Photonic Network System Laboratory, National Institute of Information and Communication Technologies (NICT), 4-2-1, Nukui kitamachi, Koganei, Tokyo , Japan. Aplicaciones del Procesado Digital de Señal (DSP) en Comunicaciones Ópticas José Manuel Delgado Mendinueta

Photonic Network System Laboratory Slide 2ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Índice Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) Comunicaciones ópticas coherentes Visión general de un receptor digital Etapas del DSP Sistemas homodinos en fibra multinúcleo Receptores de ráfagas/paquetes ópticos Algunas consideraciones para implementación ASIC/FPGA Conclusiones

Photonic Network System Laboratory Slide 3ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) S. Bigo, “Coherent optical long-haul system design”, OFC 2012, paper OTh3A.1

Photonic Network System Laboratory Slide 4ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Índice Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) Comunicaciones ópticas coherentes Visión general de un receptor digital Etapas del DSP Sistemas homodinos en fibra multinúcleo Receptores de ráfagas/paquetes ópticos Algunas consideraciones para implementación ASIC/FPGA Conclusiones

Photonic Network System Laboratory Slide 5ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Comunicaciones ópticas coherentes (Introducción) OOK Hay luz: “1” No hay luz: “0” OOK Hay luz: “1” No hay luz: “0” BPSK Fase 0: “1” Fase π: “0” Módulo constante Admite detección no coherente BPSK Fase 0: “1” Fase π: “0” Módulo constante Admite detección no coherente QPSK Se codifican 2 bits por símbolo Admite codificación Gray Admite detección no coherente QPSK Se codifican 2 bits por símbolo Admite codificación Gray Admite detección no coherente

Photonic Network System Laboratory Slide 6ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Comunicaciones ópticas coherentes (Motivación) Ventajas de la detección coherente digital Aumento de la sensibilidad del receptor Los efectos lineales (dispersión, DGD, PMD, …) pueden ser TOTALMENTE compensados Algunos efectos no lineales (XPM) pueden ser compensados (aunque a un coste terrible) Inconvenientes de la detección coherente digital Mayor complejidad del receptor Mayor consumo de energía Costes pueden dispararse

Photonic Network System Laboratory Slide 7ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Comunicaciones ópticas coherentes (Transmisor I) I. Fatadin, “DSP Techniques for Optical Coherent Receivers”, PhD Thesis, UCL Un modulador Mach Zehnder (MZ) es capaz de generar BPSK si el voltaje aplicado es 2V π Podemos anidar dos moduladores MZ para generar la componente en fase (I) y la componente en cuadratura (Q) Para generar señales multiplexadas en polarización son necesarios DOS moduladores anidados Un modulador Mach Zehnder (MZ) es capaz de generar BPSK si el voltaje aplicado es 2V π Podemos anidar dos moduladores MZ para generar la componente en fase (I) y la componente en cuadratura (Q) Para generar señales multiplexadas en polarización son necesarios DOS moduladores anidados

Photonic Network System Laboratory Slide 8ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Comunicaciones ópticas coherentes (Transmisor II) Trabajando en la zona lineal del modulador MZ se pueden generar componentes I/Q arbitrarias => se requiere un conversor digital- analogico (DAC) Usando DAC, podemos aplicar predistorsión a la señal Trabajando en la zona lineal del modulador MZ se pueden generar componentes I/Q arbitrarias => se requiere un conversor digital- analogico (DAC) Usando DAC, podemos aplicar predistorsión a la señal S. Bigo, “Coherent optical long-haul system design”, OFC 2012, paper OTh3A.1

Photonic Network System Laboratory Slide 9ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Índice Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) Comunicaciones ópticas coherentes Visión general de un receptor digital Etapas del DSP Sistemas homodinos en fibra multinúcleo Receptores de ráfagas/paquetes ópticos Algunas consideraciones para implementación ASIC/FPGA Conclusiones

Photonic Network System Laboratory Slide 10ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Visión general de un receptor digital (Componentes) Mendinueta et al., “Challenges in Coherent Optical Packet Switching”, IEICE Jun 2012, Japan. 90º ADC DSP ADC LO laser PBS Balanced PD Oscilador (laser) local Separa las polarizaciones X e Y Fotodiodos balanceados Conversor analógico-digital

Photonic Network System Laboratory Slide 11ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Visión general de un receptor digital (DSP) Front-end correction and resampling Normalización fOffset estimation Recuperación del reloj Ecualización CMA Recuperación de fase Decisión “dura” Compensación de la dispersión Sergejs Makovejs, “High-speed optical fibre transmission using advanced modulation formats”, PhD thesis, UCL 2011.

Photonic Network System Laboratory Slide 12ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Índice Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) Comunicaciones ópticas coherentes Visión general de un receptor digital Etapas del DSP Sistemas homodinos en fibra multinúcleo Receptores de ráfagas/paquetes ópticos Algunas consideraciones para implementación ASIC/FPGA Conclusiones

Photonic Network System Laboratory Slide 13ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (Normalización) yy k ykyk s[n] Initial AC (Hbits samples) Initial DC Offset (Hbits Samples) Mendinueta, “Digital signal processing optical receivers for the mitigation of physical layer impariments in dynamic optical networks”, PhD thesis, UCL 2011.

Photonic Network System Laboratory Slide 14ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (Recuperación del reloj) ykyk s[n] Delay (Lb) Symbol Timing Recovery (L b ) mkmk ukuk Interpolator Mendinueta, “Digital signal processing optical receivers for the mitigation of physical layer impariments in dynamic optical networks”, PhD thesis, UCL Referencia fundamental: L. Erup, F. M. Gardner, and R. A. Harris, “Interpolation in digital modems—Part II: Implementation and performance,” IEEE Transactions on Communications, vol. 41, no. 6, pp. 998–1008, Jun Referencia fundamental: L. Erup, F. M. Gardner, and R. A. Harris, “Interpolation in digital modems—Part II: Implementation and performance,” IEEE Transactions on Communications, vol. 41, no. 6, pp. 998–1008, Jun. 1993

Photonic Network System Laboratory Slide 15ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (Compensación de la disp.) S. Savory, “Digital filters for coherent optical receivers”, Optics Express 16(2), Jan Coeficientes del filtro digital Número de “taps” necesario para compensar z metros de dispersión Dispersión en el dominio de la frecuencia. Se trata de un “filtro” de módulo constante en el que sólo varía la fase.

Photonic Network System Laboratory Slide 16ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (Polarización I) S. Savory, “Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems”, JSTQE Sep Señales a la salida del transmisor, para las polarizaciones X e Y Señales a la entrada del receptor. Es la señal que ve el DSP La matriz J o R es una matriz unitaria, y modela la rotación de la polarización que sufre la señal durante su propagación por la fibra Para compensar la rotación de la polarización, hay que hallar la inversa de la matriz R, R -1, y multiplicar la señal por dicha inversa La matriz J o R es una matriz unitaria, y modela la rotación de la polarización que sufre la señal durante su propagación por la fibra Para compensar la rotación de la polarización, hay que hallar la inversa de la matriz R, R -1, y multiplicar la señal por dicha inversa

Photonic Network System Laboratory Slide 17ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (Polarización II) S. Savory, “Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems”, JSTQE Sep Calcular la matriz inversa es una operación muy costosa En su lugar, se utilizan soluciones subóptimas como el algoritmo LMS Para calcular el error del ecualizador, se explota el hecho de que la señal tiene módulo constante: constant modulus equaliser (CMA) Calcular la matriz inversa es una operación muy costosa En su lugar, se utilizan soluciones subóptimas como el algoritmo LMS Para calcular el error del ecualizador, se explota el hecho de que la señal tiene módulo constante: constant modulus equaliser (CMA)

Photonic Network System Laboratory Slide 18ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (TX/LO frequency offset I) Kaminov (ed), “Optical Fiber Telecommunications Vol. V B”, p. 48. Scope LO Osc Hybrid TX Osc La frecuencia del laser transmisor y la del laser oscilador local difiere en el rango XX MHz ~ X GHz Esto provoca un desplazamiento en el dominio de la frecuencia del espectro de la señal La frecuencia fOffset debe ser ESTIMADA y COMPENSADA La frecuencia del laser transmisor y la del laser oscilador local difiere en el rango XX MHz ~ X GHz Esto provoca un desplazamiento en el dominio de la frecuencia del espectro de la señal La frecuencia fOffset debe ser ESTIMADA y COMPENSADA

Photonic Network System Laboratory Slide 19ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (TX/LO frequency offset II) Millar, “”, PhD thesis. Ventana de bloque Ventana deslizante Dominio de la frecuencia

Photonic Network System Laboratory Slide 20ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (Recuperación de la fase I) Linewidth: 0.25 MHz Plotted symbols: 1024 Todos los láseres tienen un ruido de fase, conocido también como linewidth El ruido de fase tiene un espectro Lorenziano El ruido de fase en los sistemas de CO es ordenes de magnitud superior al de los sistemas radio El ruido de fase provoca rotaciones en los puntos de la constelación que pueden dar lugar a errores y a “cycle slips” Este ruido es uno de los principales problemas en sistemas coherentes Todos los láseres tienen un ruido de fase, conocido también como linewidth El ruido de fase tiene un espectro Lorenziano El ruido de fase en los sistemas de CO es ordenes de magnitud superior al de los sistemas radio El ruido de fase provoca rotaciones en los puntos de la constelación que pueden dar lugar a errores y a “cycle slips” Este ruido es uno de los principales problemas en sistemas coherentes

Photonic Network System Laboratory Slide 21ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Etapas del DSP (Recuperación de la fase II) Kaminov (ed), “Optical Fiber Telecommunications Vol. V B”, capítulo K. Kikuchi. Estimador de la fase Tamaños de bloque típicos son 16, 32, 64, 128 muestras. Estimador de la fase Tamaños de bloque típicos son 16, 32, 64, 128 muestras. X pol Y pol Block 1 Block N Block 0 En cada bloque de M muestras la fase es estimada y corregida, independientemente para las polarizaciones X e Y Entre bloques adyacentes, la fase debe ser “desenvuelta” para no provocar “deslizamientos de ciclo”

Photonic Network System Laboratory Slide 22ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Índice Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) Comunicaciones ópticas coherentes Visión general de un receptor digital Etapas del DSP Sistemas homodinos en fibra multinúcleo Receptores de ráfagas/paquetes ópticos Algunas consideraciones para implementación ASIC/FPGA Conclusiones

Photonic Network System Laboratory Slide 23ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Sistemas homodinos en fibra multinúcleo I 90º ADC DSP ADC PC Puttnam et al., “105Tb/s Transmission System Using Low-cost, MHz Linewidth DFB Lasers Enabled by Self-Homodyne Coherent Detection and a 19-Core Fiber”, OFC En los sistemas homodinos se usa el mismo laser transmisor como oscilador local Se elimina el ruido de fase! Los caminos de la señal y el laser deben ser idénticos para mantener la coherencia Dado que la portadora (laser) viaja con la señal, también se contamina con ruido de los amplificadores, con lo que existe una penalización adicional En los sistemas homodinos se usa el mismo laser transmisor como oscilador local Se elimina el ruido de fase! Los caminos de la señal y el laser deben ser idénticos para mantener la coherencia Dado que la portadora (laser) viaja con la señal, también se contamina con ruido de los amplificadores, con lo que existe una penalización adicional

Photonic Network System Laboratory Slide 24ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Sistemas homodinos en fibra multinúcleo II 200 μm 35 μm Puttnam et al., “105Tb/s Transmission System Using Low-cost, MHz Linewidth DFB Lasers Enabled by Self-Homodyne Coherent Detection and a 19-Core Fiber”, OFC La fibra multinúcleo es óptima para sistemas homodinos, ya que todos los núcleos sufren perturbaciones similares

Photonic Network System Laboratory Slide 25ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Sistemas homodinos en fibra multinúcleo III Puttnam et al., “105Tb/s Transmission System Using Low-cost, MHz Linewidth DFB Lasers Enabled by Self-Homodyne Coherent Detection and a 19-Core Fiber”, OFC canales separados 50 GHz Modulación QPSK a 25 Gbaudios Fibra de 19 núcleos. Distancia 10.1 km Interferencia máxima entre núcleos: 22 dB 125 canales separados 50 GHz Modulación QPSK a 25 Gbaudios Fibra de 19 núcleos. Distancia 10.1 km Interferencia máxima entre núcleos: 22 dB

Photonic Network System Laboratory Slide 26ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Sistemas homodinos en fibra multinúcleo IV Puttnam et al., “105Tb/s Transmission System Using Low-cost, MHz Linewidth DFB Lasers Enabled by Self-Homodyne Coherent Detection and a 19-Core Fiber”, OFC dB adicionales en modo homodino comparado con modo intradino Esta penalización se debe a la no optimización del filtro del oscilador local en modo homodino Teoréticamente, la penalización puede ser reducida a 1.5 dB 4.9 dB adicionales en modo homodino comparado con modo intradino Esta penalización se debe a la no optimización del filtro del oscilador local en modo homodino Teoréticamente, la penalización puede ser reducida a 1.5 dB

Photonic Network System Laboratory Slide 27ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Sistemas homodinos en fibra multinúcleo V Puttnam et al., “105Tb/s Transmission System Using Low-cost, MHz Linewidth DFB Lasers Enabled by Self-Homodyne Coherent Detection and a 19-Core Fiber”, OFC Evolución de la fase recuperada. Claramente, los sistemas homodinos prácticamente cancelan el ruido de fase en comparación a los sistema intradinos

Photonic Network System Laboratory Slide 28ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Sistemas homodinos en fibra multinúcleo VI Puttnam et al., “105Tb/s Transmission System Using Low-cost, MHz Linewidth DFB Lasers Enabled by Self-Homodyne Coherent Detection and a 19-Core Fiber”, OFC La diferencia entre canales pares e impares es por usar moduladores diferentes

Photonic Network System Laboratory Slide 29ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Índice Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) Comunicaciones ópticas coherentes Visión general de un receptor digital Etapas del DSP Sistemas homodinos en fibra multinúcleo Receptores de ráfagas/paquetes ópticos Algunas consideraciones para implementación ASIC/FPGA Conclusiones

Photonic Network System Laboratory Slide 30ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Receptores de ráfagas/paquetes ópticos I Payload Pre Payload Pre Payload Pre 12.8 ns3.2 ns819.2 ns PON OLT Carrier premises Passive optical splitter PON ONUs Customer premises Continuous-mode downstream Burst-mode upstream

Photonic Network System Laboratory Slide 31ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Receptores de ráfagas/paquetes ópticos II Szafraniec et al., "Polarization demultiplexing in Stokes space", OSA OE, 18(17), August Aspecto que presenta la modulación PDM-QPSK en la esfera de Poincare En general, las modulaciones producen un objeto con forma de lente, que define un plano (linea azul) el cual describe el estado de polarización (SOP) En un receptor de paquetes, la estimación del SOP debe ser lo más rápida posible, y deben evitarse las singularidades del algoritmo CMA Aspecto que presenta la modulación PDM-QPSK en la esfera de Poincare En general, las modulaciones producen un objeto con forma de lente, que define un plano (linea azul) el cual describe el estado de polarización (SOP) En un receptor de paquetes, la estimación del SOP debe ser lo más rápida posible, y deben evitarse las singularidades del algoritmo CMA

Photonic Network System Laboratory Slide 32ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Receptores de ráfagas/paquetes ópticos III Línea geodésica intersección del plano de la polarización con la esfera de Poincare

Photonic Network System Laboratory Slide 33ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Receptores de ráfagas/paquetes ópticos IV Out X Out Y Pol X Pol Y Conociendo θ y φ el ecualizador puede ser inicializado sin singularidades La descomposición en valores singulares tiene un coste computacional alto, pero muy pocos puntos son suficientes Conociendo θ y φ el ecualizador puede ser inicializado sin singularidades La descomposición en valores singulares tiene un coste computacional alto, pero muy pocos puntos son suficientes

Photonic Network System Laboratory Slide 34ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Receptores de ráfagas/paquetes ópticos V PDM-QPSK payload Header symbols1096 symbols Pattern sync Digital chopping Variable header length Scope LO Osc Hybrid ττ α Anritsu PPG CH1CH2CH3CH4 Pattern sync TX Osc

Photonic Network System Laboratory Slide 35ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Receptores de ráfagas/paquetes ópticos VI BER medio sin ruido AWGN y sin rotación digital del SOP Standard CMA: el ruido aumenta el tiempo de convergencia, pero no mucho Receptor propuesto: 32 muestras son suficientes. Estimadores mayores no producen un aumento del rendimiento Standard CMA: el ruido aumenta el tiempo de convergencia, pero no mucho Receptor propuesto: 32 muestras son suficientes. Estimadores mayores no producen un aumento del rendimiento

Photonic Network System Laboratory Slide 36ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Índice Introducción (¿por qué hemos llegado hasta aquí?) Comunicaciones ópticas coherentes Visión general de un receptor digital Etapas del DSP Sistemas homodinos en fibra multinúcleo Receptores de ráfagas/paquetes ópticos Algunas consideraciones para implementación ASIC/FPGA Conclusiones

Photonic Network System Laboratory Slide 37ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Coherent receiver ADC data output Block 0Block 1Block 2Block 3Block 4Block 5 90º ADC DSP Digital Pro. ADC LO laser PBS Balanced PD Optical input DP clock Cada boque tiene N muestras = N/2 Nyquist rate El reloj del ADC va a XX GHZ Sin embargo, por razones tecnológicas, el reloj del procesador digital (DP) va a YYY MHz Por cada ciclo de reloj del DP, un bloque de N muestras debe ser procesado N está en el rango 32, 64, 128 El reloj del ADC va a XX GHZ Sin embargo, por razones tecnológicas, el reloj del procesador digital (DP) va a YYY MHz Por cada ciclo de reloj del DP, un bloque de N muestras debe ser procesado N está en el rango 32, 64, 128

Photonic Network System Laboratory Slide 38ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Ideal data processor MIMO CMA CMA taps est CMA taps buffer CP est and unwrap CP angle buffer Norm est Norm buffer B0 B-1 90º ADC CD NormalizationDispersionCMA Carrier recovery LOSignal Normalisation and deskew B0 B-1 B0 B-1 B0 B-1

Photonic Network System Laboratory Slide 39ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Ideal data processor II Norm est Norm buffer 90º ADC Normalization LOSignal Normalisation and deskew B0 B1 e0 CMA est CMA buffer CMA B0 B2 B3 B1 B2 e1 e2 e’0 Idealmente, cada etapa estima y procesa un bloque de N muestras en un ciclo de reloj Entonces, los buffers round robin (RR) almacenan dos bloques entre etapas de procesamiento Idealmente, cada etapa estima y procesa un bloque de N muestras en un ciclo de reloj Entonces, los buffers round robin (RR) almacenan dos bloques entre etapas de procesamiento

Photonic Network System Laboratory Slide 40ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Real world data processor MIMO CMA CMA taps est CMA taps buffer CP est and unwrap CP angle buffer Norm est Norm buffer B0 B-1 B1 B2 MIMO CMA 90º ADC CD Normalisation and deskew NormalizationDispersionCMA Carrier recovery LOSignal Normalisation and deskew B0 B-1 B1 B2 B0 B-1 B1 B2 B0 B-1 B1 B2 Pero el mundo real es muy duro, y las etapas de procesamiento consumen n ciclos de reloj, mientras que la estimacion consume m. Casi sin excepción, m > n La paralelización resuelve el problema n > 1. Pero el mismo valor estimado debe ser usado durante m bloques! Lo cual puede ser malo Pero el mundo real es muy duro, y las etapas de procesamiento consumen n ciclos de reloj, mientras que la estimacion consume m. Casi sin excepción, m > n La paralelización resuelve el problema n > 1. Pero el mismo valor estimado debe ser usado durante m bloques! Lo cual puede ser malo

Photonic Network System Laboratory Slide 41ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Intradyne Penalty due to reduced estimation rate Self-homodyne Time interval T En sistemas intradinos la fase varia en escalas muy cortas Si la estimación de la fase es lenta, habrá errores por rotación de la constelación En sistemas homodinos, la fase varía mucho más lentamente. La fase puede ser estimada en escalas más largas sin penalización En sistemas intradinos la fase varia en escalas muy cortas Si la estimación de la fase es lenta, habrá errores por rotación de la constelación En sistemas homodinos, la fase varía mucho más lentamente. La fase puede ser estimada en escalas más largas sin penalización

Photonic Network System Laboratory Slide 42ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Conclusiones Los sistemas ópticos coherentes son la revolución actual que permite la “ley de Moore” El uso de DSP ha permitido que limitaciones fundamentales de sistemas OOK (PMD) hayan pasado a ser problemas triviales (sin embargo hay problemas nuevos… linewidth) El DSP ha supuesto una revolución en el diseño e implementación de los sistemas de CO. Aunque ya hay dispositivos comerciales disponibles, llevará tiempo la adaptación completa Los problemas de DSP en CO son los mismos a los que se enfrentaron la gente de la radio hace 20 años. Sin embargo, debido a la velocidad de los sistemas de CO, la implementación es muy diferente (CPU vs. GPU!)

Photonic Network System Laboratory Slide 43ETSIT Valladolid, 8 January 2014 Muchas gracias por venir ありがとう ございます arigatou gozaimasu