Monte Carlo simulation of an optical differential phase-shift keying communication system with direct detection impaired by in-band crosstalk

Abstract

O renovado interesse nas comunicações ópticas com modulação de fase diferencial DPSK (differential phase-shift keying) provém do facto de esta superar o formato convencional de modulação de intensidade, OOK (on-off keying) em certos aspectos, tais como, sensibilidade do receptor, robustez às limitações da transmissão e tolerância às flutuações da potência do sinal. O crescimento exponencial do tráfego de dados e as vantagens do DPSK levam à necessidade da sua utilização no contexto das redes ópticas, sendo uma das principais limitações físicas das redes ópticas, o crosstalk. O crosstalk homódino incoerente, devido ao isolamento imperfeito dos componentes ópticos utilizados nos nós da rede óptica, tem sido identificado como uma das maiores limitações existentes no nível físico das redes ópticas. Esta dissertação apresenta um estudo do impacto do ruído de emissão espontânea amplificada, gerado pela amplificação óptica do sinal, e do crosstalk no desempenho de um sistema de comunicação óptico DPSK com detecção directa e assumindo um receptor balanceado. O desempenho do sistema é avaliado usando uma simulação estocástica baseada no método de Monte Carlo e comparado com o desempenho obtido a partir de formulações analíticas. Diferentes combinações de filtros ópticos e eléctricos são considerados no receptor óptico DPSK. A influência de imperfeições do receptor óptico DPSK no desempenho é também estudada. Investiga-se também a influência do nível de potência do sinal de crosstalk, o atraso entre o sinal original e o sinal de crosstalk e diferentes sequências de bits no sinal de crosstalk DPSK no desempenho do sistema de comunicação óptico.

The renewed interest in optical communications on the differential phase-shift keying (DPSK) modulation format comes from the fact that it outperforms the conventional format on-off keying (OOK), in such aspects, such as receiver sensitivity, robustness to transmission impairments and tolerance to signal power fluctuations. The exponential growth of data traffic and the DPSK advantages over OOK lead to its use on the optical networks environment, where physical limitations, such as crosstalk, may impair significantly the network performance. In-band crosstalk, due to the imperfect isolation of optical components used in the optical network nodes, has been identified as one of the most severe physical layer limitation in optical transparent network. This dissertation proposes to study the impact of amplified spontaneous emission noise, generated by the signal optical amplification, and of in-band crosstalk in the performance of an optical DPSK communication system with direct detection using a balanced receiver. A stochastic simulation based on the Monte Carlo method is used to evaluate the system performance and comparisons with the results obtained using theoretical works are also performed. Different combinations of optical and electrical filters at the optical DPSK receiver are considered. The influence of DPSK receiver imperfections on the system performance is also studied. The influence of the crosstalk level, the delay between the original and the crosstalk signal and different bits sequence on the DPSK crosstalk signal on the system performance is also investigated.