouco explorada  Mas... o grau de liberdade de polarização pode ser usado para melhorar as propriedades de propagação e/ou para melhorar a eficiência espectral

15 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Pseudo-Multi-nível Classificação dos Formatos de Modulação Modulação de Intensidade BináriaMultinívelCodificação correlativa Sem MemóriaCom Memória Sem chirp Com chirp OOK M-ASK NRZRZ VSB/SSB NRZRZ C-NRZ, DST CRZ, ACRZ CSRZ, VSB-CSRZ Formatos AP Resposta Parcial ‘PSBT’ ‘PASS’ ‘CAPS’ AMI ‘DCS’ DB Ref. [1]  ACRZ: Alternate-chirp return-to-zero  AMI: Alternate-mark inversion  AP: Alternate-phase  CAPS: Combined amplitude phase shift  C-NRZ: Chirped nonreturn-to-zero  CRZ: Chirped return-to-zero  CSRZ: Carrier-supressed return-to-zero  DB: Duobinary  DCS: Duobinary carrier suppressed  DST: Dispersion-supported transmission  M-ASK: Multilevel amplitude shift keying  NRZ: Nonreturn to zeroOOK: on/off keying  PASS: Phased amplitude shift keying  PSBT: Phase-shaped binary transmission  SSB: Single side band  VSB: Vestigial side band

16 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Classificação dos Formatos de Modulação Modulação de Fase (Diferencial) BináriaMultinível Sem Memória NRZRZ DPSK NRZRZ DQPSK DPSK: Differential phase shift keying DQPSK: Differential quadrature phase shift keying Ref. [1]

17 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Modulação de Intensidade Freqüência Espectro Óptico Mini-Curso 7 – Formatos de Modulação para Sistemas de Transmissão Óptica – Agosto / 2006 Ref. [1]

18 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Modulação de Fase Diferencial Freqüência Espectro Óptico Mini-Curso 7 – Formatos de Modulação para Sistemas de Transmissão Óptica – Agosto / 2006 Ref. [1]

19 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Classificação dos Formatos de Modulação  Tamanho do Alfabeto de Símbolos Sinalização multi-nível: mais de dois símbolos no alfabeto de símbolos Sinalização multi-nível sem memória  Permite que log 2 (M) bits sejam codificados em M símbolos, e então transmitidos a uma taxa reduzida de símbolos (R/log 2 (M), onde R é a taxa de bits  Modulação sem memória: o símbolo associado independe do símbolo enviado antes ou depois.  Demonstrações de M-ASK ainda não comprovaram suas vantagens Alta penalidade da sensibilidade do receptor (back-to- back) em comparação a OOK  DQPSQ: promissor

20 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Classificação dos Formatos de Modulação Sinalização multinível com memória  Todos os símbolos são transmitidos à taxa de bits O grau de liberdade ganho por se usar um alfabeto de símbolos aumentado é explorado para formatar o espectro e melhorar a tolerância a problemas de propagação introduzindo-se memória no esquema de modulação (também conhecido como código de linha)  Formato de Modulação de Dados Pseudo-Multinível Mais de 2 símbolos são usados para representar um único bit, e se a associação do símbolo redundante a bits transmitidos independe dos dados CSRZ (Carrier-supressed return-to-zero): formato pseudo-multinível mais fácil de ser gerado  A informação é codificada nos níveis de intensidade {0,1}, mas a fase muda de  a cada bit, independente da informação

21 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Classificação dos Formatos de Modulação  Formato de Modulação de Dados com Codificação Correlativa A associação de símbolos depende da informação transmitida Resposta Parcial: mais importante sub-categoria  DB (Duobinário) Óptico: o formato de resposta parcial mais importante  CSRZ: informação é codificada pelos níveis de intensidade {0,1}, mas as mudanças  na fase ocorrem apenas para bits 1 (um) separados por um número ímpar de bits 0 (zero). Esta correlação entre mudanças de fase auxiliares e codificação da informação é característica de formatos de resposta parcial.

22 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007  Modulação Pulsada (RZ x NRZ) RZ: a informação é impressa na intensidade, fase ou polarização de pulsos ópticos  A intensidade do pulso “retorna a zero” dentro de cada slot de bit NRZ: permite intensidade óptica constante por vários bits consecutivos E R r R Classificação dos Formatos de Modulação Ref. [1] Non return-to-zero (NRZ) Return-to-zero (RZ) Intensidade Modulação de Intensidade Modulação de Fase NRZ-OOKRZ-OOK NRZ-DPSK RZ-DPSK

23 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

24 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Tecnologias de Modulação  Modulação Indireta ou Externa EAM  Mudança da quantidade de luz absorvida com aplicação de campo elétrico MZM  Mudança do comprimento do caminho óptico com a aplicação de campo elétrico Perda por inserção finita (6 – 7 dB)

25 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Tecnologias de Modulação  EAM: princípio da absorção Zero bias Sinal RF de baixa voltagem Baixo chirp (residual, negativo) Alta velocidade de operação Menor dependência com a polarização Integração com laser DFB Ref.:

26 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Tecnologias de Modulação  MZM: princípio da interferência Bias > zero Sinal elétrico (RF) de mais alta voltagem Baixo (ou zero) chirp Alta velocidade de operação Dependência com a polarização Fácil integração O Entrada Saída Fibra PMF BiasRF Impedância Strip Lines Guias ópticos, difundidos em cristal (em geral de LiNbO 3 ) Fibra SMF

27 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Tecnologias de Modulação  Funções de Transmissão EAM versus MZM Ref. [1] ~2V Voltagem de RF (Driving) Diferença de Voltagem (V) Transmissão de Potência [dB]Transmissão de Potência [%] VV VV in out V 1 (t) V 2 (t)

28 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Tecnologias de Modulação  Diferentes formas de aplicar o sinal RF no MZM resultam em diferentes formatos de modulação MODULADOR ONDA CONTÍNUA DE LUZ DADO ELÉTRICO LUZ MODULADA

29 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

30 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Classificação dos Sistemas WDM Sistema Distância [km] Acesso Metro Regional Longo-alcance Ultra longo-alcance < 100 < – – > 3.000

31 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Como os formatos de modulação podem ajudar a combater as limitações encontradas em redes WDM opticamente roteadas e de alta eficiência espectral? Simultaneamente, eles têm que ser  Resistentes ao ruído gerado nos amplificadores ópticos e serem tolerantes, dentro de banda de transmissão, às dispersões cromáticas e de modo de polarização  Robustos às não-linearidades da fibra e às imprecisões dos mapas de dispersão  Tolerantes às filtragens em cascata, devido às cascatas de OADM  De banda estreita para permitir a alta eficiência espectral

32 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Amplificação Óptica Concentrada  Amplificador a Fibra Dopada  Amplificador a Semicondutor  Amplificador Paramétrico  Espaçamento de 80 a 100 km: sistemas de longo alcance terrestres  Espaçamento de 40 a 60 km: sistemas submarinos Distribuída  Amplificador Raman Independente do esquema de amplificação, e diferentemente dos amplificadores de RF, a amplificação óptica exibe ganho constante ao longo do espectro de um canal WDM, mesmo em taxas altas (≥ 40 Gb/s) Maior impacto: geração de ruído LaserDetector ?

33 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007  Emissão Espontânea Amplificada (ASE) Se múltiplos amplificadores são concatenados periodicamente para compensação de perdas, a ASE se acumula no sistema e é capturada pela relação sinal ruído óptica, OSNR, que vai sendo degradada a cada amplificador ao longo do caminho óptico A OSNR é definida como a potência média do sinal dividida pela potência de ASE, medidas nas duas polarizações e com uma referência de banda óptica de 12,5 GHz (correspondente à resolução típica de nm, normalmente usada nos analisadores de espectro ópticos, OSAs). Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados

34 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Na conversão de um sinal óptico em elétrico, S(t), num receptor com detecção quadrática, o campo da ASE, N(t) bate como o campo do sinal óptico, E(t): o primeiro termo (à direita) representa o sinal elétrico desejado o segundo e o terceiro termos representam, respectivamente, os batimentos (beat-noise) ASE-ASE e sinal-ASE.  A dependência da potência do sinal, revelada no termo de batimento sinal-ASE, não é tipicamente encontrada em microondas, mas é comum em comunicações ópticas

35 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007  Em receptores de sistemas ópticos, os dois termos de batimento de ruído dominam os outros termos de ruído (ex.: ruído térmico) O desempenho de um receptor limitado por batimento de ruído é caracterizado pela OSNR requerida (OSNR req ), que é a OSNR necessária para se obter uma específica BER. Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados

36 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007  A tabela abaixo sumariza as principais características do formatos de modulação discutidos. Dados de simulação: Taxa de transmissão de dados de 42,7 Gb/s (OSNR BER=10 -3 ) Mux e Demux: super Gaussiana de segunda ordem, banda 3-dB de 85GHz (grid 100GHz ITU) Eletrônica do receptor: filtro Bessel passa-baixa de quinta ordem, com 30GHz de banda Características não-ideais dos componentes (como ondulações de atraso de grupo nos filtros, offset de freqüência) são desprezadas. O P ´ ´p ´ Formatos de Modulação Complexidade do Tx Complexidade do Rx DC Fibra transmissora Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados Ref. [1] DGD: Differential Group Delay DC: Dispersão Cromática

37 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Tipos de Distorções Não Lineares Intra-canal Sinal-SinalSinal-Ruído SPM SPM: pulso isolado IXPMIFWM Ruído de fase não linear Amplificação Paramétrica MISPM induzido Ruído de fase não linear Inter-canal Sinal-SinalSinal-Ruído Não Linearidades WDM XPMFWM Ruído de fase não linear XPM induzido Ruído de fase não linear

38 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Impacto em sistemas WDM Taxa de bit por canal (Gb/s) 2, Dispersão da fibra (ps/(nm.km) NZDF STD SMF 0,025 0,1 0,4 Eficiência espectral (bit/s/Hz) Formato de Modulação OOK NRZ RZ XPMSPM IXPM IFWM FWM Ref. [1]

39 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

40 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Transmissão transoceânica  Infinera Demonstrates Transoceanic 40G Services Over Record 8,477 km - Lab Demo Shows Infinera 40G Solution's Robustness to 65 ps of PMD  SUNNYVALE, CA, Sept. 17, 2007 – Infinera (Nasdaq: INFN) has demonstrated the transmission of 40 Gigabit/second (Gb/s) services over a distance of 8,477 kilometers across a transoceanic network spanning Europe and the US, a record distance for a field trial involving 40 Gb/s services. Infinera believes that this demonstration shows how key Infinera technical innovations can enable service providers to offer new high bandwidth services such as 40 Gb/s or OC-768/STM-256 Packet over SONET (POS) services today, and 100 Gigabit Ethernet (100GbE) in the future, over existing infrastructures with less cost and greater flexibility than the 40 Gb/s solutions offered by traditional WDM providers.  In a separate demonstration at Infinera labs, Infinera demonstrated the successful transmission of 40 Gb/s services over 2,000 kilometers of fiber with extremely high levels of polarization mode dispersion (PMD), to illustrate the viability of Infinera’s 40 Gb/s solution for real-world networks with fibers suffering from high PMD.

41 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Infinera

42 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Austrália  27 de maio de 2007: First live 40Gb/s optical transmission trial completed  Ericsson and Telstra have successfully completed the world's first live network trial for next-generation 40Gb/s optical transmission technology in Australia.

43 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Ericsson - Marconi

44 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Korea

45 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Japão

46 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Coreoptics

47 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

48 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Mintera

49 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Coreoptics

50 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

51 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” Campinas, 18 de outubro de 2007 Projeto KyaTera 03/ CPqD 40 Gb/s Lab Projeto KyaTera 06/ LAPTOP LAPTOP: Laboratory of Advanced Photonic Technology for OPtical communication – EESC-USP

52 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” Campinas, 18 de outubro de 2007 OPTINET Optical Networking Laboratory UNICAMP Campinas Helio Waldman Transmission Media Laboratory PUC Campinas Marcelo Abbade M RO Multilaboratory of Optical Networks Microwaves Group USP SP Kleber C. Pinto Photonics Laboratory Mackenzie São Paulo Eunézio de Souza DYNAMIC DISPERSION COMPENSATION 1st Phase DISPERSION COMPENSATING GRATINGS Dr. Mônica L. Rocha (CPqD) Synergy with Dr. Sergio Zilio’s (USP SC) group ELECTRONIC DISPERSION COMPENSATION Dr. Miriam R. X. Barros (CPqD) Fabio D. Simões (CPqD) Dr. Amilcar C. Cesar (USP SC) PHYSICAL LAYER PRINCIPAL LABORATORY 40 Gb/s Laboratory CPqD Campinas Mônica L. Rocha LAPCOM Advanced Laboratory in Cellular and Optical Communications UNICAMP Campinas Evandro Conforti Optical Communication Laboratory UNICAMP Campinas Hugo Fragnito Photonic Technology Laboratory UNICAMP Campinas Edson Moschim LARCOM Communications Network Laboratory UNICAMP Campinas Leonardo Mendes Synergy with GIGA Project WebLab for Characterizing Pulse Propagation in a Real Optical Testbed USP-SC Sergio Zilio Dr. Carlos Ruggiero Dr. Adilson Gonzalga Dr. Amilcar Careli César Dr. Angelo Colombini Dr. Alberto Tannus Dr. André de Angelis Dr. André Muezerie Dr. Ben-Hur V. Borges Dr. Célio Estevan Moron Dr. Edson dos S. Moreira Dr. Gonzalo Travieso Dr. Guilherme M. Sipahi Dr. Hélio C. Guardia Dr. Jan F. W. Slaets Dr. Luciano da Fontoura Costa Dr. Luis Carlos Trevelin Dr. Mateus José Martins Dr. Murilo Araujo Romero Dr. Patricia Magna LIGHTWAYS São Carlos Testbed Consortium USP SC Carlos Ruggiero Intermedia USP ICMC SC Telecom. and Optoelectronics Lab USP EESC GSDR UFSCAR DC Cybernetic Vision USP IFSC Computer Networks and Architecture USP IFSC PHYSICAL LAYER ASSOCIATED LABORATORIES Computer Vision USP EESC Applied Parallel Processing USP IFSC Magnetic Resonance USP IFSC Computational Physics USP IFSC Antes da Transição

53 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Depois da Transição

54 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Propostas  CPqD 40 Gb/s Lab  LAPTOP Phase II – First Half Phase II – Second Half 1. To improve our web page in the KyaTera site. 2. To make a collaborative field trial (IFGW- UNICAMP), in the KyaTera network, on dispersion compensation by using parametric amplification. 3. To make a collaborative field trial (PUCAMP) with a WDM beam modulated at 40 Gb/s/ch to demonstrate the operation of an Optical Amplifier AGC Module. 4. To produce, and deposit on the KyaTera site, tutorials on Electro- Absorption and Electro- Optical Modulators (at graduate level; text presentation). 1. To develop a WebLab experiment demonstrating dispersion compensation through optical switching of dispersion compensating modules. 2. To make a collaborative field trial (FEEC- UNICAMP) to demonstrate the operation of a real time eye diagram monitor. 3. To participate of collaborative experiments between Campinas, São Carlos and São Paulo. 4. To demonstrate a WebLab experiment in the TIDIA Workshop (2007). Phase II – First Half Phase II – Second Half 1. To create our web page in the KyaTera site. 2. To produce, and deposit on the KyaTera site, tutorials on Photonic Crystal Fiber. 3. To produce, and deposit on the KyaTera site, tutorial on Advanced Modulation Formats. 4. To produce, and deposit on the KyaTera site, tutorial on OCDMA. 1. To participate of collaborative experiments using photonic crystal fibers. 2. To participate of collaborative experiments demonstrating NRZ and RZ technologies. 3. To participate of collaborative experiment on dispersion compensation by parametric amplification. 8. To participate of the assembling of a 40 Gb/s receiver 9. To participate of collaborative experiments on pre- chirping of a 40 Gb/s EAM.

55 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 CONT – Salvador, 01/11/2007  O evento:  Programa  Pesquisa de opinião SÃO JOSÉ DOS CAMPOS SÃO PAULO RIO DE JANEIRO PETRÓPOLIS CACHOEIRA PAULISTA NITERÓI CAMPINAS Cont

56 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Sumário  Introdução  Pesquisa Classificação dos Formatos de Modulação Tecnologias de Modulação Rede Óptica com Formatos de Modulação Avançados  Mercado Testes de Campo Operação Comercial  Lab 40Gb/s (CPqD) & LAPTOP (USP)  Conclusão

57 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Conclusão  40 Gb/s é uma realidade comercial  As pesquisas avançam no sentido de contornar os problemas causados por dispersão, PMD e ocupação espectral

58 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Conclusão  META: Redes WDM opticamente roteadas, eficientes espectralmente Elevam a capacidade com redução do custo por bit transportado Avanços recentemente empregados: amplificação Raman, FEC e esquemas alternativos de modulação  Formatos de Modulação Avançados Potenciais facilitadores Dificuldades: conteúdo espectral, crosstalk, robustez a filtragem e características de propagação

59 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Conclusão  Conteúdo Espectral Formatos OOK: NRZ é o mais estreito, seguido pelo CSRZ Formatos de Codificação de Fase: NRZ- DPSK e 67%RZ-DPSK têm um espectro da ordem do OOK-CSRZ Formatos de Resposta Parcial: DB é o mais estreito e o mais forte candidato

60 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Conclusão  Crosstalk Técnicas como VSB em NRZ-OOK e pré-filtragem de CSRZ permitem alta eficiência espectral com baixas penalidades por crosstalk, e ao mesmo tempo permitem o lançamento de um canal vizinho com polarização arbitrária

61 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Conclusão  Robustez a Filtragem DB e NRZ-DPSK: bom desempenho pois seu conteúdo espectral cabe na banda dos filtros ópticos CSRZ-OOK é robusto a filtragem, mas seu conteúdo espectral é tal que canais vizinhos têm que ter polarização ortogonal para que se otimize o desempenho VSB é um candidato promissor

62 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Conclusão  Características de Propagação Um formato de modulação projetado para alta eficiência espectral propaga- se por distâncias mais curtas do que quando (o mesmo formato) projetado para mais baixa eficiência espectral  Exceção: DB, pois apresenta o menor conteúdo espectral e se beneficia de filtragens intensas. Entretanto, o alcance sistêmico será o mesmo, tanto para alta como para baixa eficiência espectral

63 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Conclusão  Cenário Metropolitano Vários formatos de modulação avançados têm sido bastante avaliados para Metropolitan Area Networks 10Gb/s, destacando-se:  LPF-DB: Low-Pass Filter Duobinary (ou PSBT: Phase-Shaped Binary Transmission)  DAF-DB: Delay and Add-Filter Duobinary  DSF-DB: Subtract Filter Duobinary  AMI: Alternate Mark Inversion

64 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Bibliografia [1] P.J. Winzer, R-J. Essiambre, “Advanced Optical Modulation Formats”, Proceedings of the IEEE, Vol. 94, No. 5, pp , May [2] A. H. Gnauck, P.J. Winzer, “Optical Phase-Shift-Keyd Transmission”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, No. 1, pp , January [3] R.-M. Um, T. Yu. Grigoryan, C. R. Menyuk, “Dynamimcs of the Chirped Return-to-Zero Modulation Format”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 20, No. 1, pp , January 2002 [4]G. Bosco, A. Carena, V. Curri, R. Gaudino, P. Poggiolini, “On the Use of NRZ, RZ, and CSRZ Modulation at 40Gb/s with Narrow DWDM Channel Spacing”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 20, No. 9, pp , September [5] I. Neokosmidis, T. Kamalakis, T. Sphicopoulos, “Nonlinearity Tolerance of Optical Modulation Formats in NOzero Dispersion Fibers”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 12, pp , December [6] A. Hodzic, Beate Konrad, K. Petermman, “Alternative Modulation Formats in Nx40Gb/s WDM Standard Fiber RZ-Transmission Systems”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 20, No. 4, pp , April [7] S. Chandrasekhar, G. Raybon, “Performance of Advanced Modulation Formats in Spectrally Efficient Optical Networks, Proceedings of 2004 IEEE-LEOS Workshop on Advanced Modulation Formats, paper ThD1, pp.21-22, July [8] A. Tzonakaki, I. Zacharopoulos, D. Parcharidou, I. Tomkos, “Performance Optimization Using Advanced Modulation Formats in WDM Metropolitan Area Networks”, Proceedings of International Conference on Transparent Optical Networks, ICTON 2004, paper Mo.D1.3, pp , July 2004.

65 Workshop “Futuro das Comunicações Ópticas” – Sistemas com Taxas de 40 Gb/s – Outubro / 2007 Lista de Acrônimos  ACRZ Alternate-chirp return-to-zero  AMI Alternate-mark inversion  ASE Amplified spontaneous emission  BER Bit-error ratio  CD Chromatic dispersion  C-NRZ Chirped nonreturn-to-zero  CRZ Chirped return-to-zero  CSRZ Carrier-suppressed return-to-zero  DB Duobinary  DCF Dispersion-compensating fiber  DCS Duobinary carrier suppressed  DFB Distributed feedback laser  DGD Differential group delay  DI Delay interferometer  DM Data modulation  DMF Data modulation format  DML Directly modulated laser  DPSK Differential phase shift keying  DQPSK Differential quadrature phase shift keying  DST Dispersion-supported transmission  EAM Electroabsorption modulator  EML Electroabsorption modulated laser  EPD Electronic predistortion  FEC Forward error correction  FM Frequency modulation  FWM Four-wave mixing  GVD Group velocity dispersion  IFWM Intrachannel four-wave mixing  ISD Information spectral density  ISI Intersymbol interference  ITU International telecommunication union  IXPM Intrachannel cross-phase modulation  M-ASK Multilevel amplitude shift keying  MI Modulation instability  MLSE Maximum-likelihood sequence estimator  MPI Multipath interference  MZM Mach–Zehnder modulator  NL Nonlinearity  NRD Net residual dispersion  NRZ Nonreturn-to-zero  NZDF Nonzero dispersion shifted fiber  OA Optical amplifier  OADM Optical add/drop multiplexer  OOK On/off keying  OSNR Optical signal-to-noise ratio  OXC Optical crossconnect  PASS Phased amplitude shift signaling  PMD Polarization-mode dispersion  Pol-SK Polarization shift keying  PSBT Phase-shaped binary transmission  PSP Principal state of polarization  RDPS Residual dispersion per span  RF Radiofrequency  ROADM Reconfigurable OADM  RX Receiver  RZ Return-to-zero  SE Spectral efficiency  SPM Self-phase modulation  SSB Single sideband  SSMF Standard single-mode fiber  TX Transmitter  VSB Vestigial sideband  WDM Wavelength division multiplexing  XPM Cross-phase modulation


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