TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 2, Februa ry 2013, pp. 948~953   ISSN: 2302-4 046           948     Re cei v ed Se ptem ber 17, 2012; Revi se d Jan uary 2, 2012; Accept ed Ja nua ry 1 5 , 2013   Resear ch on OSNR and BER of 40G DWDM System on  DRZ      FENG Xianc h eng*, LI Xiaopeng, SI Qinghua   Coll eg e of Elec trical an d Elect r onic En gin eer i ng  W uha n Insti t ute of  T e chnol og y, W uhan  43 007 3, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : xcfen g68 @h otmail.com       A b st r a ct                 The  signal  mo du latio n   format  is  k e y issue for 4 0 G  DWDM fiber optical c o mmunic a tion syste m ,   w h ich deter mi n e s transmissio n  qua lity and s pectral effici en cy. F i rstly, the  sche m e of key  technol ogi es a n d   m o dulation for m at (ODB, CS RZ, DRZ, DPSK, DQPSK) of  40G DWDM sy stem   is introduced. Through t h Q value w i th  OSNR an d B E R, the theor etical c u rve b e tw een OSNR  and BE R is  give n. And th en i t   prop oses o p tic a l interfac e p a r ameters req u i r em ents of 40 G DWDM system. By w a y o f  adopti ng VO compe n satio n  i n  exp e ri me ntal  system, OTU typica l s pectru m ,eye  dia g ra m, BER and OS NR perfor m anc es   have  bee n te sted an d an al y z e d . Exper iment result s sh ow  that DRZ  code  have  be tter transmiss i o n   perfor m a n ce, are  su itab le  fo lon g  or mid d le dist a n ce tr ans missi on,  meet the  de ma nd  of co mmer ci a l   app licati on.     Ke y w ords D W DM, 40G Modul ation F o r m a t, OSNR BER Differential Retu rn Zero Code    Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  It is the  incre a sin g   cap a cit y  and  rate  re quire ment th at improve th e devel opme n t of 40 G   DW DM  Tb/ s   sy st em,   su ch  as  B r oad ban d, IPTV, Tripl e  Play, P2P,  et c. In recent  years, OF C a nd  ECOC h a ve repo rted a g r eat numbe of transmi ss i on experi m e n ts in labo rat o rie s  or te sting   grou nd s of  4 0 Gbp s   WDM  syste m . Nu mero us eq ui pment m anuf acturers  hav e be en  con s t antly  laun ching different kind s of  module s  compatible  to  40Gb p s to  meet the ap plicatio n of 4 0 interface. Some leadin g  equipm ent m anufa c ture rs have ann oun ced to p r ovi de high -capa city  WDM tra n smi ssi on  syste m  with  40G  int e rface.  While  releva nt te ch nologi es are  well-develo p e d 40G t r an smi ssi on i s  in  l a ck of  co rre s po ndin g  st a ndards. A c co rding  to a  survey by  He avy  Rea d ing, 60 % of operators will choo se  40G opti c -n etwork technol ogy in three years. The ma rke t   scale of 40G  techn o logy wi ll reac h 2 billi on dolla rs u n til 2010[1-4].      2. Ke y  Technologies of  40G Sy stem  2.1. The Mod u lation Co de  T y pe Techn o log y  of 40G   To impleme n t  40G DWDM system, these key te chn o logie s  should be ta ken into  con s id eratio n :  In a 40G bp s sy stem, it i s  ne ce ssa r y to further in crea se th e em issi on p o wer  of  optical  sign al s to meet the  deman d of O S NR. As  re sult, the nonli near  effect of  optical fibe will  lead to the  seri ou s di sto r tion of  NRZ -co de o p tical  sign al. The  new  mod u lation code t y pe,   combi n ing various modulat ion  modes such as ODB, CSRZ,  DRZ ,  DPSK, DQPSK and  so  on,  has b e come  the major  co de type in 40 Gbp s  WDM  system for its excellent propertie s  [5-7]. In   addition, th e  sel e ctio n o f  modulatio n  format  of  40Gb p s high -sp eed  DWDM optical fi ber   transmissio system i s  rel e vant to the  overall  d e si g n ing of the e n tire sy stem,  whi c h in clud es   asp e ct s like t y pe of opti c al  fiber, inte rval  of tr an smi ssi on  system, di stan ce, n u mb er of  ch annel s,  interval of  ch annel s. In te rms of t r an smi ssi on p h ys i c a l  effect, not o n ly disp ersio n  and  inte r-b and   nonlin ear effe ct but also P M D and in -b a nd nonli nea r effect sho u ld  be co nsi dere d  [8-10].     2.2. The Rela tionship be tw e e n  OS NR  and BE Optical  sign al con s ist s  of modulate d  m a rk  a nd spa c e. In ASK direct dire ction  system,  mark  “1” an d  sp ace “0” is  rep r e s ente d   by non -opti c a l  pul se. If “1”  and  “0 ” b eha ve acco rdin to   Gau ssi an di stribution, then   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Re sea r ch on  ONSR  and B E R of 40G DWDM System  on DRZ (FE N G Xian che n g 949 ) 2 exp( 2 1 2 Q Q BER                                                                     (1)  Q for Quality factor, eg. 9 10 BER Q=6 Figu re 1 is the relation curve between  BER and Q.    Figure 1. The  Relation  Curve Between  BER  and Q   Figure 3. The  Relation  Curve of BER and  OSNR av g     2.3. The Rela tion bet w e e n  Q and SNR  Q rep r e s ent s quality factor, a useful in d e x to  descri b e system  noi se p e rfo r man c e. Even   though th e value of BER  is lo w, Q can  be prec i s ely  measured.  Q ca n be  re pre s ente d  by  the   func tion of OSNR (mainly ASE noi s e ) through trans f ormation.        OSNR OSNR p p mP P m mP mP P P P P P P Q N S N S N N N S S BEAT BEAT S 2 1 1 2 1 1 2 1 2 0 1 2 2 2 2 0 1 0 1                     (2)    P s  for amplification sig nal p o we r, P N  for ASE power,  m for polari z ation mode (m =1 or  2),  2 BEAT for ASE beat noise.    OSNR P P mP P total ASE S N S m= 2                                                                                   (3)    Q = 6, then OSNR=44.5 or  16.4dB. Notice that  the average OS NR of signal modulated by ASK  is lower than  this value: O S NR av g =13.4 d B. Figure 2 i s  the relatio n  curve b e twe e n  OSNR and  Q.  Usi ng eq uatio n (1)  (2) to co nne ct BER and OSNR  through Q. Figu re 3 is the rela tion curve of  BER and OS NR av g                         Figure 2. The  Relation  Curve Between  OSNR  and Q     2.4. OSNR  Budget  In a  optical  fiber comm unication  sy stem,  the  si gnal  disto r tio n  an OSNR of  the  receiver’ s  inp u t end is th e most imp o r tant fact o r  to determine  the ch ara c te ristic of BER in  sy st em.  The  f o llowin g   f u rt her   di sc us se s som e   im p o r tant p r in ciple s  of  sy stem  desi gning,  ba sed   on the req u irement of OSNR.   0 5 10 15 20 10 -2 0 10 -1 5 10 -1 0 10 -5 10 0 O S N R av g( dB ) Îó  ëÂ Ê BER 0 2 4 6 8 10 10 -2 5 10 -2 0 10 -1 5 10 -1 0 10 -5 10 0 10 5 Q     BER  0 2 4 6 8 10 12 0 20 40 60 80 100 120 µ Ð Å Ô ë± È S N R 0 2 4 6 8 10 10 0 10 1 10 2 µ Ð Å Ô ë± È S NR( d B ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 2,  Februa ry 2013 :  948 – 953   950 Definition of  OSNR:       P sig  for avera ge o p tical  po wer of  ce rtai n chan nel, P si g =P out  -10log M; P out  for E D FA total   output po wer;  M for chan n e l numbe r;  P ASE  =F (G- 1 ) h v Bo ( N + 1 )  fo r amplified A SE inside EDFA,  noise po we r i n  optical filter band width  Bo   ca scad ed b y  N+1 optical f i ber  se ction  a nd EDFA.  Bo  is  usu a lly defin ed to be  12.6  GHz (0.1nm ), or 10lo g ( hvBo )=-58  dBm  in de cibel s,  F for EDFA  n o ise   coeffici ent an d G for amp lification mult iple . If every EDFA has the sam e  gai n and exactl cou n tera ct st he loss of opt ical fiber  se ction, then            (4)    Due t o  the i n cre a se of  P AS E  and the  len g th of opti c al  fiber  se ction f o llowed by th e linea increa se of amplifier’ s pro g re ssi on, low gai n with more prog re ssi on has mu ch  higher OS NR  than high g a i n  with less progre s sion  wh en the total system length  maintain s the  same.   In fac t, the los s  of  N optical fiber sec t ions   i s   not the   same. B u t ea ch l e vel of E D FA g a in  is possibl e to be con s id e r ed a s  line loss (  L = G i+1  ) to make u p  for the former opti c al fiber  se ction, be ca use E D FA m a inly wo rks i n  (de ep)  sat u rated  co ndit i ons. In en gi neeri ng de si gn given the  fact  that ea ch  opt ical  amplifier  mainly  works  in saturate condition s, tot a l outp u t po wer   remai n ing un cha nge d, the gain of operating point  wi ll spontan eou sly adapt to the sam e  as the   former  optical  fiber se ction’  loss, which is  different  with rated gai n. As a re sult, OSNR:         (5)    Acco rdi ng to   the line  lo ss,  the  OSNR e v ol utionary p r ocess  of DWDM system   ca b e   estimated, which i s  of vital guiding  signif i can c e in e ngi neeri ng for n e twork pla nni ng.  Take e qual -lo ss o p tical fibe r se ction for e x ample,  we can obtain the  total output powe r  of EDF A        (6)     P [ dB ] is the cha nnel p o w er  differen c e cau s e d  by variou s facto r s (su c h a s  EDFA and  wavele ngth chara c te risti c s of each com pone nt’s gain   or loss, nonli near effe ct of optical fiber). It  can al so be  con c lu ded th at when EDFA total output powe r  mai n tains the sa me, numbe r of  cha nnel s M a nd numb e r of  optical fiber  se ction s  sh ou ld meet:                                                                                                                                                                                          (7)    For  example,  data  rate of  ch annel 4 0 Gbp s (OSNR lo we r limit  =2 0dB), E D FA total  output po wer= 23 dB m, F=8dB,  P=3dB G = 22 dB(0.2 75 dB/km×80 km ), and then   M(N+1 ) =631 M=40, thu s   N=14.   I n  sum,  40 DW DM  sy st e m  is a  sop h is t i cat ed inte grated sy stem  whi c combi n es late st  cod e -type  mo dulating  tech nology, m ana gement  techn o logy of  stron g  di spe r sion,  high tol e ra nce  of OSNR, hig h  sen s itivity of testing and re ceivin g and  codi ng erro r correctin g  tech nology.       3. Optical Interfa ce of 4 0 G  WDM Sy st em  The refe ren c e config uratio n of 40G DWDM syst em is sh own in Figure 4. In it, OUT for  optical  wavel ength  conve r t e r to fulfill 3 R  function  (re-amplifying, re -formin g , re -ti m ing); O M U f o optical m u ltipl e xer unit to f u lfill multiplexing of va rious wavelength; OA for opti c al  amplifying unit  to fulfill signal opti c al domain amplificatio n (including di spersi on  compensation); ODU for  photolysi s  mu ltiplexer unit to fulfill photolysis mult iplex i ng of various wavelength;  Tx/Rx for client  side -light inte rface.    Figure 4 defines 6 refe re nce poi nts o u tside  the sy stem and 2 i n sid e , and they are S,  MPI-SM, RM, SM, MPI-RM, R and Sn, Rn. Among the m , R and S are interfa c referen c e p o in ts   of MS-UL H   WDM syste m  and cu sto m er  system.  MPI-SM, RM, SM, MPI- RM are refe rence    Pout [ dB m ]  =  G [ dB  F [ dB  OS NR [ dB 10 log [ ( 1)] +⊿ P [ dB 58      OSNR [d B ]   P out [ d Bm ]   -10 l og +58- NF [d B ]   -  10 log [ G (1) + 1 ) ( N i L ]    OSNR [d B ]    P ou t [ dBm ]   -10 l og +58-[ NF [d B ] +G [d B ] + 10 l o g (N+ 1 )  M  ( 1 )≤10 0.1 ( 58+   P ou t [ dBm ]  G [ dB ] F [ dB OSNR [ dB ] P [ dB ] )   OSNR   P sig   / P ASE   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Re sea r ch on  ONSR  and B E R of 40G DWDM System  on DRZ (FE N G Xian che n g 951 points  of m a in opti c al  chann el of M S -UL H   WDM system;  Sn, Rn a r e  referen c e p o ints  respe c tively betwe en O U T and OM U, ODU in  M S -UL H  WDM system.  And the sp e c ific   meanin g s of these refe ren c e points a r e a s  follows:         Figure 4. The  Refere nce Confi guration o f  40G DWDM  System      S for  refe ren c e poi nt at  opti c al fib e r joint  after the  cust om  sign al em itter outp u t int e rface;  Sn for refe rence point a t  optical fibe r joint after  OUT’  con n e c tion to OMU output  interface;  MPI-SM for referenc e point at optic al fiber  joint after  OA, after OMU, output interfac e;   RM for refere nce p o int at optical fiber joi n t before OA  input interfa c e;  SM for refere nce p o int at optical fi ber joi n t after OA output interface;  MPI-RM for referen c e p o in t at optical fiber  joint befo r e  OA, before ODU, input in terface;   Rn fo refe re nce  poi nt at  optical  fiber j o in t befo r e  in put inte rface   con n e c ting  O U T, after  ODU;  R for refe ren c e point at optical fiber joi n t bef ore  cu sto m er si gnal re ceiver in put interface.       4. Testing an d Analy s is   4.1 Con f igur ation Tes t in OTU p e rfo r m ance testing  of 40G DWDM  system is  shown in Figu re 5.      Figure 5. Con f iguration  Dia g ram  of 40 G  OTU Pe rform ance Test           Figure 6.  Co nfiguratio n di agra m  of 40 G OTU  OS NR Perfo r man c e Te st       Among them,  VOA represe n ted in dotted  line mean s t o  add in p r op er VOA wh en  testing  eye pattern p e rform a n c so as to ma ke  it meet  the d e mand  of inp u t optical  po wer re qui rem ent   rang e of  co mmuni cation  sign al an al yzer. Th e d eployment di agra m  of B E R and  OS NR  perfo rman ce  testing of 40 G DWDM  system is sh own  as Figu re 6.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 2,  Februa ry 2013 :  948 – 953   952 4.2  Wav e length Co nv erter and Sy stem Experiment   1) 40G  DWWM Wavelen g th Conve r ter  Spectrum an d Eye diagra m   DRZ   40 G DWWM wavele ngth conve r te r spe c tr um  an d eye  diag ra m are  sho w n   Figure 7.  The typical -3 dB spe c trum  width of DRZ  module i s  0.6 n m.        Figure 7.  DRZ 40G DWDM OTU Typi cal Spectrum       Figure 8. DRZ 40G DWDM OTU Typi cal Eye Diagra m        Acco rdi ng to  the test results, 40G  wavel engt conve r ter of DRZ  ca n co ntinue to  use th e   curre n t WDM  system fre q uen cy, but it has  wi de r spectrum wi dth and lo we duty ratio th an   norm a l NRZ.  2) OSNR an d  BER Performance of 40 G DWDM  Wa velength Con v erter  A cco rdi ng t o  t e st  re sult s f r om Figu re 9,   the lowe st tolerated  OSNR of DRZ 40 DWDM   wavele ngth converte r at E-03 error  rate i s  app roximat e ly 14dB.               Figure 9. 40G  DWDM System back-to-b ack  Testing of BE R and OS NR  Based o n  DRZ  Figure 10. 40 G DWDM 1 6 00km lo ng -fib er  Tran smi ssi on  BER and OS NR  Curve     In Figu re  1 0 , 166 0km  long -fibe r   transmissio n  syste m  ha s impl eme n ted p r e - comp en satio n  of dispe r si o n . The  singl e  cha nnel t r an smissio n  opti c al p o wer i s   4dBm/ch,  so  the   lowe st OSNR of 1600km lo ng-fibe r tran smissi on is a p p roximately 1 8 .6dB.  3) The T r an smissi on Perfo r man c e of 40 G DWDM  Wa velength Con v erter  1.  DRZ 4 0 DWDM Wavele ngth Co nvert e System Transmi ssion O S NR Perfo r m ance   2.  The  Di spe r si on T o leran c e  of  DRZ  40 G  DW DM  Wav e length  Conv erter throug h  System  Tran smi ssi on  Figure  11 i s  the disp ersi on win d o w  af ter DRZ tra n s mitting 16 00  km; we   can  see th at the di sp ersion  win d o w  i s  ve ry sm all of  40  ps/n with a dding  the  win dow by   config urin g T DC.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Re sea r ch on  ONSR  and B E R of 40G DWDM System  on DRZ (FE N G Xian che n g 953                 Figure 11.  40G DWDM Transmi ssion  1 600 km S y st e m  Disp er sio n  Curv e       5. Conclusio n                      Diffe rent modul ation code s h a ve different  ch a r a c teri sti cs  of optical  sign al ch an nel  transmissio n. To cho o se whi c h mod u l a tion co de to  be adopte d  i n  a spe c ific  h i gh sp eed o p t ical  transmissio n  sy stem,  we  sh ould  ta ke  the  actu al  deman d i n to  acco unt  an d cond uct  some   compl e x syst em simulatio n s or expe ri ments. To  ju dge a modul ation cod e , we shoul d reg a rd of  not only its capability of di spe r si on resi stan ce, pol ari z ation m ode  disp ersion  re sista n ce, and  the  negative effe cts of n on-li n ear  re sista n ce, but also  its ba nd width  efficien cy an d noi se imm u nity.  No wad a ys, optical tra n smissi on sy stem based o n  NRZ  cod e  has be en  use d  in Chi na’s  Comm uni cati on Netwo r k in vast  scale. Ho weve r, from 2 0 0 6 , som e  tel e com m uni cat i on  comp anie s  i n  Chi na  have  begu n u s in optical  tran smissi on  syst e m  with  a  sp e ed of  40  Gb/ s  fo r   field trial and tes t, to meet the requirement of  sy stem upg ra de.  From th e re sults  of pract i cal  appli c ation s we’ve fo und t hat the  syste m  with  spe ed of  40  G m u st u s e  mod u l ation  code  from  NRZ  cod e  wh ich ha s be en  use d  for long  time into RZ or othe r more  efficient cod e s [11-12].           Long  distance  tran sm issi on  expe ri ment  re sults  has  sho w n t hat, includi ng  data like th lowe st tolerat ed  OSNR a nd tolerance  of disp e r sion,  N×4 0 DWDM sy stem that is ba sed  on  modulatin g a nd coding te chn o logy such as  DRZ  is mature a nd  able to me et the dema n d  of  busi n e ss req u irem ents.        Referen ces   [1]  XU  Xi ao gen g, Z H ANG Xin lia n g , LIU Deming, et  al. Exp e rime ntal Stud y on T r ansmissi on P e rformanc e   of  T h ree Diffe rent F o rmats in 40Gb/ s Optical F i ber Com m unic a tion S ystem.  Chines e  Journa l of   Lases . 20 05;1 0 (32): 13 71- 13 76.   [2]  X IONG Bo, Chen Yongz hou. T r ansmission  performa nce r e searc h  on DQPSK-based 40 Gbit/s WDM   s y stems.  Study  on Optical Co mmu n icati ons.   200 9; 6(3): 7-8 .   [3]  PAN S. Multic han nel  Optical  Sign al Pr oces sing  in N R Z  Systems B a sed  on a F r e q u e n c y - D o u b li n g   Optoelectro n ic Oscillator.  IEEE Journa l of Selecte d  T opics  in Quantu m  El ectronics.  20 10 ; 16(5): 9-12.   [4]  LI Gaofeng. O p tical SN R T e st of DRZ  and  CRZ  Sign al.  Manufactur i ng  Information E n gin eeri ng of   Chin a.  20 09; 2: 37-38.   [5]  CHEN  Ho ngb i ao, SHE N  B u yi ng, S UN  Xu edu an. A nal ys is a nd  Verific a tion  of th Measur emen t   Appro a ch es of  in Ba nd OSN R  Onlin in N×40 Gbit/s DWDM Net w orks.  T e lec o mmun icat ions Sc ie nce 201 0; 26(4): 59 -65.  [6]  Y Ma, Q Ya ng,  Y T ang, S C h en, W  Shi eh.  1 - T b /s single-ch ann el c o h e rent  optic al OF DM  transmissio n   over 60 0km SSMF  fiber  w i th  sub w a v el en gth  band w i dt h acc e s.  Opt.Express . 2009;1 7 (11): 942 1-94 27.   [7]  X IONG Shiheng. Main  Influ e n ce F a ctors a nd Sol u tio n s for 40Gb/s Optical T r ansmissi on S y stem .   Optical Co mmunic a tion T e c h nol ogy .  20 04; 2 8 (10): 37- 38.   [8]  W E I Leping. K e y  T e chno lo gie s  and Dev e lo p m ent Strateg y  f o r 40/10 0 Gbit/s Ultra High S p eed Optica l   F i ber S y st ems.  T e leco mmu n ic ations Sci enc e.  2009;1( 3): 1-7 .   [9]  Che n  Hao q i. T he ke y tech nol og y of 40G D W DM.  Opt.Co m m u nication T e chnology.  201 1; 3(15):22- 24.   [10]  XU Limi n.  T e chno log y  Deve l opme n ts and  Appl icatio ns of  40 Gbit/s W D M.  T r ansmissi on Syste m s   T e leco mmunic a tions Sci enc e . 2009; 0 1 (4): 7 - 11.  [11]  LI Xiao li n, Z H ANG F an, F A Xia o ru, et  al.  F r ee s pect r al ra nge  opti m izatio n of re turn-to-ze r o   differenti a ph a s e-shift ke ye demo dul atio n i n  40G bit/s no n line a r ra nsmiss ion.  Optics Express . 2 008 ;   16(3): 20 56- 20 61.   [12]  MF L Abdul la h, Rahmat T a lib. Mu ltilev e l Sig nal An al yz er T ool for Optical  Commun i catio n   S y ste m .   Internatio na l Journ a l of Electr ical  a nd Co mp uter Engi ne erin g (IJECE) . 201 2; 2(4): 529-5 3 6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.