Impacto de imperfeições do front-end óptico no desempenho de sistemas dp-qpsk

Abstract

Para lidar com o aumento no tráfego de dados e com a incessante demanda por maisaltas taxas de transmissão, diversas arquiteturas de transceptores ópticos e técnicas deprocessamento de sinais, que possibilitem uma maior eficiência espectral, vêm recebendogrande atenção por parte dos pesquisadores ligados `as comunicações ópticas. Asarquiteturas mais promissoras para o alcance de taxas de transmissão líquidas de 100Gbit/s por canal combinam a detecção coerente com a multiplexação de polarização ecom formatos mais avançados de modulação, como o QPSK com codificação diferencial.A detecção coerente possibilita a compensação, no receptor, de efeitos lineares comoa dispersão cromática e a dispersão dos modos de polarização, além de favorecer amultiplexação de polarização. No entanto, a detecção coerente e os formatos avançadosde modulação introduzem a necessidade de se lidar com a recuperação de fase e compossíveis imperfeições nos componentes ópticos do transmissor e do receptor, o quepode ser feito por meio de técnicas de processamento digital de sinais.Nesse trabalho, foi estudado o impacto causado por imperfeições em componentesdo front-end óptico do receptor, as quais levam ao desbalanceamento de quadratura(quadrature imbalance - QI) e `a adição de componentes de ruído. Também, foramestudadas t´ecnicas utilizadas para a compensação do QI. Por meio de simulações emMATLAB R, foram comparados os desempenhos de quatro esquemas de compensaçãodo QI: o método de Gram-Schmidt e o método de ajuste por elipses, aplicados, cadaqual, antes e depois da demultiplexação de polarização. Foi analisado, ainda, o desempenho conjunto entre essas técnicas de compensação do QI e dois algoritmos utilizadosna demultiplexação de polarização: o algoritmo do módulo constante e o algoritmo damédia quadrática mínima.´É mostrado que, em uma pequena escala de imperfeições no front-end, os quatro esquemascompensam eficientemente o QI inserido. No entanto, quando o QI aumenta,a utilização do método de Gram-Schmidt antes da demultiplexação de polarização,considerando as condições propostas, exibe a menor penalidade para o sistema. Ademais,o desempenho dos algoritmos de demultiplexação de polarização investigados emconjunto com as técnicas de compensação do QI foi bastante similar. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

In order to deal with the increasing data traffic and the incessant demand for higher transmission rates, several optical transceiver architectures and signal processing techniques, enabling a higher spectral efficiency, have been receiving considerable attention from researchers connected to optical communications. Most promising architectures targeting net data rates of 100 Gbit/s per channel combine coherent detection and polarization multiplexing with advanced modulation techniques, such as differential encoding QPSK. The coherent detection provides compensation of linear effects, such as chromatic dispersion and polarization mode dispersion, in addition to favoring polarization multiplexing. However, coherent detection and advanced modulation techniques introduce the need to deal with phase recovery and possible imperfections in the transmitter and receiver optical components, which can be accomplished by digital signal processing techniques. This thesis investigates the impact caused by imperfections in components of the receiver optical front-end, leading to quadrature imbalance (QI) and adding noise terms. Techniques used to compensate for QI were also studied. Through MATLAB R simulations, the performances of four QI compensation schemes were compared: the Gram-Schmidt method and the ellipse fitting method, each one applied before and after polarization demultiplexing. In addition, the joint performance of these QI compensation techniques and two polarization demultiplexing algorithms – the constant modulus algorithm and the least mean square algorithm – was analyzed. It is shown that, in a small scale of front-end imperfections, the four schemes efficiently compensate for the inserted QI. However, when this scale increases, using theGram-Schmidt method before polarization demultiplexing, considering the proposed conditions, exhibits the lowest penalty for the system. Moreover, the performance of the investigated polarization demultiplexing algorithms was quite similar.