2ο Μάθημα - Basic principles

1
Photonics for Optical
Communication Networks
2. Technology Basics
Propagation of Light in an Optical Fiber
Optical fibers
Transmission over longer distances and at higher bandwidths (data rates) than other forms of
communication
Technology Basics
Structure
2
Core: Refractive index n1
Cladding: Refractive index n2
Jacket layer: Protection of optical fiber from physical damage
Propagation
Through total internal reflections at core-cladding interface
Refractive index of the core must be greater than the refractive index of the cladding (n1 > n2)
Απώλεια κατά τη μετάδοση στην οπτική ίνα
Καθώς το φως διαδίδεται μέσα στην ίνα, η ισχύς του μειώνεται
εκθετικά με την απόσταση
its power
Technology Basics
P(0)
P(z)
Power
P(0)
P(z) = P(0) e -Αz
παράγοντας
εξασθένησης
0
3
Τυπικές απώλειες οπτικής ίνας SMF ~ 2.5 dB/km
απόσταση, z
Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα
Απορρόφηση: εξαρτάται από το υλικό και την καθαρότητά του
● ενδογενής απορρόφηση από άτομα υλικού της ίνας
● εξωγενής απορρόφηση από άτομα ανεπιθύμητων
προσμίξεων
● απορρόφηση από ατέλειες ατόμων γυαλιού
Σκέδαση: λόγω ανομοιογένειας υλικού
● σκέδαση Rayleigh
Ακτινοβολία: λόγω ασυνεχειών, π.χ. καμπύλωση ίνας, ή
κατασκευαστικών ατελειών
4
● καμπυλότητα αυξάνει το ποσοστό του
διαφυγέντος πεδίου
Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα
• Απορρόφηση
• Σκέδαση
• Ακτινοβολία
5
Παράγοντες Υποβάθμισης Σήματος
Γραμμικά φαινόμενα διάδοσης
Διασπορά:
Φαινόμενο κατά το οποίο αλλοιώνεται η χρονική μορφή του
παλμού του σήματος.
Ονομάζεται διασπορά γιατί συνήθως ο παλμός διευρύνεται
χρονικά (“διασπείρεται”).
Είδη διασποράς:
●Διασπορά Υλικού-Χρωματική Διασπορά
●Διασπορά Κυματοδηγού
● Διασπορά Τρόπων Διάδοσης
6
● Διασπορά Τρόπων Πόλωσης
Διασπορά Υλικού-Χρωματική Διασπορά
δείκτης διάθλασης ίνας εξαρτάται από συχνότητα,
n = n(ω)
 ταχύτητα διάδοσης συνιστώσας ω: υφ=ω/β(ω)=c/n(ω)
...άρα κάθε φασματική συνιστώσα ταξιδεύει με
διαφορετική ταχύτητα
Δt
οπτική ίνα
7
χρόνος
ανώμαλη
διασπορά
+ ομαλή
διασπορά
Υποβάθμιση Σήματος λόγω διασποράς (1/2)
χρονική διεύρυνση παλμού
διασυμβολική παρεμβολή και
αδυναμία διάκρισης συμβόλων
1 0 1
 περιορίζεται η μέγιστη τιμή απόστασης και ταχύτητας μετάδοσης
 ευρύτερο φάσμα  μεγαλύτερη χρονική διεύρυνση
 μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης  περισσότερο ευαίσθητο
2,5 Gbit/s
2,5 Gbit/s
10 Gbit/s
8
οπτική ίνα
10 Gbit/s
Υποβάθμιση Σήματος λόγω διασποράς (2/2)
χρονική διεύρυνση
παλμού λόγω διασποράς
προκαλεί «κλείσιμο» του
διαγράμματος ματιού
συνολική διασπορά
Dacc(ps/nm)=D•L
9
Αντιστάθμιση Διασποράς
γραμμικό φαινόμενο  μπορεί να αντισταθμιστεί
 συνήθως με ίνα αντιστάθμισης διασποράς
(Dispersion Compensating Fiber): αρνητική
παράμετρος διασποράς D ~ -100 psec/nm/km
τυπικές μονορρυθμικές ίνες
(Single-Mode Fibers)
ίνες αντιστάθμισης διασποράς
(Dispersion Compensating Fibers)
για πλήρη αντιστάθμιση:
10
Μη Γραμμικά φαινόμενα διάδοσης
 μη γραμμικότητες Kerr
 αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM)
 ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM)
 μίξη τεσσάρων φωτονίων (FWM)

μη γραμμικότητες σκέδασης
 σκέδαση Raman
 σκέδαση Brillouin
11
Self Phase Modulation (SPM)
Self Phase Modulation (SPM)
Nonlinear optical effect, associated with the Kerr effect
Cause
Technology Basics
High intensity pulse induce a varying refractive index of the medium
Result
Phase shift of the pulse
Change of the pulse’s frequency spectrum only
In the time domain, the envelope of the pulse is not changed
12
Cross Phase Modulation (XPM)
Technology Basics
An optical beam modifies not only its own phase but also of other co-propagating beams. The
intensity of one wave can affect the nonlinear refractive index seen by another wave.
An intense pulse can induce spectral broadening of a weaker pulse co-propagating in an optical
fiber.
Advantages
Wavelength conversion of WDM channels
Demultiplexing of OTDM channels
13
Nonlinear Pulse Compression
Disadvantages
Ultra fast optical switching
Interchannel crosstalk in WDM systems
Four-Wave Mixing (FWM)
Interactions between two different frequency components propagate together in an optical fiber
can produce two extra frequencies in the signal.
Technology Basics
The initial frequencies have to be close to each other in order the phase-matching condition is
satisfied.
Advantages
Wavelength conversion of WDM channels
Optical phase conjugation
Disadvantages
Interchannel crosstalk in WDM systems
14
Degradation of system performance
Solutions
 Use of uneven channel spacing in WDM systems
or fiber that increases dispersion
Stimulated Raman Scattering (SRS)
Inelastic scattering of photons from vibrating silica molecules, during propagation of an optical
beam.
Scattered photons:
Technology Basics
 Lower frequency and energy than that of the incident photons
During propagation of different wavelengths in a fiber, power is transferred from the lowerwavelength channels to the higher-wavelength channels.
Advantages
 Raman amplifiers are occasionally
beneficial for WDM systems
Disadvantages
Interchannel crosstalk in WDM systems
Degradation of the transmitted signals
Solutions
15
Lower total channel powers and channel spacing
Stimulated Brillouin Scattering (SBS)
Variations in the electric field of a pulse produce acoustic vibrations in the medium.
Conversion of incident photon into:
Scattered photon of lower energy, propagating in the backward direction
Technology Basics
A phonon
Brillouin threshold
Reflection of most of the power of incident light pulse above SBS threshold
Degradation of the whole system
Mitigation of SBS effects by:
Increase the bandwidth of the light beyond the Brillouin gain bandwidth (>100MHz)
Reduce the fiber length
16
Input power does not exceed the threshold level
Fiber types
Basic types of fibers:
Single-mode fiber (SMF)
Dispersion Shifted fiber (DSF)
Dispersion Compensating fiber (DCF)
Technology Basics
Polarisation Maintaining fiber (PM)
17
Multimode fiber (MMF)
Step index fiber
Graded index fiber
Special fiber types: multi-core
Multi-core fiber: Multiple cores each carrying a single core’s worth of capacity over the same
link.
Fiber structure
Core pitch: Λ
Technology Basics
Cladding diameter: D
Core- outer cladding distance: d
Tight confinement into core
Crosstalk between cores has to be eliminated.
Solution
Increase power confinement into core
Enlarge core pitch (usually more than 35um)
Crossection of a
7-core fiber
18
Optical Filters
Technology Basics: Passive Components
Why do we need optical filters?
19
• Increased bandwidth with WDM more channels
travel through the fiber
• Individual or multiple treatment of each wavelength
• Filter out the outband noise
• Pulse shaping and all-optical signal-processing
Additional for periodic filters
• FSR (Free spectral Range)
• FWHM (Full Width at Half Maximum)
Optical Filters
Non-Periodic
Filter Characteristics
•Bandwidth
•Spectrum shape
• Crosstalk
• Suppression (Extinction Ratio)
Periodic
Integrated Optical Filters (1/2)
Microring Resonators
Technology Basics: Passive Components
• Integrated on various platforms
20
• Best properties in Si  strong confinement factors  bending
radius < 3μm  high FSR & high finesse.
• Looped optical waveguide and a coupler
• Operational principle: the waves in the loop build up in round
trips forming a resonance.
• Applications: MUX/DEMUX, filtering, all optical signal
processing, delay lines, Bio Photonics sensing
1st order
3d order
Integrated Optical Filters (2/2)
Technology Basics: Passive Components
Mach Zehnder Delay Interferometer
• Light beam is split 1:2
• Each portion follows a different optical path
(L and L+DL)
• At the output both beams interfere constructively or destructively.
• Periodic filter (periodicity depends on DL)
• N x MZIs can be cascaded for sharper and more complex spectral response
FSR
FWHM
FSR= 1/Δτ
L+DL
in1
21
in2
out1
L
out2
FWHM= 1/ 2*Δτ
Technology Basics: Active Components
Lasers
22



“Laser”: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”
(1957),Gordon Gould.
The original meaning denotes an principle of operation, however
mostly used for devices generating light based on the laser principle.
Laser technology is at the core of the wider area of photonics,
essentially because laser light has a number of very special properties.
–
–
–
laser beam :propagate over long lengths without much divergence and
can be focused to very small spots
narrow optical bandwidth (whereas e.g. most lamps emit light with a very
broad optical spectrum)
emitted continuously, or in the form of short or ultrashort pulses (down
to few femtoseconds pulse-duration)
Βασικές Αρχές Οπτικών Πηγών
 Για την περιγραφή της λειτουργίας των Οπτικών πηγών πρέπει να
 Το LED βασίζεται στην αυθόρμητη εκπομπή
και επομένως η έξοδος του έχει χαμηλή ισχύ,
χαμηλή συμφωνία και φασματικό εύρος ~40
nm.
23
 Το laser βασίζεται στην εξαναγκασμένη
εκπομπή. Η έξοδος του έχει υψηλή ισχύ,
παρουσιάζει υψηλή συμφωνία και μικρό
φασματικό εύρος (μπορεί να είναι
μερικές δεκάδες MHz)
Power (dB)
θεωρήσουμε τις τρεις βασικές διαδικασίες:
Wavelength (nm)
Laser Ημιαγωγών (1/3)
Ιδανικά για χρήση σε εφαρμογές Telecom/Datacom
 χαμηλό μέγεθος & υψηλή ισχύς εξόδου
 υψηλή φασματική καθαρότητα (στενό φασματικό εύρος, πολύ καλή συμφωνία φωτός)
Αρχές λειτουργίας
 Στην κεντρική περιοχή πλάτους d τα
ηλεκτρόνια και οι οπές επαννώνονται και
επομένως δεν υπάρχουν φορείς
(περιοχή
απογύμνωσης).
 Η κίνηση επιπλέον ηλεκτρονίων προς την
περιοχή p και οπών προς την περιοχή n
εμποδίζεται από
το φράγμα δυναμικού.
24
 Εφαρμογή ορθής πόλωσης μειώνει το
φράγμα δυναμικού, μειώνει την περιοχή
απογύμνωσης και οδηγεί σε επανένωση
φορέων (ηλεκτρονίων και οπών).
Η επανένωση ενός τέτοιου ζεύγους
συνοδεύεται από παραγωγή ενός
φωτονίου (εκπομπή).
Ορθή πόλωση:
Ο + πόλος συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου p.
Ο
- πόλος συνδέεται στον ημιαγωγό τύπου n.
Laser Ημιαγωγών (1/2)
25

Για να υπάρξει δράση lasing θα πρέπει το ενεργό υλικό να τοποθετηθεί
μεταξύ δύο κατόπτρων, έτσι ώστε η οπτική δέσμη να κάνει πολλαπλές
διαδρομές μέσα από το ενεργό υλικό.

Για να ξεκινήσει η δράση lasing θα πρέπει το ρεύμα άντλησης να ξεπεράσει
ένα κατώφλι. Μετά από αυτό το κατώφλι το καθαρό κέρδος μέσα στην
κοιλότητα ξεπερνά τις απώλειες
Optical Amplifiers (1/3)
Technology Basics: Active Components
Why do we need optical amplifiers?
•
Typical loss of SMF fibers is ~0.2dB/km @ 1.5 μm window.
•
•
•
•
The use of repeaters (O-E-O conversions) requires costly high-speed electronics
(>10GHz) and induce latency.
Best way to amplify  optical fiber amplifiers (lowest loss, most efficient, most
stable).
Optical Amplifier Types
•
Rare-earth doped fiber amplifiers
•
•
•
•
•
EDFAs (Erbium doped): C or L band Total Bandwidth 1500-1600 nm (C+L)
PDFAs (Praseodymium doped): O band window (1300nm)
Raman fiber amplifiers
Can cover O+C+L bands (depends on the number of pumps)
Semiconductor optical amplifiers (SOAs)
•
26
After 100 km of transmission signal is attenuated 20dB (Pout ~100 smaller)
Low SNR @ Rx  we cannot reach the required BER (typically <10-9)
Can cover O, C, or L bands
SOA
EDFA
27
EDFA
RAMAN
SOA
Technology Basics: Active Components
Optical Amplifiers (2/3)
Source: Institute of Optical Sciences
(University of Toronto)
 Wide bandwidth (40nm)
 High amplification (30-40dB)
 High output power (>20dBm)
 Low noise - 4dB (noise factor)
Gain flattening is an issue
Rather increased size
Can NOT be integrated
Pump Laser @ 980 or 1450 nm
Variable wavelength amplification
Wide operational bandwidth
Extend EDFAs beyond C band
Low noise
Flat response is possible
or
No dope is required
Application along
SMF transmission
High pump power is required
Multiple pumps for broader bandwidth
Sophisticated gain control
Can be integrated
Small form factor & low cost
Integration with Laser Diodes
Nonlinear behavior  signal distortion
High Noise figure
Polarization sensitive
Changes in Gain changes in Phase
C band SOA
Electrical current
population inversion
Technology Basics: Active Components
Optical Amplifiers (3/3)
Source: Institute of Optical Sciences (University of Toronto)
In a glimpse…



C-band networks EDFA as 1st choice: high gain, low NF
For UDWM networks with O+C+L bands, RAMAN is one-way!
SOA induces signal distortions especially to mPSK & M-QAM signals
–
28
–
is suitable for short reach / access networks with OOK modulation formats as a low cost solution.
Use as a Booster to amplify CW signal after a laser Diode
Optical Modulation (1/2)
Technology Basics: Active Components
• An optical modulator is responsible to imprint the
electrical data on the optical domain.
Direct Modulation
Optical
Modulation
External
Modulation of the Laser’s electrical current.
+ Low complexity
+ Low cost
+ Low driving requirements
Electro-Optic
Modulators
Electroabsorption
Modulators
- Only M-PAM optical modulation
- High chirp values to the optical output
- Only for short reach links
- Limited by the bandwidth of the laser
- Baud-rates > 10Gb/s are challenging
Generic Direct Modulation scheme
29
Direct
Mainly used in Access networks (DML,VCSELs)
& in datacom (VCSELs) due to cost constrains
-DML
-VCSELs
Optical Modulation (2/2)
Technology Basics: Active Components
External Modulators
30
• Dominate in most of the optical
Communications applications
- Higher cost
- Rather high integration form factor
- Higher driving voltage requirements
+ Superior signal quality
+ Chirp free output
(RF amplifiers are needed_
+ High Electroptical bandwidth (~100GHz)
- More complex electrical circuitry
+ Baud-rates > 100Gb/s
+ High stability
+ Optical amplitude and/or phase modulation
Generic External
Modulation scheme
Mainly used in Long Haul networks where the cost/bit is much lower
Εξωτερικοί Διαμορφωτές
Technology Basics: Active Components
Οι διαμορφωτές που χρησιμοποιούνται βασίζονται
σε ένα από τα δύο φαινόμενα:
31
Ηλεκτρο‐οπτικό φαινόμενο
(Pockel ’s Effect )
Εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από
εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση.
Φαινόμενο
Ηλεκτρο‐απορρόφησης
Απορρόφηση του οπτικού πεδίου από ένα υλικό
συναρτήσει της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής
τάσης. Εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από
εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση.
Ηλεκτρο‐οπτικοί Διαμορφωτές (1/2)
 Όταν ένα οπτικό πεδίο διαδίδεται κατά μήκος ενός κυματοδηγού μήκους L η
φάση φ που συσσωρεύει είναι:
 Αν υπάρξει μια διαφοροποίηση του δ.δ.
Δn τότε η διαφοροποίηση της φάσης είναι:
Σε ηλεκτρο‐οπτικά υλικά (LiNbO3 GaAs κ.λ.π.)η διαφοροποίηση Δn μπορεί να
προέλθει με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου Ε σε κατάλληλη διεύθυνση:
32
Ηλεκτρο‐οπτικοί Διαμορφωτές (2/2)
33

H διαφοροποίηση της φάσης Δφ ως
απόκριση σε ένα ηλεκτρικό σήμα τάσης
χρησιμοποιείται στην εξωτερική
διαμόρφωση NRZ

Για τη μετατροπή της διαφοράς φάσης
σε διαφορά (διαμόρφωση) πλάτους
απαιτείται η χρήση συμβολομετρικής
διάταξης. Συνήθως χρησιμοποιείται το
συμβολόμετρο Mach‐Zehnder (MZI).
Ανάλογα με το επίπεδο DC, επιλέγεται μία
συγκεκριμένη περιοχή λειτουργίας.
Διαμορφωτές Ηλεκτροαπορόφησης


34
To ποσοστό ισχύος που μεταδίδεται μέσα
από ένα υλικό είναι:
ΕΑΜ βασίζεται στην εξάρτηση του συντελεστή
απορρόφησης α συγκεκριμένων υλικών από
την εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση.
Γενικά, όσο μεγαλύτερη η εφαρμοζόμενη τάση τόσο μεγαλύτερη η
απορρόφηση και επομένως τόσο μικρότερη η μετάδοση
Με τον τρόπο αυτό γράφεται η ψηφιακή πληροφορία πάνω στο οπτικό φέρον.
Optical Transmitters (Tx)
Technology Basics: Active Components
• The fundamental components of an optical Transmitter is an Light Source and an
External modulator ( in case the External modulation scheme is used)
• Optical and Electrical components in a PCB and organized in line cards.
35
Generic Block Diagram of a Transmitter
• Depending on the ext. modulator type, a bias control unit and RF amplifiers are needed
• Cooler and Temperature monitor is essential since it stabilizes laser frequency and power
• An optical attenuator adjusts the output power of the Tx, depending on the application and
the available Rx
Optical Detectors (1/2)

Technology Basics: Active Components

36


An optical detector is a device that converts light-signals into electrical signals, which can then be
electrically amplified and processed.
It is essential element of any fiber optic system and can dictate the performance of a fiber optic
communication link.
Semiconductor photodiodes are the most commonly used detectors in optical fiber systems since they
provide good performance, being small in size, and are of low cost.
Materials of semiconductor photodiodes: silicon, germanium, GaAs, InGaAs, etc.
Photodetector Characteristics
• Responsivity: ratio of electrical output to
the input optical power. Measured as amps
per watt (A/W) [values 0-1 for PIN diodes].
• Bandwidth: the frequency at which the
output signal has dropped to 3dB (50%)
below the power at a low frequency. This
means that only half as much signal is
getting through the detector at the higher
frequency.
• Practically : what is the maximum bit-rate
of the signals that we can detect?
Telecom &datacom window
Optical Detectors (2/2)
Technology Basics: Active Components
Generic Operating Principle
37
The detector is electrically reversebiased. (In contrary, LEDs and Lasers
are forward-biased to emit light).
When no light, the reverse bias draws
current-carrying electrons and holes out of
the p-n junction region, creating a depleted
region, which stops current from passing
through the diode.
• When light is present: photons with the proper energy (wavelength) create
•electron-hole pairs in this region.
• Electrons are raised from the valence band to the conduction band, leaving a hole behind.
• The bias voltage causes these current carriers to drift quickly away from the junction region
• A current flows proportional to the light hitting the detector.
Modulation Types and Formats
Types of modulation
Technology Basics
Amplitude shift keying (ASK)
Phase shift keying (PSK)
Modulation formats
For ASK: On-Off keying (OOK) including NRZ, RZ
For PSK: PSK, DPSK, QPSK, DQPSK, 8PSK
Combinations of ASK and PSK: Quadrature amplitude
modulation (QAM)
38
On-Off keying (OOK) modulation (1/2)
Technology Basics: Optical Modulation
Non-return-to-zero OOK (NRZ-OOK)
39
Basic setup for the generation of NRZ-OOK signals using external modulators
Digital data signal
Optical NRZ-OOK signal
CW
Laser diode
Amplitude
modulator
On-Off keying (OOK) modulation (2/2)
ΤΒ: Bit duration
Technology Basics: Optical Modulation
Return-to-zero OOK (RZ-OOK)
duty cycle (dc) = FWHM / TB
FWHM
Basic setups for the generation of NRZ-OOK signals using external modulators
a)
Signal generator
Optical NRZ signal
Modulator
(Pulse carver)
Digital data signal
b)
Optical clock
Optical RZ signal
Modulator
40
Optical RZ signal
Optical spectra of NRZ-OOK and RZ-OOK signals
Technology Basics: Optical Modulation
Optical spectra and eye-diagrams of NRZ-OOK and RZ-OOK signals with 33%
and 50% duty-cycle).
NRZ-OOK
RZ-OOK
For the same data rate, the spectrum of RZ-OOK signals is significantly broader than the
spectrum of NRZ-OOK signals
In both spectra, the data rate is evident from the spacing of the spectral tones
41
Phase shift keying (PSK) Modulation (1/3)

Hπληροφορία κωδικοποιείται στη φάση του οπτικού φέροντος
Στην πιο απλή περίπτωση:

Όταν υπάρχει ΄1΄ στα data η φάση του παλμού είναι π. Όταν υπάρχει ΄0΄ στα data η
φάση του παλμού είναι 0.
42

Αυτό το σχήμα διαμόρφωσης ονομάζεται phase‐shift keying (PSK).

Η οπτική ισχύς του σήματος είναι σταθερή ανεξάρτητα από την αλληλουχία των bits.

Eξ΄αιτίας αυτής της σταθερότητας η διαμόρφωση PSK έχει μεγαλύτερη ανοχή στα μη
γραμμικά φαινόμενα διάδοσης.
Phase shift keying (PSK) Modulation (2/3)

Ο ηλεκτρο‐οπτικός διαμορφωτής είναι διαμορφωτής φάσης.

Η χαμηλή στάθμη του ηλεκτρικού σήματος αντιστοιχεί σε
στροφή φάσης 0, ενώ η υψηλή σε στροφή φάσης π (Vπ)
Η οπτική είσοδος στο διαμορφωτή είναι είτε CW είτε οπτικό ρολόι. Στην πρώτη
περίπτωση έχουμε NRZ‐PSK ενώ στη δεύτερη RZ‐PSK.
Στην έξοδο, τα οπτικά σήματα έχουν την ίδια μορφή όπως και στην είσοδο
43
Phase shift keying (PSK) Modulation (3/3)

Δειγματολογώντας για κάθε bit στη μέση της χρονοθυρίδας, μπορούμε να
αποτυπώσουμε τα δείγματα στο μιγαδικό επίπεδο δημιουργώντας
constellation diagrams.

H απόσταση του κάθε σημείου από την αρχή των αξόνων δηλώνει την ισχύ
του αντίστοιχου παλμού.

H φάση δηλώνεται από τη γωνία στην οποία βρίσκεται το σημείο
Τα σημεία έχουν περιστραφεί και
διασπαρεί στο μιγαδικό επίπεδο
Η περιστροφή δηλώνει τη
συσσώρευση φάσης λόγω
διάδοσης
Πριν τη διάδοση
44
Μετά τη διάδοση
Η διασπορά στην ακτινική
συνιστώσα δηλώνει το θόρυβο
πλάτους και στην εφαπτομενική
το θόρυβο φάσης
Higher Order Modulation Formats (1/2)
• In the past, the schemes of On-Off Keying (OOK) and Binary Phase Shift
Keying (BPSK) where employed to transmit the information
State-of-the-art: Telecom
• These formats are able to carry 1 bit per symbol duration.
• Increasing the number of bits/symbol leads to increased channel capacity
(approaching Shannon Limit)
• Higher Order Modulation Formats encode information in the signal’s
amplitude and phase.
• Some typical used formats are:
QPSK  2 bits/symbol (4 constellation points)
8-QAM  3 bits/symbol (8 constellation points)
45
16-QAM  4 bits/symbol (16 constellation points)
State-of-the-art: Telecom
Higher Order Modulation Formats (2/2)
46
Tradeoff
Increase of Spectral Efficiency and Channel Capacity
vs
Transmission Reach
Transmitter Structure for Higher Order
Modulation Formats
• In order to achieve the higher order modulation formats, special optical devices
are employed
State-of-the-art: Telecom
• Such device is a dual nested Mach Zender Modulator (IQ-MZM)
• The I/Q inputs are the outputs of high speed DACs
47
Wavelength division multiplexing (WDM) (1/3)
Technology Basics: Multiplexing
Multiple channels at different wavelengths
MUX
DEMUX
Total transmission capacity >90 Tb/s in a single-core fiber using advanced
modulation formats
48
Wavelength division multiplexing (WDM) (2/3)
Technology Basics: Multiplexing
Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM)
49
Defined with standard ITU-T G694.2
Up to 18 channels with 20 nm spectral spacing
Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)
Channel spacing 200, 100, 50 or 25 GHz
>200 channels in the C and L band of optical communications
Wavelength division multiplexing (WDM) (3/3)
First generation WDM (late ΄80s)
Technology Basics: Multiplexing
Two wavelengths with large spectral spacing (at 1310 and 1550 nm)
Second generation WDM (early ΄90s)
Up to eight channels in the spectral window around 1550 nm
Spectral efficiency >400 GHz
Today’s DWDM
Up to 80 channels in the spectral window of 1550 nm
Spectral spacing at 200 or 100 GHz
Use of optical power equalizers between the different channels
Hybrid multiplexing systems based on DWDM/ETDM.
Next generation DWDM systems
More than 200 channels in the C and L band of optical communication
50
Channel spacing at 50 to 25 GHz
Technology Basics: Performance Metrics
Optical transmission system – Power budget
51
Transmitter power (PT)
Link loss (aL)
Receiver sensitivity (PR)
The tolerable channel loss is defined by the condition that the optical power
that reaches the far end of the system is above the sensitivity of the receiver
PT-aL> PR
This condition is particularly important for datacom applications and active
optical cables, where the use of optical amplification is not acceptable.
Optical transmission system – Power budget & OSNR
LA
Technology Basics: Performance Metrics
LA
52
Pin
G
LA
G
LA
G
G
G
Pin
PASE
NA
In telecom applications, the channel loss is periodically compensated by
optical amplifiers that ensure that the received power is above sensitivity
In this case, however, the optical noise (amplified spontaneous emission-ASE)
is accumulated along the link reducing the optical signal to noise ratio (OSNR)
OSNR =
PIN
PASE
Transmission impairments and consequences
Technology Basics: Performance Metrics
Causes of optical signal distortion during transmission
Linear and nonlinear propagation effects in optical fibers
Noise accumulation from amplifiers’ chain
Crosstalk between WDM channels
Filter concatenation
Results
Amplitude perturbation
Pulse broadening
Quality assessment
Inspection of eye-diagrams and eye-diagram-based measurements
Bit-error rate (BER) measurements
53
Timing jitter
Generation of eye-diagrams
Technology Basics: Performance Metrics
Trace (bit sequence) of the input optical signal
54
Amplitude
variations
Time variations
Overlap of short bit sequences and generation of eye-diagram
Technology Basics: Performance Metrics
Eye-diagram characteristics
The timing jitter is recognized from the width of the transitions between 0 and 1
The noise is mainly recognized in the width of the two lines at 0 and 1 levels
The eye-opening indicates
the overall signal quality
H
W
55
Eye-diagram-based measurements
Technology Basics: Performance Metrics
Standard deviation σ1
Mean value μ1
Standard deviation σ0
Mean value μ0
Choice of optimum point in the time axis
Study of the distributions at level “1” and level “0” at the optimum point of
the eye-diagram
Extinction Ratio
Q-factor
56
 1 
EX  10  log  
 0 
 - 0
Q 1
 0  1
BER measurements (1/3)
Technology Basics: Performance Metrics
Bit errors are the result of incorrect decisions of the receiver regarding
the value of the received symbol (whether it is 0 or 1)
Responsible for these errors are the tails in the statistical distributions at
the level of 0 and 1.
Ρ(1|0)
Threshold
Ρ(0|1)
P(1|0) is the probability to recognize an incoming 0 as 1
57
μ1
P(1|0) is the probability to recognize an incoming 1 as 0
μ0
BER measurements (2/3)
The electrical signal that is produced at the receiver is not identical to
the incident optical signal
The receiver adds noise of the following kinds:
Thermal noise
Noise of the transimpedance amplifier
Dark noise
Shot noise
The noise effect increases with reduced received optical power. The increase
of the noise effect is equivalent to the increase of the distribution tails
Low received power
58
High received power
BER measurements (3/3)
Βack-to-Βack measurements
BER as a function of signal power connecting
directly the transmitter with the receiver
BtB
DUT
Attenuator
PPG
BER
tester
Clock
btb
Device, subsystem or system
characterization
attenuator
PPG
DUT
BER
tester
Clock
59
Device Under Test (DUT)
BER curves
Technology Basics: Performance Metrics
Constellation diagram (1/2)
60
For phase modulated signals or QAM signals the eye-diagram do not reveal the
phase information.
By taking samples in the middle of each bit-slot, we can position these samples
on the complex plane and create the so called constellation diagram
(10)
(00)
(11)
(01)
The distance of each point from the origin of the
axes reveals the peak power of each pulse.
The phase is revealed from the angle of the corresponding point on the
complex plane.
Technology Basics: Performance Metrics
Constellation diagram (2/2)
61
A signal sent by an ideal Tx and received by an ideal Rx
would have all constellation points at the ideal locations
The error vector magnitude (EVM) is a
measure of how far the points are from these
locations due to transmission impairments
The EVM is equal to the ratio of the power of the error vector to the root
mean square (RMS) power of the reference. It is defined in dB as:
EVM (dB) = 10 log10 ·(Perror/Preference)

Download Report