D ETECCIÓN D IRECTA DQPSK

La recepción de las señales DQPSK también puede realizarse mediante detección directa (DD), o detección diferencial interferométrica (DI). El diseño se basa en extrapolar la idea del receptor anterior a señales de fase multinivel, de manera que ahora tendremos que emplear dos interferómetros Mach-Zehnder para cada componente en cuadratura. Los MZI desempeñarán la misma función que en DPSK: retardar la señal óptica un periodo de símbolo para después mezclar la señal recibida con la retarda en los acopladores de salida y la estructura de fotodiodos balanceada.

El receptor de detección directa DQPSK es el más popular en comunicaciones ópticas de 100Gb/s para distancias de corto y medio alcance (inferiores a 1000 km) [Winzer, P.J. y Gnauck, A.H., 2004]. Su gran popularidad se debe principalmente a sus buenas prestaciones y a la sencillez de su diseño. En los capítulos siguientes estudiaremos en profundidad los sistemas 100G-DQPSK+DD en comparación con otros formatos y tipos de detección.

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La figura 3.15 muestra la arquitectura de un receptor de detección directa para señales DQPSK. El campo eléctrico recibido (𝐸𝑟) es dividido a través del primer acoplador (de 180º y 3 dB) en

dos caminos diferentes (±𝐸𝑟/√2), cada uno de los cuales es dirigido hacia un MZI asimétrico

independiente con el objetivo de tratar de las componentes I&Q de la constelación DQPSK por separado. La diferencia de fases entre ambos Mach-Zehnder es de π/2 radianes. Haciendo el mismo análisis que en el apartado anterior, la diferencia de longitudes físicas entre las ramas de cada interferómetro debe ser:

Δ𝜙 = 𝜔𝑐𝑇𝑠í𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 Δ𝜙 = 𝑘0𝑛𝑒𝑓𝑓∆𝐿 } ⇒ ∆𝐿⌋𝑀𝑍𝐼 = 𝜔𝑐𝑇𝑠 𝑘0𝑛𝑒𝑓𝑓= 2𝜋𝑓𝑐 2𝜋 𝑐 𝑓𝑐 ∙2𝑇_𝑛 𝑏𝑖𝑡 𝑒𝑓𝑓 = 2𝑐 𝑛𝑒𝑓𝑓𝑣𝑏𝑖𝑡 [3.27]

Para 100 Gb/s y un índice de refracción típico de 1.47, la diferencia de longitudes entre los brazos de cada Mach-Zehnder será el doble que en el caso DPSK+DD, 4.08 mm. Al trabajar con modulaciones multinivel se debe inducir un retardo óptico de un periodo de símbolo, que en el caso DQPSK coincide con dos periodos de bit.

Siendo la señal recibida 𝐸𝑟(𝑡) = 𝐴𝑒𝑗𝜙𝑠(𝑡)+ 𝑛(𝑡) y asumiendo los tres acopladores de 180º y 3dB ideales, sin pérdidas de exceso en los interferómetros y fotodiodos de idéntica responsividad; las corrientes obtenidas a la salida de la figura 3.15 serán:

𝑖𝐼(𝑡) = 𝐴2 2 𝑐𝑜𝑠[𝜙𝑠(𝑡) − 𝜙𝑠(𝑡 − 𝑇𝑠) + 𝜋 4⁄ ] + 𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑖𝑄(𝑡) =𝐴 2 2 𝑐𝑜𝑠[𝜙𝑠(𝑡) − 𝜙𝑠(𝑡 − 𝑇𝑠) − 𝜋 4⁄ ] + 𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜 [3.28] Despreciando una vez más los términos de ruido, para cada posible transición de fase en la señal DQPSK las fotocorrientes anteriores tomarán los siguientes valores:

𝚫𝝓𝒔 (𝐝𝐞𝐠) 𝒊𝑰(𝒕) 𝒊𝑸(𝒕) 0º + 𝐴 2 2√2 + 𝐴2 2√2 90º − 𝐴 2 2√2 + 𝐴2 2√2 180º − 𝐴 2 2√2 − 𝐴2 2√2 -90º + 𝐴2 2√2 − 𝐴2 2√2

Tabla 3.5: Transiciones de fase en DQPSK y valores inducidos en las fotocorrientes I&Q. Estos valores deberán ser muestreados en el decodificador DQPSK (figura 3.8) a mitad del intervalo de símbolo para minimizar la probabilidad de error. Bajo estas condiciones, la probabilidad de error obtenida con detección directa considerando únicamente limitación por ruido de amplificación será:

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Para una probabilidad de error de 10-12_{, la modulación DQPSK+DD requiere aproximadamente}

una SNR de unos 18,5 dB. Esto supone 1,5 dB más de SNR que en el receptor asíncrono y 2 dB más que en el receptor síncrono. Al igual que en DPSK, dicha sensibilidad variará en función del ciclo de trabajo de la portadora óptica (véase el capítulo 5).

En caso de trabajar con señales multinivel de fase diferencial M-DPSK (M ≥ 8), cabe la posibilidad de poder emplear también detección diferencial interferométrica para su demodulación. El esquema sería el mismo que el de la figura 3.15, aunque habría que reajustar el diseño de los dos MZI empleados para conseguir un retardo acorde con el periodo de símbolo que se maneje en cada caso (𝑇𝑠= log2𝑀 ∙ 𝑇𝑏𝑖𝑡). Una vez detectada la fase diferencial de la señal óptica Δ𝜙𝑛= 𝜙𝑛(𝑡) − 𝜙𝑛(𝑡 − 𝑇𝑠)la probabilidad de error vista sería:

𝐵𝐸𝑅 ≈ 2 log2𝑀𝑒𝑟𝑓𝑐 [√ 𝑠𝑛𝑟 2 𝑠𝑒𝑛 ( 𝜋 𝑀)] [3.30] Podemos encontrar diversos trabajos para velocidades superiores a 40 Gb/s donde se ha propuesto el empleo de 8-DPSK+DD [Ohm, M., 2004], pero tanto las modulaciones DQPSK+DD a 100 Gb/s como las modulaciones M-QAM con detección coherente para velocidades superiores, han desbancado su uso al conseguir mayores distancias de propagación.

7.

RECEPTORES DE DIVERSIDAD DE POLARIZACIÓN

Los esquemas de recepción coherente vistos hasta ahora requieren de un bloque APC que controle la polarización de la señal recibida y alinee la polarización del láser LO con la misma. Un receptor de diversidad de polarización es un tipo de receptor óptico coherente, homodino o heterodino, que prescinde del control automático de polarización sobre la señal recibida (ausencia del bloque APC).

La consecuencia inmediata de no alinear la polarización de la señal recibida con el oscilador láser local es la aparición en banda base de una fase aleatoria sobre la señal obtenida de la mezcla de ambas. Para recuperar la información con garantías, los receptores de diversidad de polarización recurren a una arquitectura en cuadratura (con ausencia del dispositivo APC) junto con técnicas de combinación eléctrica de las componentes I&Q fotogeneradas. Entre las páginas 100-105 de la referencia “Keang-Po Ho, 2005” se analizan detalladamente este tipo de receptores y las técnicas de combinación de señal empleadas en ellos.

El rendimiento de un receptor de diversidad en polarización depende de la técnica de combinación usada. Recurriendo a la combinación de “ratio máximo” veremos un rendimiento muy parecido al de un receptor asíncrono, mientras que con la combinación “cuadrada” el rendimiento se equiparará más a la detección diferencial interferométrica de DQPSK.

Los receptores de diversidad de polarización han sido considerados para los sistemas de 100 Gb/s que hacen uso del formato DQPSK. Pero a pesar de todo, se han visto desplazados a raíz de la popularidad conseguida por los receptores de detección diferencial interferométrica del apartado anterior.

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8.

RESUMEN Y COMPARACIÓN DE RECEPTORES ÓPTICOS

Durante todo el capítulo se han presentado y estudiado en profundidad los diferentes receptores enfocados a las comunicaciones ópticas de banda ancha. Comenzamos estudiando los sistemas clásicos IMDD y asentamos los conceptos teóricos de la detección coherente, mostrando cuáles eran sus estructuras básicas: el single-branch, el receptor balanceado y el receptor en cuadratura. La gran ventaja de estas dos últimas estructuras sobre el single-branch radicaba en una mayor inmunidad frente al ruido RIN del láser LO.

Tras esta primera parte, meramente introductoria, el capítulo se centró en la recepción coherente contemplando todas las posibilidades de diseño que nos ofrecían este tipo de receptores: los receptores síncronos (basados en la recuperación de la portadora óptica), los asíncronos (sin recuperación de la portadora) y el receptor con diversidad de polarización (ausencia del control de polarización sobre la señal recibida).

Finalmente, se ha estudiado cómo la detección directa también es posible aplicarla sobre las señales DPSK y DQPSK, trasladando las operaciones de retardo y mezclado eléctrico del receptor coherente asíncrono al dominio óptico mediante un interferómetro Mach-Zehnder. El gran rendimiento obtenido con la detección interferométrica para DQPSK a 100 Gb/s, ha hecho que los sistemas DQPSK+DD hayan adquirido gran popularidad para su comercialización. En términos puros de sensibilidad, los receptores coherentes síncronos homodinos son la mejor opción. Los asíncronos tienen una sensibilidad un poquito inferior, con una penalización en la SNR que oscila en torno a 0,4 y 0,5 dB para las constelaciones menos densas. La detección directa es la que peor sensibilidad ofrece con una diferencia entre 1 y 2 dB respecto del caso síncrono, dependiendo del formato de modulación.

Debido al peso que tienen las señales de fase en cuadratura en nuestro proyecto, cerraremos el capítulo comparando las sensibilidades de los diferentes receptores para (D)QPSK (con pulsos NRZ en la portadora óptica).

Tipo de Receptor SNRreq (dB)

(BERref=10-12) Comentarios

Receptor coherente síncrono

(homodino y heterodino) 16.6 QSPK y DQPSK Figura 3.7

Receptor coherente asíncrono basado en detección diferencial (heterodino)

17.0 Solo DQPSK Figura 3.11 (𝜔𝐿𝑂≠ 𝜔𝑟) Receptor coherente asíncrono

con diversidad de fase (homodino)

17.0 Solo DQPSK Figura 3.11 (𝜔𝐿𝑂= 𝜔𝑟) Receptor coherente con

diversidad de polarización (combinación ratio máximo)

17.2 QSPK y DQPSK

[Keang-Po Ho, 2005]

Detección directa (MZI) 18.5 Solo DQPSK

Figura 3.15

Tabla 3.6: Sensibilidades obtenidas para NRZ-(D)QPSK con los diferentes tipos de receptores vistos en el capítulo (BERref = 10-12).

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