1

2. Technology Basics

Ph

oto

nic

s fo

r O

pti

cal

Co

mm

un

icat

ion

Net

wo

rks

2

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 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)

Tech

no

logy

Bas

ics

3

Απώλεια κατά τη μετάδοση στην οπτική ίνα Te

chn

olo

gy B

asic

s

its power

Καθώς το φως διαδίδεται μέσα στην ίνα, η ισχύς του μειώνεται

εκθετικά με την απόσταση

P(0) P(z)

P(z) = P(0) e

-Αz

απόσταση, z

Power

0

P(0)

παράγοντας

εξασθένησης

Τυπικές απώλειες οπτικής ίνας SMF ~ 2.5 dB/km

4

Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα

Απορρόφηση: εξαρτάται από το υλικό και την καθαρότητά του

Σκέδαση: λόγω ανομοιογένειας υλικού

Ακτινοβολία: λόγω ασυνεχειών, π.χ. καμπύλωση ίνας, ή κατασκευαστικών ατελειών

● ενδογενής απορρόφηση από άτομα υλικού της ίνας

● εξωγενής απορρόφηση από άτομα ανεπιθύμητων προσμίξεων

● απορρόφηση από ατέλειες ατόμων γυαλιού

● σκέδαση Rayleigh

● καμπυλότητα αυξάνει το ποσοστό του

διαφυγέντος πεδίου

5

• Απορρόφηση

• Σκέδαση

• Ακτινοβολία

Παράγοντες εξασθένησης στην ίνα

6

Παράγοντες Υποβάθμισης Σήματος

Γραμμικά φαινόμενα διάδοσης

Είδη διασποράς:

●Διασπορά Υλικού-Χρωματική Διασπορά

●Διασπορά Κυματοδηγού

● Διασπορά Τρόπων Διάδοσης

● Διασπορά Τρόπων Πόλωσης

Φαινόμενο κατά το οποίο αλλοιώνεται η χρονική μορφή του

παλμού του σήματος.

Ονομάζεται διασπορά γιατί συνήθως ο παλμός διευρύνεται

χρονικά (“διασπείρεται”).

Διασπορά:

7

Διασπορά Υλικού-Χρωματική Διασπορά

δείκτης διάθλασης ίνας εξαρτάται από συχνότητα,

n = n(ω)

...άρα κάθε φασματική συνιστώσα ταξιδεύει με

διαφορετική ταχύτητα

ανώμαλη διασπορά

ομαλή διασπορά

+

-

οπτική ίνα

Δt

Δt

χρόνος

ταχύτητα διάδοσης συνιστώσας ω: υφ=ω/β(ω)=c/n(ω)

8

Υποβάθμιση Σήματος λόγω διασποράς (1/2)

περιορίζεται η μέγιστη τιμή απόστασης και ταχύτητας μετάδοσης

ευρύτερο φάσμα μεγαλύτερη χρονική διεύρυνση

μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης περισσότερο ευαίσθητο

1 0 1 διασυμβολική παρεμβολή και

αδυναμία διάκρισης συμβόλων

χρονική διεύρυνση παλμού

2,5 Gbit/s

10 Gbit/s 10 Gbit/s

2,5 Gbit/s

οπτική ίνα

9

Υποβάθμιση Σήματος λόγω διασποράς (2/2)

χρονική διεύρυνση παλμού λόγω διασποράς προκαλεί «κλείσιμο» του διαγράμματος ματιού

συνολική διασπορά

Dacc(ps/nm)=D•L

10

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:

11

αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM)

ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM)

μίξη τεσσάρων φωτονίων (FWM)

μη γραμμικότητες Kerr

μη γραμμικότητες σκέδασης

σκέδαση Raman

σκέδαση Brillouin

Μη Γραμμικά φαινόμενα διάδοσης

12

Self Phase Modulation (SPM)

Self Phase Modulation (SPM) Nonlinear optical effect, associated with the Kerr effect

Cause 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

Tech

no

logy

Bas

ics

13

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.

Advantages Wavelength conversion of WDM channels

Demultiplexing of OTDM channels

Nonlinear Pulse Compression

Ultra fast optical switching

Disadvantages

Interchannel crosstalk in WDM systems

Tech

no

logy

Bas

ics

14

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 Solutions

Disadvantages

Interchannel crosstalk in WDM systems

Degradation of system performance

Use of uneven channel spacing in WDM systems or fiber that increases dispersion

Tech

no

logy

Bas

ics

15

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 lower-wavelength 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 Lower total channel powers and channel spacing

Tech

no

logy

Bas

ics

16

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: Increase the bandwidth of the light beyond the Brillouin gain bandwidth (>100MHz)

Reduce the fiber length

Input power does not exceed the threshold level

Tech

no

logy

Bas

ics

17

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

Tech

no

logy

Bas

ics

18

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

Tech

no

logy

Bas

ics

19

Optical Filters

Optical Filters

Non-Periodic Periodic

Filter Characteristics •Bandwidth •Spectrum shape • Crosstalk • Suppression (Extinction Ratio)

Additional for periodic filters • FSR (Free spectral Range) • FWHM (Full Width at Half Maximum)

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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pas

sive

Co

mp

on

en

ts

20

Integrated Optical Filters (1/2)

1st order

3d order

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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pas

sive

Co

mp

on

en

ts

21

Integrated Optical Filters (2/2)

out1

out2

in1

in2

L+DL

L

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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pas

sive

Co

mp

on

en

ts

FSR= 1/Δτ

FSR

FWHM= 1/ 2*Δτ

FWHM

22

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) Te

chn

olo

gy B

asic

s: A

ctiv

e C

om

po

ne

nts

23

Βασικές Αρχές Οπτικών Πηγών

Wavelength (nm)

Po

wer

(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. 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)

24

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)

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.

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.

25

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

26

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

EDFA SOA

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

27

Wide bandwidth (40nm) High amplification (30-40dB) High output power (>20dBm) Low noise - 4dB (noise factor)

Optical Amplifiers (2/3)

Variable wavelength amplification Wide operational bandwidth Extend EDFAs beyond C band Low noise Flat response is possible

Can be integrated Small form factor & low cost Integration with Laser Diodes

Gain flattening is an issue

Rather increased size

Can NOT be integrated

Pump Laser @ 980 or 1450 nm

EDFA

R

AM

AN

SO

A

Nonlinear behavior signal distortion

High Noise figure

Polarization sensitive

Changes in Gain changes in Phase

Electrical current population inversion

C band SOA

or

High pump power is required

Multiple pumps for broader bandwidth

Sophisticated gain control

No dope is required Application along SMF transmission

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

Source: Institute of Optical Sciences (University of Toronto)

28

Optical Amplifiers (3/3)

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

– 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

In a glimpse…

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

Source: Institute of Optical Sciences (University of Toronto)

29

Optical Modulation (1/2)

Optical Modulation

External

Electro-Optic

Modulators

Electro-absorption

Modulators

Direct

-DML

-VCSELs

• An optical modulator is responsible to imprint the electrical data on the optical domain.

Direct Modulation

Modulation of the Laser’s electrical current. + Low complexity + Low cost + Low driving requirements

- 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 Mainly used in Access networks (DML,VCSELs) & in datacom (VCSELs) due to cost constrains

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

30

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

Generic External Modulation scheme

Mainly used in Long Haul networks where the cost/bit is much lower

- Higher cost - Rather high integration form factor - Higher driving voltage requirements (RF amplifiers are needed_ - More complex electrical circuitry

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

31

Εξωτερικοί Διαμορφωτές Te

chn

olo

gy B

asic

s: A

ctiv

e C

om

po

ne

nts

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

Απορρόφηση του οπτικού πεδίου από ένα υλικό συναρτήσει της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής τάσης. Εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση.

32

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:

33

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).

Ανάλογα με το επίπεδο DC, επιλέγεται μία

συγκεκριμένη περιοχή λειτουργίας.

34

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.

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.

35

Optical Transmitters (Tx)

Generic Block Diagram of a Transmitter

• 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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

36

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.

• Practically : what is the maximum bit-rate of the signals that we can detect?

Telecom &datacom window

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

37

Optical Detectors (2/2)

Generic Operating Principle

The detector is electrically reverse-biased. (In contrary, LEDs and Lasers are forward-biased to emit light).

• 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.

Tech

no

logy

Bas

ics:

Act

ive

Co

mp

on

en

ts

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.

38

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)

Tech

no

logy

Bas

ics

39

On-Off keying (OOK) modulation (1/2)

Amplitude

modulator

Optical NRZ-OOK signal

Digital data signal

Laser diode

CW

Non-return-to-zero OOK (NRZ-OOK)

Basic setup for the generation of NRZ-OOK signals using external modulators

Tech

no

logy

Bas

ics:

Op

tica

l Mo

du

lati

on

40

Optical RZ signal

Digital data signal

Modulator

Optical clock

b)

Optical RZ signal Modulator

(Pulse carver)

Optical NRZ signal

a) Signal generator

ΤΒ: Bit duration

duty cycle (dc) = FWHM / TB

On-Off keying (OOK) modulation (2/2)

Return-to-zero OOK (RZ-OOK)

FWHM

Basic setups for the generation of NRZ-OOK signals using external modulators

Tech

no

logy

Bas

ics:

Op

tica

l Mo

du

lati

on

41

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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Op

tica

l Mo

du

lati

on

42

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.

Eξ΄αιτίας αυτής της σταθερότητας η διαμόρφωση PSK έχει μεγαλύτερη ανοχή στα μη

γραμμικά φαινόμενα διάδοσης.

43

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

44

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

Phase shift keying (PSK) Modulation (3/3)

Πριν τη διάδοση Μετά τη διάδοση

Τα σημεία έχουν περιστραφεί και

διασπαρεί στο μιγαδικό επίπεδο

Η περιστροφή δηλώνει τη

συσσώρευση φάσης λόγω

διάδοσης

Η διασπορά στην ακτινική

συνιστώσα δηλώνει το θόρυβο

πλάτους και στην εφαπτομενική

το θόρυβο φάσης

45

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)

16-QAM 4 bits/symbol (16 constellation points)

Stat

e-o

f-th

e-a

rt: T

ele

com

46

Higher Order Modulation Formats (2/2)

Tradeoff Increase of Spectral Efficiency and Channel Capacity

vs Transmission Reach

Stat

e-o

f-th

e-a

rt: T

ele

com

47

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

Stat

e-o

f-th

e-a

rt: T

ele

com

48

Wavelength division multiplexing (WDM) (1/3)

Total transmission capacity >90 Tb/s in a single-core fiber using advanced modulation formats

Multiple channels at different wavelengths

MUX DEMUX

Tech

no

logy

Bas

ics:

Mu

ltip

lexi

ng

49

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

Wavelength division multiplexing (WDM) (2/3) Te

chn

olo

gy B

asic

s: M

ult

iple

xin

g

50

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.

Next generation DWDM systems

More than 200 channels in the C and L band of optical communication

Channel spacing at 50 to 25 GHz

Wavelength division multiplexing (WDM) (3/3) Te

chn

olo

gy B

asic

s: M

ult

iple

xin

g

51

Optical transmission system – Power budget

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.

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

52

LA LA LA

G G G G G

NA

LA

Pin Pin

PASE

Optical transmission system – Power budget & OSNR

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 Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

53

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

Inspection of eye-diagrams and eye-diagram-based measurements

Bit-error rate (BER) measurements

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

54

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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

55

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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

56

Eye-diagram-based measurements

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

Mean value μ1

Mean value μ0

Standard deviation σ1

Standard deviation σ0

Extinction Ratio

10

01

-QQ-factor

1

0

10 logEX

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

57

BER measurements (1/3)

Responsible for these errors are the tails in the statistical distributions at the level of 0 and 1.

Bit errors are the result of incorrect decisions of the receiver regarding the value of the received symbol (whether it is 0 or 1)

μ1

μ0

Threshold

Ρ(1|0)

Ρ(0|1)

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

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

58

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

59

BER measurements (3/3)

PPG

Clock

BER

tester

PPG

Clock

BER

tester DUT

Βack-to-Βack measurements

Device, subsystem or system characterization

Attenuator

attenuator

BER as a function of signal power connecting directly the transmitter with the receiver

btb

Device Under Test (DUT)

BtB

DUT

BER curves

60

Constellation diagram (1/2)

(00)

(11) (01)

(10)

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

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.

For phase modulated signals or QAM signals the eye-diagram do not reveal the

phase information.

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs

61

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 log10 ·(Perror/Preference)

Tech

no

logy

Bas

ics:

Pe

rfo

rman

ce M

etri

cs