978-­‐‑1-­‐‑4673-­‐‑1269-­‐‑1/12/$31.00 ©2012 IEEE

DPSK FOR OPTICAL ACCESS NETWORKS

Claudia Carmona Rodríguez(1), Ana María Cárdenas Soto (2) , Andrés Gil Molina (2) claudia.carmona@upb.edu.co, acardenas@udea.edu.co, andres.gil.molina@gmail.com,

(1) Facultad de Ingeniería en TIC . Universidad Pontificia Bolivariana. Circular1 No. 70-01 Medellín. (2) Maestría en Ing. de Telecomunicaciones. Universidad de Antioquia. Calle 67 No. 53 – 108; Medellín.

Abstract- The development of technologies for optical access networks and user demand for more bandwidth has enabled consider increasing rates and improve the current coverage of access networks. Currently there are various ways to achieve this goal, one relates to the use of modulations in the signal processing in both the OLT and the ONU. This process has already begun studying for transport networks with highly complex formats and costly implementation. DPSK (Diferencial Phase Shift Key) modulation has been identified for possible implementation in the context of access. This paper describes how we implement to 10Gpbs and testing with 2 different types of fibers.

Keywords- differential phase shift keying (DPSK), optical

modulation, optical receivers, optical transmitter

I. INTRODUCCIÓN La modulación de las señales ópticas en sistema de

comunicaciones se ha comenzado a utilizar, con el propósito de mejorar la eficiencia espectral del medio de transmisión, lo cual comienza a ser tenido en cuenta en los sistemas ópticos dado el incremento en los consumos de ancho de banda en las redes ópticas, incluso de acceso. Adicionalmente, algunas modulaciones son utilizadas por la tolerancia a efectos lineales y no lineales introducidos por la fibra óptica a altas tasas de transmisión.

En las modulaciones ópticas, al igual que en el dominio

eléctrico, se generan diferentes tipos de constelaciones con variaciones en intensidad, fase, polarización y varias combinaciones de las mismas. [1]

La modulación utilizada comúnmente en los sistemas de

comunicaciones ópticas es la Modulación de Intensidad, la cual es realizada mediante el control de la corriente que alimenta una fuente óptica, por lo cual se conoce como modulación directa. Sin embargo este tipo de modulación a altas tasas de transmisión presenta inconvenientes como chirp, control de temperatura del láser, por ello aparece como alternativa la modulación externa.[2]

La modulación externa consiste en adicionar un elemento

externo a un laser de onda continua, con el propósito de realizar modulaciones tanto en intensidad como en fase, conformando esquemas al igual que en el dominio eléctrico.

El estudio de las modulaciones de fase se ha intensificado buscando tolerancias a efectos lineales y no lineales que se presentan en los sistemas ópticos, específicamente en sistemas WDM. [3- - 6]. Estas modulaciones se realizan comúnmente a través de un modulador Mach Zenhder o un modulador de fase. [2]

La modulación DPSK (Diferencial Phase Shift Key), es una modulación de fase de menor complejidad y posee ventajas adicionales a las ya descubiertas en el dominio eléctrico, como su fácil implementación en el dominio óptico. Por ejemplo en configuración back to back, se ha encontrado un mejor desempeño en el factor Q con respecto a la modulación OOK. [7]

En este artículo se presentan los resultados de implementación del formato de modulación DPSK a 10Gbps, en contextos de redes de acceso. En la sección dos se muestran algunos de las configuraciones en las cuales se ha usado el formato DPSK para redes de acceso, posteriormente en la sección tres se explica cómo se conforma la modulación y cómo se realiza la detección. En la sección cuatro se muestra el esquema experimental utilizado y los resultados obtenidos. Finalmente en la sección cinco se presenta un análisis de los resultados y la extensión de ellos mediante simulación.

II. DPSK EN REDES PON

En redes de acceso se ha propuesto la implementación de esquemas sobre tecnologías PON, dada la necesidad de seguir aumentando cobertura y velocidad sin la utilización de equipos activos intermedios. La modulación DPSK es uno de los formatos más prometedores en este tipo de redes por las tolerancias que presenta a efectos no lineales y la mejora en la sensibilidad del receptor. [8]

Este formato se ha propuesto para redes a 10 Gbps con distancias hasta 20 Km sin compensación de dispersión para ambos canales, forward y reverse en la cual se consiguió una transmisión libre de errores a pesar del proceso de remodulación, es decir, se utilizó la potencia del láser en la OLT para enviar la señal en sentido forward, y en la ONU solo se remoduló esta señal para enviar la señal de retorno, lo

que hace más barato el módulo del usuario al no contener láser para el retorno.[8]

Otra propuesta es la de usar el formato de modulación DPSK en el enlace de forward complementándose con modulación OOK en sentido reverse, lo que disminuiría costos, utilizando remodulación como en el caso anterior, evitando así el uso de un láser y un modulador de fase en el lado del usuario [9 - 11]. En los montajes de DPSK consultados, se encontraron enlaces a 1,25Gbps a una distancia de 30 Km con BER de 10-9. En esta implementación los autores muestran que la alimentación del receptor necesaria para el sistema bidireccional con DPSK / OOK es mucho menor que la requerida por el sistema utilizando la topología de OOK / OOK en OLT. [9]. Cabe anotar que sobre el esquema DPSK/OOK se han logrado transmisiones a 10Gbps para una distancia de 25Km[10].

La utilización de DPSK en PON también se ha realizado en combinación con intensidad de modulación. En este montaje se presenta una arquitectura PON basada en la combinación de flujos de bits ortogonalmente moduladas en la misma portadora óptica para forward. De esta manera se incorporan IM / DPSK a 1,25Gbps a una distancia de 20km [12]. Esta propuesta apunta a la posibilidad de empaquetar servicios como tripleplay en una sola portadora.

III. FORMATO DE MODULACIÓN DPSK

Como su nombre lo indica, la modulación DPSK codifica la señal solo en 2 fases como la BPSK , ver figura 1. La diferencia radica en que la información se codifica mediante el uso de la diferencia de fase entre dos bits vecinos.

Fig. 1. Constelación DPSK

El formato DPSK es tolerante a cambios de polaridad

durante la transmisión y puede utilizar receptores no coherentes, es decir, no se requiere un reloj de sincronización en el receptor, adicionalmente requiere un ancho de línea más estrecho en comparación con el ASK y FSK. En general, se considera que dado que los cambios de fase se dan por cambios entre bits vecinos, la fase debería permanecer estable al menos durante la duración de dos bits. [13]

Para la configuración del formato DPSK en sistemas

ópticos se realiza la diferencia de bits en el dominio eléctrico y luego se usa un modulador externo para realizar un desfase de 180°. El modulador externo puede ser un modulador de fase o un Mach Zehnder (MZM). Matemáticamente la señal trasmitida se representa según la siguiente ecuación [2]:

𝐸! 𝑡 = 𝑃!. 𝑒!(!!!!!!). 𝑒!!!"!!!

! (1)

El término bajo el radical representa la intensidad del láser

y la función exponencial con subtérminos S representa la fase del láser. El último término representa la modificación de la fase introducida por el modulador externo, en función del voltaje Vπ del modulador, es decir, el voltaje de control del dispositivo, con el cual se cambia el índice de refracción.

El MZM básicamente utiliza el principio de interferencia

para conseguir los dos tipos de modulación a través del voltaje de control; se utiliza la configuración push- pull para modulaciones de amplitud y un voltaje de control de Vπ, y para modulaciones de fase la configuración push-push y un voltaje de control de 2 Vπ.

Los métodos de detección de las modulaciones de fase

varían con respecto a los métodos de detección para las modulaciones en intensidad. En el caso de las modulaciones de fase existen 2 tipos de alternativas: detección directa y detección coherente [2]. En la primera, la información en fase se convierte a información de intensidad para realizar la detección; en la segunda, se requiere de un oscilador local con el cual se superpone la señal de información y de esta manera se puede obtener toda la información de la onda óptica, es decir, la intensidad, fase y polarización; lo cual permitiría realizar compensaciones y separaciones de canal en el dominio eléctrico. El uso de detección coherente implica el uso de un oscilador o reloj con el fin de recuperar el reloj de la portadora y encontrar la fase, este tipo de detección es bastante exacta y permite detección para transmisiones de 40 Gbps en adelante. La selección de una u otra depende de la complejidad de la modulación y de la tasa de transmisión.

La detección directa utiliza un interferómetro de línea DLI el cual retrasa un bit la señal y la interfiere consigo misma logrando interferencia constructiva o destructiva. De esta manera se transforman los cambios de fase en cambios de intensidad, este dispositivo tiene dos puertos o brazos de salida, lo que permite utilizar un receptor balanceado, y la expresión que modela la salida por cada puerto o brazo se representa matemáticamente en las ecuaciones 2 y 3.

𝐸!"#! =

!!𝐸!" 𝑡 − 𝑇! − !

!𝐸!"(𝑡)𝑒!!!"# (2)

𝐸!"#! = 𝑗 !

!𝐸!" 𝑡 − 𝑇! + 𝑗 !

!𝐸!"(𝑡)𝑒!!!"# (3)

Este tipo de implementación tiene un costo menor, lo cual

permitiría su posible uso en redes PON.

IV. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

El montaje experimental se mostrará siguiendo el orden de la implementación. La temperatura de la sala de pruebas se mantuvo entre los 17 y 19°C y para evitar corrientes de aire los dispositivos sensibles a temperatura se mantuvieron en una cápsula de espuma.

A. Generación de la señal modulada Como fuente de luz se utilizó un Láser DFB con control

de temperatura, con una longitud de onda de 1541nm; se fijó

la corriente de alimentación en 120mA lo que se traduce en una potencia de 12dBm y un ancho de línea de 150MHz.

Para generar la señal DPSK se utilizó un generador en

modo PBRS con codificación NRZ a 9,99 Gbps luego se utilizó un codificador para generar el diferencial de bits. Posteriormente la señal es amplificada para lograr el Vπ correspondiente del modulador y tener un desfase 180°.

Para las pruebas se utilizó un modulador de fase; sin

embargo, es posible conseguir la misma modulación con un MZM, para el cual se debe tener en cuenta que la señal debe ser amplificada para conseguir 2 Vπ y lograr un configuración push-push del MZM. El modulador de fase presenta pérdidas de inserción de 6.5dB y el Vπ es de 7,2V.

Fig. 2. Esquema de experimento DPSK

B. Transmisión de la señal Las pruebas se hicieron sobre 2 tipos de fibra: la primera

una fibra estándar con una dispersión de 16,66 ps/nm*km y una longitud de 21,23 km; y la segunda con dispersión desplazada, con dispersión de 0,085 ps/nm*km, lambda cero de 1548.3nm y una longitud de 24,75Km , como se muestra en la figura 2. Luego del tramo de fibra y antes de llegar al receptor se utilizó un atenuador variable para evaluar cambios con la disminución de potencia de recepción. En ninguno de los casos se utilizó amplificadores ni se realizó compensación de dispersión.

C. Recepción de la señal En la etapa de recepción, la señal transmitida por la fibra

ingresa a un atenuador variable con el fin de ajustar la potencia de recepción. La variación en potencia se realizó con intervalos de 0,5dBm.

La selección de la detección directa como método de

detección, se debe a la tasa de transmisión y a que se busca una futura aplicación en redes PON. Es importante aclarar que en la recepción se usó un solo lazo del DLI con un detector PIN, dado que representan la misma señal de información, la utilización de un fotodetector balanceado

permitiría duplicar el valor de la potencia de recepción lo cual mejoraría la sensibilidad del receptor.[16]

D. Resultados detección directa de modulación de fase Se consiguió transmitir una señal a velocidades entre 5,5 y

13Gbps dado el Free Spectral Range (FSR) del DLI, sin embargo dado que los parámetros del receptor se diseñaron para 10Gbps se presentan solo estos resultados, pues se considera su mejor operación a esta velocidad.

El ajuste del sistema depende de la temperatura del recinto donde se ubiquen los equipos, dado que tanto el láser usado como el DLI son sensibles a la temperatura y se deben evitar corrientes de aire, por esta razón se encapsularon estos dispositivos y se sintonizó el DLI a la temperatura de operación con una fuente de voltaje externa.

En general se utilizan los dos brazos del DLI conectados a

un fotodetector balanceado, sin embargo en el experimento solo se uso uno. El DLI utilizado ofreció pérdidas de inserción de 8dB lo cual obligó a aumentar la potencia de transmisión y dado que solo se utilizó uno de sus brazos, la sensibilidad del receptor se vio disminuida.

Los datos obtenidos muestran una ligera tendencia del

factor Q a disminuir con respecto a la disminución de potencia de recepción. Las variaciones de potencia son pequeñas (0,5dBm) por lo que no se esperan cambios significativos en el factor Q. Como se muestra en la tabla 1, el comportamiento del sistema a la misma potencia de recepción, dado el análisis de error, con las dos fibras es similar a pesar de que la longitud de las fibras es diferente, sin embargo la forma del ojo varía para cada tipo de fibra.

Tipo de fibra PRx[dBm] Factor Q

con dispersión desplazada

-0,55 3,94 -1,01 4,38 -1,51 4,73 -2,00 4,62 -2,50 4,45

estándar

1,07 6,57 0,01 5,39 -0,50 4,77 -1,00 4,13 -1,50 3,78 -2,01 3,91

Tabla 1. Datos de factor Q vs Potencia de Recepción

Para la fibra estándar la forma del ojo es triangular y en

ciertas zonas se puede distinguir un doble trazo. Esto se debe a los efectos de dispersión como se muestra en la figura 3.

Estos efectos pueden verse como una variación del ancho del pulso, generando deformidades en la forma del ojo y un acortamiento en el ancho del pulso.

Para fibra con dispersión desplazada la forma del ojo no sufre variaciones por la dispersión, entregando un ojo sin

PRBS    NRZ

PM

Att

DLI

trazos dobles, figura 4. Adicionalmente el factor Q para la fibra con dispersión desplazada es en promedio 1,08 veces mayor que para la estándar, a pesar de tener 5 Km más de distancia.

Fig. 3. Diagrama de ojo en el sistema con fibra estándar

Fig. 4. Diagrama de ojo en el sistema con fibra con dispersión desplazada

V. PRUEBAS CON EL SIMULADOR

A partir de la experimentación, surgió el interés de evaluar el comportamiento de la modulación con respecto a la distancia y a la dispersión. Para ello se decidió continuar el análisis con la realización de simulaciones calibrando el software VPI con los resultados obtenidos en la experimentación.

El software VPI de VPhotonics es un software

especializado para análisis de sistemas ópticos. Se empleo la siguiente metodología para calibrar el software, hasta obtener resultados similares a los obtenidos en el montaje experimental: primero se parametrizaron los componentes necesarios para la simulación según las hojas de datos del equipamiento usado en el experimento, se simuló para los valores de potencia tomados en el caso real y se comparó el factor Q; segundo se utilizó el mismo esquema pero modificando los valores de longitud de la fibra.

En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos con el

simulador, los valores obtenidos poseen menos variaciones a los valores capturado en el experimento, sin embargo están dentro del rango de error de los datos obtenidos experimentalmente, por lo tanto se decidió tomar ese modelo para escalarlo a un detector balanceado y para realizar variaciones en la distancia. En la figura 4, se presentan los resultados gráficos desde 10 hasta 80 Km.

Detector PIN

Detector Balanceado

Prx [dBm] Q VER Q BER

Estándar

-0,5 4,7688 8,4893E-07 8,1472 1,8581E-16

-1 4,7687 8,4918E-07 8,1473 1,8575E-16

-1,5 4,7686 8,4963E-07 8,1421 1,9380E-16

-2 4,7684 8,5035E-07 8,1421 1,9380E-16

Con dispersión desplazada

-0,5 4,7438 1,0483E-06 6,0088 9,2532E-10

-1 4,7429 1,0528E-06 6,0087 9,2558E-10

-1,5 4,7419 1,0583E-06 6,0087 9,2591E-10

-2 4,7406 1,0649E-06 6,0086 9,2634E-10

Tabla 2 . Datos de factor Q vs Potencia de Recepción con el simulador

En los resultados se puede observar que el factor Q y BER

tienen una mejoría con un fotodetector balanceado en comparación con la detección de uno de los brazos del DLI, para la fibra estándar llega a ser casi del doble.

Para la segunda etapa de pruebas se utilizó un detector

balanceado con el fin de aprovechar las salidas del DLI.

Fig. 5. Distancia del enlace vs BER

Las pruebas muestran disminución del BER con respecto al aumento de la distancia, sin embargo se puede observar que aun cuando se duplica la distancia se sigue obteniendo un valor de BER deseable para un enlace con fibra estándar y sin etapas de amplificación ni compensación de dispersión.

Para la fibra con dispersión desplazada, se observa que no

hay grandes cambios a pesar del aumento de la distancia. En ambas situaciones este formato de modulación permitiría ampliar la cobertura en sistemas PON.

VI. CONCLUSIONES Se demostró experimentalmente el funcionamiento del

formato de modulación DPSK a 10Gbps sin etapas de

1,00E-20

1,00E-18

1,00E-16

1,00E-14

1,00E-12

1,00E-10

1,00E-08

1,00E-06

1,00E-04

1,00E-02

1,00E+00 0 20 40 60 80 100

BE

R

Distancia [Km] Fibra Estandar Fibra con dispersión desplazada

amplificación, filtrado y compensación de dispersión para 20 y 25Km.

A partir del montaje experimental, se pudo notar la

importancia de lograr un voltaje exacto de polarización del modulador externo, eso permite asegurar un desfase exacto de 180°, especialmente cuando se está trabajando con moduladores de fase. La verificación de la fase se hace más sencilla con la utilización de MZ.

Esta propuesta es sensible a la temperatura tanto en el

receptor como en el trasmisor. A pesar de que el láser DFB usaba control de temperatura, se notó que es muy sensible a corrientes de aire y presentó cambios lentos en la longitud de onda, lo cual repercute directamente en el receptor. El receptor también es sensible a cambios de temperatura, y para este tipo de configuraciones es necesario que se mantenga la misma longitud de onda al realizar la interferencia deseada, por lo que requiere de sintonización.

Los experimentos mostraron los cambios en la forma del

pulso a causa de la dispersión y a pesar de no tener compensación para este efecto, la forma del pulso logra reconocerse con buena calidad lo que implica que la modulación DPSK es tolerante a este efecto.

Los valores de factor Q son un poco bajos debido a que

solo se está detectando un brazo del DLI, la utilización de un detector balanceado mejoría este aspecto, como pudo notarse en las simulaciones.

A partir de los datos experimentales se introdujeron los

parámetros al simulador de tal forma que se obtuviese una respuesta similar a la experimental. Con el simulador ajustado al experimento se amplió el análisis de la modulación en cuanto a distancia y efecto de la dispersión.

La simulación muestra que la modulación de fase DPSK

utilizando detector balanceado permitiría aumentar la cobertura y capacidad en redes de acceso PON, satisfaciendo las tasas de error máximas recomendadas para estas redes, sin necesidad de amplificar o compensar la dispersión.

AGRADECIMIENTOS

Al laboratorio de comunicaciones ópticas (FOTONICOM) de la Universidad Estatal de Campinas y a su equipo. Al programa Enlazamundos y al municipio de Medellín.

REFERENCIAS [1] W. Rosenkranz, S. Aleksic, and T. Tokle, "Novel Transponder

Interfaces: Novel Modulation Formats", in Proc. COST Action 291 Final Report, 2009, pp.7-21.

[2] M.Seimetz ,. High-Order Modulation for Optical Fiber Transmission (2009). Springer. Germany ISBN 978-3-540-93770-8 e-ISBN 978-3-540-93771-5

[3] Li, M., Hong, W., Zhang, X., Li, W., & Huang, D. (2010). Investigation of a high-speed optical FSK scheme for WDM-PON applications with centralized lightwave source. Optics Communications, 283(7), 1251-1260. Elsevier B.V. doi:10.1016/j.optcom.2009.11.048

[4] Yuan, X.-guang, Zhang, J.-nan, Zhang, Y.-an, Zhang, M.-lun, Huang, Y.-qing, & Ren, X.-min. (2009). A novel all-optical label swapping based on RZ-DQPSK/IRZ-ASK combined modulation format. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 16(September),

15-19. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications. doi:10.1016/S1005-8885(08)60365-9

[5] Seimetz, M., & Freund, R. (2008). Next generation optical networks based on higher-order modulation formats, coherent receivers and electronic distortion equalization. e & i Elektrotechnik und Informationstechnik, 125(7-8), 284-289. doi:10.1007/s00502-008-0553-9

[6] Fludger, C. R. S., Duthel, T., van den Borne, D., Schulien, C., Schmidt, E.-D., Wuth, T., Geyer, J., et al. (2008). Coherent Equalization and POLMUX-RZ-DQPSK for Robust 100-GE Transmission. Journal of Lightwave Technology, 26(1), 64-72. doi:10.1109/JLT.2007.912128

[7]Mizuochi, T., Ishida, K., Kobayashi, T., Abe, J., Kinjo, K., Motoshima, K., & Kasahara, K. (2003). A comparative study of dpsk and ook wdm transmission over transoceanic distances and their performance degradations due to nonlinear phase noise. Journal of Lightwave Technology, 21(9), 1933-1943. doi:10.1109/JLT.2003.816849

[8].Yeh, C. H., Chow, C. W., & Chi, S. (2009). Using 10 Gb/s remodulation DPSK signal in self-restored colorless WDM-PON system. Optical Fiber Technology, 15(3), 274-278. Elsevier Inc. doi:10.1016/j.yofte.2008.12.002

[9] Zhu, X., & Kumar, S. (2008). Effects of Rayleigh backscattering in single-source bidirectional fiber-optic systems using different modulation formats for downstream and upstream transmission. Optical Fiber Technology, 14(3), 185-195. doi:10.1016/j.yofte.2007.11.005

[10] Xu, L., & Tsang, H. K. (2010). Nonreciprocal Optical Modulation for Colorless Integrated Optical Transceivers in Passive Optical Networks, 2(3), 131-136.

[11] Zhao, Q., Sun, X., Ku, Y.-ching, Chan, C.-kit, Chen, L.-kuan, & Rx, T. (2006). A novel internetworking scheme for WDM passive optical network based on remodulation technique. 2006 Optical Fiber Communication Conference and the National Fiber Optic Engineers Conference, 3 pp. Ieee. doi:10.1109/OFC.2006.215848

[12] Skarmoutsos, N., Velanas, P., Syvridis, D., & Sphicopoulos, T. (2007). Capacity enhancement of passive optical access networks using orthogonal modulation schemes. Journal of Optical Networking, 6(7), 925. doi:10.1364/JON.6.000925

[13]Agrawal, Govind. Fiber-Optical Communications Systems. Third Edition. WILEY – INTERSCIENCE. A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION. (2002) ISBN 0-471-22114-7. P498

[14] Winzer, P. J., Member, A., & Kim, H. (2003). Degradations in Balanced DPSK Receivers. Technology, 15(9), 1282-1284.