Photonics for Optical Communication Networks 2. Technology Basics 1
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 Structure Core: Refractive index n 1 Cladding: Refractive index n 2 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 (n 1 > n 2 ) 2
Technology Basics Απώλεια κατά τη μετάδοση στην οπτική ίνα Καθώς το φως διαδίδεται μέσα στην ίνα, η ισχύς του μειώνεται εκθετικά με την απόσταση its power P(0) P(z) P(0) Power P(z) = P(0) e -Αz παράγοντας εξασθένησης 0 απόσταση, z 3 Τυπικές απώλειες οπτικής ίνας SMF ~ 2.5 db/km
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 4 Ακτινοβολία: λόγω ασυνεχειών, π.χ. καμπύλωση ίνας, ή κατασκευαστικών ατελειών 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 ). 6 Είδη διασποράς: Διασπορά Υλικού-Χρωματική Διασπορά Διασπορά Κυματοδηγού Διασπορά Τρόπων Διάδοσης Διασπορά Τρόπων Πόλωσης
Διασπορά Υλικού-Χρωματική Διασπορά δείκτης διάθλασης ίνας εξαρτάται από συχνότητα, n = n(ω) ταχύτητα διάδοσης συνιστώσας ω: υ φ =ω/β(ω)=c/n(ω)...άρα κάθε φασματική συνιστώσα ταξιδεύει με διαφορετική ταχύτητα Δt - ανώμαλη διασπορά 7 χρόνος οπτική ίνα + ομαλή διασπορά
Υποβάθμιση Σήματος λόγω διασποράς (1/2) χρονική διεύρυνση παλμού 1 0 1 διασυμβολική παρεμβολή και αδυναμία διάκρισης συμβόλων 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 οπτική ίνα 10 Gbit/s 8
Υποβάθμιση Σήματος λόγω διασποράς (2/2) χρονική διεύρυνση παλμού λόγω διασποράς προκαλεί «κλείσιμο» του διαγράμματος ματιού συνολική διασπορά D acc (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
Technology Basics Self Phase Modulation (SPM) Self Phase Modulation (SPM) Cause Nonlinear optical effect, associated with the Kerr effect 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
Technology Basics Cross Phase Modulation (XPM) 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. 13 Advantages Wavelength conversion of WDM channels Demultiplexing of OTDM channels Nonlinear Pulse Compression Ultra fast optical switching Disadvantages Interchannel crosstalk in WDM systems
Technology Basics Four-Wave Mixing (FWM) Interactions between two different frequency components propagate together in an optical fiber can produce two extra frequencies in the signal. 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 Solutions Use of uneven channel spacing in WDM systems or fiber that increases dispersion 14 Interchannel crosstalk in WDM systems Degradation of system performance
Technology Basics Stimulated Raman Scattering (SRS) Inelastic scattering of photons from vibrating silica molecules, during propagation of an optical beam. Scattered photons: 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 15 Disadvantages Interchannel crosstalk in WDM systems Degradation of the transmitted signals Solutions Lower total channel powers and channel spacing
Technology Basics 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 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: 16 Increase the bandwidth of the light beyond the Brillouin gain bandwidth (>100MHz) Reduce the fiber length Input power does not exceed the threshold level
Technology Basics Fiber types Basic types of fibers: Single-mode fiber (SMF) Dispersion Shifted fiber (DSF) Dispersion Compensating fiber (DCF) Polarisation Maintaining fiber (PM) Multimode fiber (MMF) Step index fiber Graded index fiber 17
Technology Basics 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 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
Technology Basics: Passive Components Optical Filters Why do we need optical filters? 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 Optical Filters Filter Characteristics Bandwidth Spectrum shape Crosstalk Suppression (Extinction Ratio) Additional for periodic filters FSR (Free spectral Range) FWHM (Full Width at Half Maximum) Non-Periodic Periodic 19
Technology Basics: Passive Components Integrated Optical Filters (1/2) Microring Resonators Integrated on various platforms 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 1 st order 3d order 20
Technology Basics: Passive Components Integrated Optical Filters (2/2) 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 FWHM FSR L+DL FSR= 1/Δτ 21 in1 in2 L out1 out2 FWHM= 1/ 2*Δτ
Technology Basics: Active Components Lasers 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) 22
Βασικές Αρχές Οπτικών Πηγών Power (db) Για την περιγραφή της λειτουργίας των Οπτικών πηγών πρέπει να θεωρήσουμε τις τρεις βασικές διαδικασίες: 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) 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 24 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. 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) 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 25
Technology Basics: Active Components Optical Amplifiers (1/3) Why do we need optical amplifiers? Typical loss of SMF fibers is ~0.2dB/km @ 1.5 μm window. After 100 km of transmission signal is attenuated 20dB (Pout ~100 smaller) Low SNR @ Rx we cannot reach the required BER (typically <10-9 ) 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) Can cover O, C, or L bands 26 SOA EDFA
SOA Technology Basics: Active Components RAMAN EDFA 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 High pump power is required Multiple pumps for broader bandwidth Sophisticated gain control or No dope is required Application along SMF transmission Can be integrated Small form factor & low cost Integration with Laser Diodes 27 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) In a glimpse Source: Institute of Optical Sciences (University of Toronto) 28 C-band networks EDFA as 1 st 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 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
Technology Basics: Active Components Optical Modulation (1/2) An optical modulator is responsible to imprint the electrical data on the optical domain. Optical Modulation Direct Modulation Modulation of the Laser s electrical current. External Direct + Low complexity + Low cost + Low driving requirements Electro-Optic Modulators Electroabsorption Modulators -DML -VCSELs - 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 29 Mainly used in Access networks (DML,VCSELs) & in datacom (VCSELs) due to cost constrains Generic Direct Modulation scheme
Technology Basics: Active Components Optical Modulation (2/2) External Modulators Dominate in most of the optical Communications applications + Superior signal quality + Chirp free output + High Electroptical bandwidth (~100GHz) + Baud-rates > 100Gb/s + High stability + Optical amplitude and/or phase modulation - Higher cost - Rather high integration form factor - Higher driving voltage requirements (RF amplifiers are needed_ - More complex electrical circuitry Generic External Modulation scheme 30 Mainly used in Long Haul networks where the cost/bit is much lower
Technology Basics: Active Components Εξωτερικοί Διαμορφωτές Οι διαμορφωτές που χρησιμοποιούνται βασίζονται σε ένα από τα δύο φαινόμενα: Ηλεκτρο οπτικό φαινόμενο (Pockel s Effect ) Εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση. Φαινόμενο Ηλεκτρο απορρόφησης 31 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) 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). 33 Ανάλογα με το επίπεδο DC, επιλέγεται μία συγκεκριμένη περιοχή λειτουργίας.
Διαμορφωτές Ηλεκτροαπορόφησης 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. 34 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.
Technology Basics: Active Components Optical Transmitters (Tx) 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. 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 35 Generic Block Diagram of a Transmitter
Technology Basics: Active Components Optical Detectors (1/2) 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. 36 Practically : what is the maximum bit-rate of the signals that we can detect? Telecom &datacom window
Technology Basics: Active Components Optical Detectors (2/2) Generic Operating Principle 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. 37 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.
Technology Basics Modulation Types and Formats Types of modulation 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
Technology Basics: Optical Modulation On-Off keying (OOK) modulation (1/2) Non-return-to-zero OOK (NRZ-OOK) Basic setup for the generation of NRZ-OOK signals using external modulators Digital data signal Laser diode CW Amplitude modulator Optical NRZ-OOK signal 39
Technology Basics: Optical Modulation On-Off keying (OOK) modulation (2/2) Return-to-zero OOK (RZ-OOK) Τ Β : Bit duration duty cycle (dc) = FWHM / T B FWHM Basic setups for the generation of NRZ-OOK signals using external modulators a) Signal generator Optical NRZ signal Modulator (Pulse carver) Optical RZ signal b) Digital data signal Optical clock Modulator Optical RZ signal 40
Technology Basics: Optical Modulation Optical spectra of NRZ-OOK and RZ-OOK signals 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. Αυτό το σχήμα διαμόρφωσης ονομάζεται phase shift keying (PSK). Η οπτική ισχύς του σήματος είναι σταθερή ανεξάρτητα από την αλληλουχία των bits. 42 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 44 Πριν τη διάδοση Μετά τη διάδοση Η διασπορά στην ακτινική συνιστώσα δηλώνει το θόρυβο πλάτους και στην εφαπτομενική το θόρυβο φάσης
State-of-the-art: Telecom 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 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) Tradeoff Increase of Spectral Efficiency and Channel Capacity vs Transmission Reach 46
State-of-the-art: Telecom Transmitter Structure for Higher Order Modulation Formats In order to achieve the higher order modulation formats, special optical devices are employed Such device is a dual nested Mach Zender Modulator (IQ-MZM) The I/Q inputs are the outputs of high speed DACs 47
Technology Basics: Multiplexing Wavelength division multiplexing (WDM) (1/3) Multiple channels at different wavelengths MUX DEMUX 48 Total transmission capacity >90 Tb/s in a single-core fiber using advanced modulation formats
Technology Basics: Multiplexing Wavelength division multiplexing (WDM) (2/3) Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) 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 49
Technology Basics: Multiplexing Wavelength division multiplexing (WDM) (3/3) First generation WDM (late 80s) 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. 50 Next generation DWDM systems More than 200 channels in the C and L band of optical communication Channel spacing at 50 to 25 GHz
Technology Basics: Performance Metrics Optical transmission system Power budget Transmitter power (P T ) Link loss (a L ) Receiver sensitivity (P R ) 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 P T -a L > P R This condition is particularly important for datacom applications and active optical cables, where the use of optical amplification is not acceptable. 51
Technology Basics: Performance Metrics Optical transmission system Power budget & OSNR L A L A L A L A P in G G G G G P in P ASE N A 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 = P IN P ASE 52
Technology Basics: Performance Metrics Transmission impairments and consequences 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 Timing jitter Pulse broadening Quality assessment 53 Inspection of eye-diagrams and eye-diagram-based measurements Bit-error rate (BER) measurements
Technology Basics: Performance Metrics Generation of eye-diagrams Trace (bit sequence) of the input optical signal Amplitude variations Time variations Overlap of short bit sequences and generation of eye-diagram 54
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 H The eye-opening indicates the overall signal quality W 55
Technology Basics: Performance Metrics Eye-diagram-based measurements Mean value μ 1 Standard deviation σ 1 Standard deviation σ 0 Mean value μ 0 Choice of optimum point in the time axis 56 Study of the distributions at level 1 and level 0 at the optimum point of the eye-diagram Extinction Ratio Q-factor 1 EX 10 log 0 1-0 Q 0 1
Technology Basics: Performance Metrics BER measurements (1/3) 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) μ 1 Threshold Ρ(0 1) μ 0 57 P(1 0) is the probability to recognize an incoming 0 as 1 P(1 0) is the probability to recognize an incoming 1 as 0
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 Dark noise Noise of the transimpedance amplifier 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 High received power 58
BER measurements (3/3) Βack-to-Βack measurements BER as a function of signal power connecting directly the transmitter with the receiver BtB DUT PPG Attenuator BER tester Clock Device, subsystem or system characterization attenuator btb PPG DUT BER tester BER curves 59 Clock Device Under Test (DUT)
Technology Basics: Performance Metrics Constellation diagram (1/2) 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) The distance of each point from the origin of the axes reveals the peak power of each pulse. (11) (01) The phase is revealed from the angle of the corresponding point on the complex plane. 60
Technology Basics: Performance Metrics Constellation diagram (2/2) 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 log 10 (P error /P reference ) 61