Vergleich und Optimierung von Duobinärmodulation und ... · WDM-Übertragungsexperiment Christoph...

C. Wree, DFG, 07.10.03, 1

Lehrstuhl für Nachrichten- und Übertragungstechnik

Technische Fakultät derChristian-Albrechts-Universität zu Kiel

L N T

Vergleich und Optimierung von Duobinärmodulation und vierstufiger Phasenmodulation im

WDM-Übertragungsexperiment

Christoph Wree, Murat Serbay, Werner Rosenkranz

Lehrstuhl für Nachrichten- und ÜbertragungstechnikChristian-Albrechts-Universität zu Kiel

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Motivation

Ziele in der optischen Weitverkehrsübertragung:

• Steigerung des Datendurchsatzes (engerer Kanalabstand)

• Erhöhung der optisch-transparenten Länge

• Kosteneffizientes System mit hoher Toleranz gegenüber Signalverzerrungen

Bandbreiteneffiziente und interferenzfeste Modulationsformate ermöglichen:

• Höhere spektrale Effizienz

• Steigerung der optisch-transparenten Länge

• Unter Beachtung des Implementierungaufwandes

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Gliederung

• Rückblick auf zwei vielversprechende bandbreiteneffizienten Modulationsverfahren– Duobinärmodulation (DB)– Differentielle vierstufige Phasenmodulation (DQPSK)

• Experimentelle WDM-Umgebung für messtechnischen Vergleich bei hoher spektraler Effizienz hinsichtlich linearer und nichtlinearer Interferenzfestigkeit

• Diskussion der Unterschiede von DB und DQPSK gegenüber unterschiedlichen Interferenzeffekten

• Experimentelle Untersuchung von RZ-DQPSK gegenüber starker optischer Bandbegrenzung (resultierend aus wiederholtem Durchlaufen von optischen Multiplexern und Schaltern in zukünftigen optischen Netzen)

• Zusammenfassung

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Duobinärmodulation (DB)

• Erfordert:– Differentielle zweistufige Vorcodierung– Tiefpaßfilterung des elektrischen Datenstroms

(Grenzfrequenz: Viertel der Datenrate)

• Nutzen:– Annähernde Halbierung des Datenspektrums– Kosteneffektive Implementierung

MZM

DATAelektrischer Tiefpaßmit Grenzfrequenz fb/4

Sender: Empfänger:

herkömmlicher Photoreceiver

Im

0 1-1 Re

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CW laser

2 x PRBSat 40Gb/s

40GHzclock

NRZ-DPSK RZ-DPSKMZM MZM PM

differential4-PSK

precoder

RZ-DQPSK

dR

dI

bR

bI

{1,-1} {1,j,-1,-j}

delaycompensation

Serielle differentielle vierstufiger Phasenmodulation

ℜ{sBP

(t)}ℑ

{sB

P(t

)}

dR=0, dI=0

dR=0, dI=1

dR=1, dI=0

dR=1, dI=1

imag

{ sB

P(t)}

real{sBP(t)}

Signal in komplexer Zahlenebene

j

-j

-1

1

binär (M=2)

vierstufig(M=4)

• Erfordert:– Differentielle vierstufige Vorcodierung– Zusätzlichen Phasenmodulator– Optisches Mach-Zehnder-Interferometer

vor Photodiode zur Demodulation

• Nutzen:– Vierstufenverfahren mit hoher spektraler Effizienz– RZ Pulsform verbessert Dispersionstoleranz

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Experimenteller Senderaufbau für 20Gb/s RZ-DQPSK

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Differentielle vierstufige Phasenmodulation (Empfänger)

• Autokorrelierender DQPSK Empfänger erlaubt die Detektion ohne Lokaloszillator keine Synchronisation notwendig

• DQPSK Empfänger realisiert durch Mach-Zehnder Interferometer gefolgt von Standard-Photodiode oder biploarem Empfänger (balanced receiver: zwei Photodioden mit Differenzverstärker)

TS+π/4

−π/4

sBP(t)^

balancedreceiver

balancedreceiver

bR^

bI^

Standardentscheider

Empfangs-signal

Standardentscheider

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Experimenteller Empfängeraufbau für 20Gb/s RZ-DQPSK

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Gliederung





• Zusammenfassung

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L N TMessaufbau: 3x10GSymbol/s über 100km bei 25GHz für RZ-DQPSK, DB und NRZ-ASK

Danksagung an die Firma Nettest zur Bereitstellung des Filters zur Kanaltrennung

100km SSMFB3dB=0,2nm

MOD2

MOD1RX / BER

Booster

Coupler

Coupler

100%DCFf2

f3f1

f2

f1

f2

f3

Pch

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L N TSimulationen: 8x40Gb/s über 4x100km bei 0,8b/s/Hz

6,3dBm3,3dBmEingangslstg./Kanal bei EOP=2dB

FWM ~ P2ch / ∆f4XPM ~ Pch / ∆f2WDM-Übertrg. begrenzt durch

RZ-DQPSKDB

0 1 2 3 4 5 6 7 80

1

2

3

4

5WDM 50GHz, dispers ionsoptimiert

mittl. Eingangs leis tung pro Kanal [dBm]

eye

open

ing

pena

lty [d

B]

RZ-DQP S K

DB

3dB

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Gemessene WDM Spektren bei 25GHz Abstand

• WDM-Übertragung mit 0.8b/s/Hz für nx10Gb/s Duobinär erfordert Demux-Filter mit ca. 12,5GHz Bandbreite (bisher kommerziell nicht erhältlich)

• Mit bestehenden optischen Filtern ist hohe spektrale Effizienz mit RZ-DQPSK durch Verdopplung der Datenrate einfacher zu erzielen

-60 -40 -20 0 20 40 60-50

-40

-30

-20

-10

0

10

f [GHz]

pow

er s

pect

rum

[dB

]

-60 -40 -20 0 20 40 60-50

-40

-30

-20

-10

0

10

f [GHz]po

wer

sp

ectru

m [d

B]

-60 -40 -20 0 20 40 60-50

-40

-30

-20

-10

0

10

f [GHz]

pow

er s

pec

trum

[dB

]

3x10Gb/s NRZ-ASK 3x10Gb/s Duobinär 3x20Gb/s RZ-DQPSK

0.4b/s/Hz 0.8b/s/Hz

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Gliederung





• Zusammenfassung

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RZ-DQPSK bei 0.8b/s/Hz mit 6dBm pro Kanal

• 3dB receiver penalty für WDM-Übertragung über 100km bei 6dBmEingangsleistung pro Kanal (Übereinstimmung mit Simulation)

-38 -36 -34 -32 -30 -28

1e-4

1e-5

1e-6

1e-7

1e-8

1e-9

1e-10

1e-11

rece ived powe r [dBm]

BE

Rb2b, s ingle ch.b2b, WDM100km, s ingle ch.100km, WDM

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Duobinär bei 0.4b/s/Hz mit 10dBm pro Kanal

• 3dB receiver penalty für 0,4b/s/Hz WDM-Übertragung über 100km bei Pch =10dBm• Bei Extrapolation auf 0,8b/s/Hz: Penalty ~ Pch / ∆f2

∆f halbieren Pch vierteln (-6dB) Pch =10dBm – 6dB = 4dBm (Übereinstimmung mit Simulation)

-36 -34 -32 -30 -28

1e-4

1e-5

1e-6

1e-7

1e-8

1e-9

1e-10

1e-11


BE

R

b2b, s ingle ch.b2b, WDM100km, s ingle ch.100km, WDM

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NRZ-ASK bei 0.4b/s/Hz mit 10dBm pro Kanal

• 3dB receiver penalty für 0.4b/s/Hz WDM-Übertragung über 100km bei 10dBmEingangsleistung pro Kanal

-38 -36 -34 -32 -30

1e-4

1e-5

1e-6

1e-7

1e-8

1e-9

1e-10

1e-11


BE

R

b2b, s ingle ch.b2b, WDM100km, b2b100km, WDM

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Augendiagramme in Simulation und Messung

nach WDM-Übertragung bei 25GHz Kanalabstand über 100km SSMF

0 50 100 150 200-6

-4

-2

0

2

4

6

8x 10

-5

t [ps]

ma x=0.0548 mWrec=0.05 mW

0 50 100 150 2000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5x 10

-4

t [ps]

max=0.128 mWrec=0.116 mW

0 50 100 150 200-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

x 10-4

t [ps]

ma x=0.169 mWrec=0.151 mW

10Gb/s NRZ-ASK 10Gb/s Duobinär 20Gb/s RZ-DQPSK, Real

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Getrennter Einfluss der begrenzenden Effekte

-32dBm-31dBm-34,5dBmEmpfängerempfindlichk.(b2b 1-kanalig bei 10-9)

1,0dB1,5dB1,0dBSPM

1,8dB2,5dB2,8dBSPM+XPM+FWM

3,0dB

0,2dB

NRZ-ASK3x10Gb/s

1,0dB0,5dBlineares Übersprechen

2,8dB3,0dBlin.+nichlin. Effekte

RZ-DQPSK3x20Gb/s

DB3x10Gb/s

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Wesentliche Ergebnisse der WDM-Messungen

• RZ-DQPSK höhere Empfängerempfindlichkeit als DB trotz doppelter Datenrate(kann durch schmales optisches ASE-Rauschbegrenzungsfilter um weitere 3dB verbessert werden)

• Stärkerer Einfluss des linearen Übersprechen bei RZ-DQPSK als bei DB und NRZ-ASK (durch doppelte Datenrate und RZ statt NRZ-Pulsform)

• Starker Einfluss von SPM bei DB

• RZ-DQPSK tolerant gegenüber nichtlinearen Fasereffekten

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Gliederung





• Zusammenfassung

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Messaufbau zur optischer Filterung von RZ-DQPSK

• Optisches Filter mit variierender Bandbreite vor dem Empfänger

P

ATT 250GHz

MZDI

EDFABERTCDR

MZM PMMZM

RZ-Puls-shaping

20Gb/sRZ-DQPSK

10GHz

T±π/4

+-

PRBS1 PRBS2

9, 22, 59GHz

10Gb/sRZ-DPSK

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Filterverläufe und RZ-DQPSK Spektrum

-60 -40 -20 0 20 40 60-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

freque ncy [GHz]

tran

sfer

func

tion

/ pow

er s

pect

rum

[dB

] Bw=59GHzBw=22GHzBw=9GHzs ig. spec.

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RZ-DQPSK robust gegenüber starker Bandbegrenzung

• Nur 3,5dB rec. penalty für 20Gb/s RZ-DQPSK gefiltert mit 9GHz Bandbreite

-34 -32 -30 -28 -26

-4

-5

-6

-7

-8

-9-10-11

rece ived s ignal powe r [dBm]

log1

0(B

ER

)

9GHz

59GHz

22GHz

3,5dB

Augendiagramme

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Zusammenfassung

• Experimenteller Vergleich von RZ-DQPSK und Duobinär zeigt:

– RZ-DQPSK besitzt höhere Toleranz gegenüber Rauschen verglichen mit DB

– Hohe Toleranz von RZ-DQPSK gegenüber nichtlinearen Effekten erlaubt 3dB höhere Leistung pro Kanal im Vergleich zu DB

– Hohe spektrale Effizienz mit bestehenden optischen Filtern leichter mit RZ-DQPSK als mit DB zu erzielen (Verdopplung der Datenrate)

• RZ-DQPSK sehr robust gegenüber starker optischer Filterung (vorteilhaft in zukünftigen optischen Netzen mit vielen optischen Filtern und Schaltern)

• Vorteile von RZ-DQPSK sind nur mit gleichzeitig höherem Realisierungsaufwand im Vergleich mit DB zu erzielen:– Komplizierter Vorcodierer– Zusätzliche Phasenmodulator– Optisches Mach-Zehnder Demodulator mit 2 bipolaren Empfängern

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