Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 2 ,  A p r il  201 6, p p .  85 9 ~ 86 9  I S SN : 208 8-8 7 0 8 ,  D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 2.9 521          8 59     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  A New All-Optical Signal Regen e ration Technique for 10 GB/S  DPSK T r ansmiss i on Syst em       B h agw an D a s * , M. F.L  Abd u l l a h* , Nor   S h ahi d a M o hd  Sha h*   *Faculty  of Electrical and Electr onic Engineer in g, Universi ti  Tu n Hussein Onn  Mala y s ia       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Sep 29, 2015  Rev i sed  D ec 18 , 20 15  Accepte d  Ja n 10, 2016      The transmission of high power inside  the optical fiber ,  produce amplitude  noise, ph ase no ise and o t her  transmi ssion impairm ents th at  degrade  th e   perform ance of  optic al com m unica ti on s y stem. The signal  regener a tio n   techn i ques are u s ed to m itigat e t h ese nonlinear i m p airm ents in the electr ical   or in the optical  domain. All-optical  signal reg e neration techn i ques are one of  the solutions to  m itigat e these  nonlinear trans m ission im pairm e nts in the  optical domain  without  converting th e  sign al from optical  to electr i cal  domain. Th e ex isting techniqu es are not  cap ab le enough  to attain th e Bit  Error Rate (BER ) less than 10 -10   with the power p e nalty  less than  – 9dBm. In  this paper ,  a n e w all-opt ica l  sig n al re g e ner a tion  techn i que is d e veloped  that  m itigate  am plitu de and phase no ises in the opti c al dom ain. Th e  new optica l   signal r e generation technique is  deve loped b y   com b ining th e t w o existing   techn i que one is  3R (Reshaping,  Ream plification  and Retiming) regeneration  and oth e r is Pha s e Sensitiv e Am plific at ion (PSA). Th e 10Gb/s  Different ia l   Phase shift Ke yi ng (DPSK) noisy  transm i ssion sy ste m   is use d   to ve rify   the   featur es of developed techniqu e.  The dev e lop e d techn i que s u cces s f u l l y   m itigates th e n online a r im pair m e nts from  the nois y  DPSK system  with   significant improvement in BER at lo w power penalty  with th e additional  featur e  of   high Q-factor and an ey e  op en r e sponse for th e r e generated  signal.  It is d e term ined  that  BER  of 10 -12  i s  a c h i e ve d  at  t h e p o w e r  pe na l t y  of  - 14  dBm with Q-factor of 42  and  an ey e open e d response.  Th e dev e loped   techn i que in th e DPSK  sy st e m  is realized  using com m e rcial softwar e   packag e Optis y s tem. The d e sign ed technique will be helpfu l to enhance  the  performance existing high-speed  opti cal  com m unica tion b y   a c h i eving  the   minimum BER at low power  pen a lty . Keyword:  3R  re ge nerat i o n   Bit Erro r Rate   Eye diagram  Op tical reg e n e ratio n  Ph ase Sen s itiv e Am p lifier   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d .  Co rresp ond i ng  Autho r :  Bhag wa n Das,   Faculty of Elec trical an d  El ect ro ni c E ngi neer i ng,   Un i v ersiti  Tu n Hu ssein  On n Malaysia,   Un i v ersiti  Tu n Hu ssein  On n Malays ia (UTHM), 864 00   Par it  Raj a ,  Batu  Pah a t, Joho r, Malaysia.   Em a il: h e 1 3 0 0 9 2 @siswa.u thm . ed u . my       1.   INTRODUCTION  The m odern  o p t i cal  co m m uni cat i on sy st em s req u i r e n o i s el ess hi gh -s pe ed t r ansm i ssi on of  dat a  at  l o n g  di st ance  [ 1 ] .  The  hi g h -s peed t r a n sm i ssi on  of  dat a  ent a i l s , l a unchi n g  of hi g h  p o we r  i n  t h e o p t i cal  fi ber .   The  hi g h  p o w er t r a n sm i ssion i n si de  o p t i cal  fi ber  pr o d u ces  vari o u s t r ansm i ssi on i m pai r m e nt s for e. g .   scattering loss es, linea r a n d  nonlinea r e ffe cts and  ot he rs  i n   [1] .  The s e  t r ansm i ssi on  im pai r m e nt s p r o d u ce  li mitatio n s  to   yield  th e  o p t i m u m  d a ta rate at lon g  d i sta n ce. T h ese tra n s m ission im pai r m e nt s are m i t i gat e d i n   two ways i.e. in the electrical dom ain  or in the optical domain. In the elec trical dom ain,  the degra d ed optical  sig n a l is converted  i n  an  electrical sig n a l  to  m itig ate th ese tran sm issio n  im p a ir m e n t s u s i n g D i g ital sign al   pr ocessi ng ( D SP),  di spe r si o n  com p ensat i n g fi be r ( D C F ) ,  fi ber  bra ggi n g  an d ot hers i n  [ 1 ] .  The el e c t r o n i c   sig n a l  reg e n e ratio n   h a s th e li mited  sig n a l  reg e n e ration  capab ilities in  term s o f  d a ta rate up  t o   5 G b / s  [1]. In th e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN :  2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    85 9 – 8 6 9   86 0 o p tical do m a in , all-op tical sig n a l  reg e n e ratio n   prov id es the sig n a l  reg e neratio n   fo r m o re th an   1 0 Gb /s d a ta  rate [2]. Recently, several  m odulation  form ats are introduc ed to transm it  the signals at long distance . Thes e   m odul at i on f o rm at s  i n cl ude  On -O ff  key i n g  (O OK ), P h as e Shi f t  Key i n g  (P SK ), F r eq uency  S h i f t  K e y i ng   (FS K ) a n d ot h e rs i n   [2] .  F r o m  t h ese  m odul at i on f o rm at s, PSK  fo rm at  has capt u red  t h e  i n t e rest  t o   be u s ed i n   tran sm issio n  syste m s d u e  to its 3 - d B  sen s itiv ity an d  m o re immu n e  to   n o i se du ri n g  transmissio n  [2 ].      2.   LITERATU R E  REVIE W     Recently,  m a ny technique s are deve loped t o  perform  the  optical si gnal  regeneration.  The optical  si gnal  re ge ner a t i on i n   opt i c a l  dom ai n have  been  p r evi ous l y  i nvest i g at ed  t h eo ret i cal l y ,  num eri cal l y  and vi a   sim u l a t i on u s i n g  di ffe rent  t e chni que s [ 3 ] .   These t e c h ni q u es i n cl u d e  2 R  (R eam pl i f y ,  res h api n g )   re gene rat o r   con f i g urat i o n  [ 3 ] ,  3R  (R eam pl i f y ,  resha p i n g,  ret i m i ng) [ 5 ] ,   pha se ext r act i o n,  pum p di t h er i ng,  Sem i cond uct o r   opt i cal  am pl i f ier (S O A ),  fo r m at  conve rsi o n an d  wi t h  bl ack b o x  m ode [3] .   Am ong  t h ese o p t i cal  si gnal   rege nerat i on t e chni que s, t h e  PSA i s   wi del y  i n  use d   due  t o  i t s  seve ral  adva nt age s  suc h  as s u p p o rt s t h e P S K   form at, si m p le  in  d e si g n  and p r ov id es t h e  fu ll con t ro l  d u r in g sig n al re g e neratio n  [3] ,   [4] .   Ho we ver ,  It is  di scuss e d i n  [ 3 ] ,  [4]  t h at  PSA al one i s  not  such so m u ch use f ul  i n  o p t i cal  si gnal  regene rat i o n, t h e  ot her   t echni q u es  m u st  be  use d  t o get h e r  s u ch  a s ;  cl ock  rec o v e ry , i n ject  l o c k i n g a n d  ot he rs i n  [ 2 ] - [ 5 ] .   These   ad d ition a l techn i qu es con s u m e eno r m o u s   power  and  m a k e   d e sign  co m p lex  so  that BER  is d e g r ad ed at  m o r e   penal t y . T h e r e  are  seve ral  al l - o p t i cal  si gna l  rege ne rat i o n  t ech ni q u es a r e p r o p o sed  f o r  di ffe re nt  dat a  rat e ,   m odul at i on  fo r m at s as descri b e d i n  Ta bl e 1 .       Tabl e  1. T h e  e x i s t i n g  o p t i cal  si gnal   rege ne ra t i on t ech ni que   Author  and  Publication y ear  Pr oblem   T echnique used   Advantages/ Disadvantages   Per f orm a nce  analysis   Car l  L undstr o m     ( 2014)  [6]   L i near  and nonlinear   noise m itigation  Phase r e gener a tion  and phase  extinction. BE R of 10 -9 at -9 .3  d B m  Noise m itigation  w ith  am plification and suppor ts  only  O O K  form a t   BER v/s  received power  analysis   Francesca P a r m igi a ni  ( 2014)  [7]   Regener a tion of ph ase  encoded signals   Phase r e gener a tion  of QAM  signal  of two harm onics  of M - ary  using  PSA attained B E R  of 10 - 10  at -9 .1   dB m   Regener a tion is per f orm e d  without phase to am plitude  conver s ion and cannot adjust  am plitude noise    BER analy s is   Ju W a ng ( 2014)  [8 ]   All optical  r e gener a tion for  WDM   sy ste m s    Using optical fiber nonlinearities  achieved the BE R  of 10 -9 .   Rem ove SBS scatter i ng using  single CW  pu m p  and cann’ t  adjust nonlinear noises  BER V/s  OSNR   L i an Jones ( 2015)  [9]   Phase r e gener a tion  of  M - PSK signal    Phase harm onic  r e gener a tion,  r e - sy nthesize of phase has achieved  the BER of 10 - 10  at -9 .6  d B m  Partial  Phase regen e ration is  possible and  m a nage only   phase noise   BER, Ey e   diagr a m  v   Alan E.  Wi llner  ( 2014)  [10]   E n coding o f    Am plitude,  phase,   wavelength,   Polar i zation of an  optical wave     Advanced m M odulation  techniques are used such PSK,  DPSK,  DQPS K ,  Q A M a r e used  for  high speed o p ti cal signal  Per f orm  r e gener a tion,   equalization  BER v/s  received power  analysis   R.  Da m a ni( 2015)  [11]   Optical 3R r e generator   for  optical clock  r ecover y   Optical Clock Recover y  using All- Optical Ke rr shutte r switching  T echniquewith alm o st zer o jitter s   All- optical r e generator  up to  10Gb/s and su ffer s  fr o m  phase  noise dur ing r ecov e r y  of signal  at rece iver.   BER v/s  received power  analysis, Eye   diagr a m   Bill Corcoran (2013)  [12]   Mitigation of  nonlinear  im pair m e nts   PSA with optical n onlinearity  r e m ove over  3dB  noise figur e in  low noise a m plification  Pr ovides onlinear  m i tigation at  high tr ans m ission  power .   Because of  this additional  power  is r e quir e d.    BER v/s  received power  analysis,   Noise f i gure  Masatoshi Kagawa   ( 2012)  [13]   3R regeneration    XPM and F W M b a sed  m u ltilevel  optical 3R r e generation per f orm e d  for  BPSK and OOK signal     Pr ovides ultr a- signal  processing and at the receiver   NPN noise pr oduces  additional losses with each  m odulation form ats  BER analy s is   Z.  Tong (2012) [1 4]  Ch allenges in PSA  SBS  m itigation, pu m p  phase  m odulation,  inject  locking  im p r oves the per f orm a nce of PSA  with m e ntioned  techniques.   Mitigate the SB S e ffect. Phase  noise  m itigation. But still  suffers fro m  AS E  noise at  receiver .   Var i ous  analysis ar e  per f orm e d  Z h iy u Chen ( 2012)   [15]   Ph ase reg e n e ratio n  f o r  PSK signal  PSA with single p u m p sche m e   opti m iz ed BER sig n al fidelity  form  10 -6  input BE R to 10 -9  output  BE R by  setting the power  level of  channel and par a m e ter s  of HNLF  Pr ovides s m all distance and  consu m es less power .   Suffer i ng fr o m   ASE   noise  when high power  is launched  inside fiber .   BER, Ey e   diagr a m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       A New All-Op t i ca l S i gna l Regen e ra tio n Techn i qu e for  1 0  GB/S   DPS K  Tran smissi o n  System   ( B h agw a n  Das)   86 1 Ho we ver ,  t h e  prese n t  t ech ni que s are n o t  c a pabl e e n o u g h  t o  pr o v i d e t h e  opt i cal  si gnal   rege nerat i on   for  h i gh   d a te rate o f  m o re th an   1 0 Gb /s sign als at lo wer BER th an 10 -10  at   t h e l o wer  pe na l t y  of - 9 . 6  dB m  [6] -   [1 5] . T h ere i s  i n t e nse  nee d  t o   devel op t h e t e c hni que s t h at  ca n m i t i g at e no n l i n ear i m pai r m e nt s f o r  hi g h  s p eed  transm ission s y ste m s at low  BER than 10 -10   and  at  l o w  po wer  pe nal t y  t h an  -9 .6  dB m .   In  t h i s   pa per,  t h e  no nl i n ea r t r ansm i ssi on i m pai r m e nt s i . e.  am pl i t ude a n d   pha se  noi ses  a r e m i ti gat e d  fr om  10G b/ s  Di ffe re nt i a l  Phase S h i f t   Ke y i ng ( D P S K )   t r ansm i ssi on s y st em  usi ng  n e w al l - o p t i cal  si gnal   rege nerat i on . The ne w al l - o p t i cal  si gnal  re gene rat i o n t echni que i s   deve l ope d by  i n t e g r at i ng t h e t w o  exi s t i n g   tech n i qu e  on e  is Ph ase Sen s itiv e Am p lificati o n (PSA) an d  o t h e r is  3 R . The PSA techn i qu e is  d e sign ed   u s ing  si ngl e p u m p   con f i g urat i o n  t h at  saves 3 0 %  po wer c o n s um pt i on t h an  t h e exi s t i ng t echni q u es . The 3 R   tech n i qu e  d o e sn ’t requ ire any clo c k  reco very o r   o t h e r  ad d ition a l circuits to   m i tig ate th e no ises fro m  th e  o p tical sign al.  It is  d e term in ed  th at  th e  d e velo p e d  tech n i qu e  h a s  su ccessfu lly m i tig ated  th e am p litu d e  and   pha se n o i s es  fr om  t h e noi sy   10 G b / s  D P S K   t r ansm i ssi on s y st em . The de vel o ped  t ech ni que  at t a i n ed t h e l o w   B E R  at  l o w  p o we r  penal t y   wi t h   hi g h  Q - f a ct or t h a n  t h e e x i s t i ng t e c h ni q u es  di scus sed i n  Ta bl e 1 . I n  t h e ne xt   sect i on, t h e m e t h o dol ogy  i s   di scuss e d t o   p e rf orm  t h e de vel o ped  al l - o p t i cal  si gnal  re gene rat i o n f o r  n o i s y   10Gb/s DPS K   transm ission s y ste m .       3.   METHO D OL OGY   The o p t i cal  si gnal  rege nerat i o n  usi n g p r op os ed t echni que  f o r 1 0 G b/ s D P SK t r an sm i ssion sy st em   is  devel ope d  i n   d i ffere nt   desi g n  st ep  as s h ow n  i n   Fi g u re  1 .  E ach  desi g n  st ep i s   f u rt her  co nsi s t i n g   of  di f f e ren t   i n p u t  bl ock s  t h at  are  di scusse d  next  i n   det a i l .           Fig u re 1 .   DPSK NRZ  tran smitter       It  i s  i l l u st rat e d i n  Fi gu re 1 t h a t  10G b/ s o p t i cal  t r ansm i ssi on  sy st em  i s  designe d usi ng  di ff erent  bl oc k   suc h  as;  P s eu d o  R a nd om  B i nary  Se que nce  ( P R B S ),  NR Z  s i gnal   gen e rat o r ,  co nt i n uo us  w a ve l a ser  si g n a l  and   anM Z IM  m odul at or . Each  bl ock i n   10 G b / s  opt i cal  DPS K   t r ansm i ssi on sy st em   i s  confi g u r e d  by  sel ect i ng t h e   param e t e r val u es t o  gene rat e  t h e 10 G b / s  opt i cal  si gnal .  Thi s  10 Gb/ s   opt i c al  si gnal  i s  gi ven t o  n o i s e em ul at or   bl oc k. T h e n o i s e em ul at or bl ock c o nsi s t s  of  am pl i t ude and  phase m odul a t or t h at  i n cl u d e s t h e am pl it ude an d   p h a se n o i ses i n  th e 10 Gb /s op tical tran smissio n  system . T h ese no ises are in clu d e d  in  the sig n a l to  v e ri fy th e   fun c tion a lity o f  dev e l o p e d   op tical sig n a l  reg e n e ration   tech n i q u e . Th e  dev e lop e d op tical sig n a l  regeneratio n  tech n i qu e u tilizes th e  PSA an d 3 R  techn i qu es. Th e  p e rform a n ce o f  th e  d e v e l o p e d techn i qu e is an aly zed   b y   com p ari ng t h e  B E R  at  pow er pe nal t y , Q- fact or a n d ey e di ag ram  before a n d aft e r  im pl em ent a t i on  o f   devel ope d si g n a l  regene rat i o n  t echni q u e o v e r  de gra d ed si g n al . I n  t h e ne x t , sim u l a t i on set up o f  ne w o p t i cal  si gnal  rege ne ra t i on fo r noi sy  1 0 G b / s  opt i cal  DPS K   t r a n sm issi on   sy st em   i s   di sc usse d.       4.   SIMULATION SET U P  The  new  o p t i cal  si gnal  re ge n e rat i on t e c hni q u e f o r  1 0 G b / s   opt i cal  t r an sm issi on  sy st em  i s  devel o ped   i n  O p t i s y s t e m   as dem onst r at e d  i n   Fi g u re  2.  The  de vel o pe d m odel  co nt ai ns m a i n l y  fou r  desi g n  st age .  The   d e sign  stag e 1   co nsists o f  th e  g e n e ration  o f   10 Gb /s op tical DPSK sign al fo r in itiatin g  the tran sm issio n  o f  th e  si gnal s   usi n g  d i ffere nt   bl oc ks  as di sc usse d a b o v e.  T h e  desi gn  st age  2  co nt ai ns t h e  n o i s e  em ul at i on  pr oc ess t o   in clu d e  t h e no ise in  th e g e n e rated  10 Gb /s optical DPSK  signal. The  design stage 3 i n cludes the de vel o pm ent  of  pr op ose d  si gnal  re ge nerat i on.  In t h e de si gn st e p  4,t h e per f o r m a nce of d e vel ope d  si gnal  re gene rat i o n   technique is analyzed by defi ningth e BER,  an eye diagra m and Q-factor  bef o re an d af t e r si gnal  re ge nerat i o n   tech n i qu e. Each  design  step is d e v e lop e d b y  u tilizin g  th e  differen t  b l o c k   av ailab l e in   optisyste m   lib rary. Th e  di ffe re nt  bl oc k s  are con f i g ure d  by  defi ni n g  t h e par a m e t e rs  i n  t h e com pon ent s  bl oc k p r o p ert y . The  opt i s y s t e m   bl oc k  fo r  di f f e r ent  c o m pone n t s pr o v i d es  t h e  wi de  ra n g e  o f   val u es  t o  sel ect  fo r eac h c o m pone nt . Fi g u re  2   descri bes t h e  sy st em   m odel  of  o p t i cal  si gnal   reg e ne rat i on t e c hni que  fo r  noi sy   1 0 G b/ s  o p t i cal  DPS K   tran sm issio n  syste m . It illu strates th at  first  1 0 Gb /s  o p tical sign al is  g e n e rated   u s i n g PR BS sequ en ce,  NRZ  10Gb/s   Opti c al   DPSK   Tran sm ission   system   External   Noise   addi ti o n   in   10Gb/s   DPSK   tran sm ission   system   Apply   Proposed   all ‐ optical   sig n al   reg e neration   technique   over   noisy   transm iss i on   sy st em   Per f o r mance   analysis   at   rec e iver Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN :  2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    85 9 – 8 6 9   86 2 si gnal  ge ne rat o r ,  l a ser si g n al  and a m odul a t or.  Aft e r t h at ,  t h i s  opt i cal  si gnal  i s  de gra d ed by  n o i s e e m ul at or  using am plitude a n d phase  m odulator. This noisy si gna l  is optically regene rated and  noise m itigation i s   achi e ve d usi n g   t h e de vel o ped   t ech ni q u e.  The optical signal is converte d i n   the electrical signal to anal yze the   per f o r m a nce of de vel o ped re gene rat i o n sy st em  usi ng B E R ,  Q- fact o r  an d an ey e di agra m .  In t h e ne xt  sect i o n ,   each m odel is  discuss e d in  de tails with its  pa ram e ters section a n d worki n g  mechanism .           Fi gu re  2.  Si m u l a t i on set u p i n   Opt i s y s t e m  of  new  o p t i cal  si g n al  re ge nerat i o n t ech ni q u e  f o r  1 0 G b / s   transm ission s y ste m     4.1. 10Gb/s   O p tical DPS K  Transmissi on s  System    The 1 0   Gb/ s   opt i cal  DP SK  t r ansm i ssi on sy st em  cont ai ns t h e  10 G b / s  Pseu do R a n d o m  Bi nary   sequ en ce at th e b it rate o f   10 Gb /s. Th e g e n e rated  sequ en ce is g i v e n  to   NRZ  sig n a l  g e n e rator th at produ ces th e  1 0 Gb /s DPSK- NRZ  sign al. After th at, a  co n tinuo us la s e r si g n al  i s  ge nerat e d o f   15 5 0  nm . B o t h   1 0 G b / s   DPS K -  NR Z si gnal  an d l a s e r si gnal  are  m odul at ed usi ng Li Nb O 3 M Z IM  m odul at or . In Fi gu re  2, t h e   arra ngem e nt  o f  ge ne rat i ng t h e 10 G b / s  o p t i c al  si gnal  ca n  be see n . T h e  10 G b / s  o p t i cal  DPS K  t r a n sm i ssi on  sy st em  i s  confi g u r e d   usi n g  pa ram e t e rs defi n e d i n  Ta bl e 2 .                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       A New All-Op t i ca l S i gna l Regen e ra tio n Techn i qu e for  1 0  GB/S   DPS K  Tran smissi o n  System   ( B h agw a n  Das)   86 3 Tabl e 2. Param e t e rs  u s ed   f o r   g e nerat i n g  t h e 1 0 G b / s  opt i cal  DPS K   si gnal   Para m e ters    Valu es   Bit Rate  10Gbps   Nu m b er  of leading zer os   ( T i m e window * 3  / 100 )  * Bit r a te  Nu m b e r  of trailing  zeros   (Ti m e window * 3  / 100 ) * Bit rat e   Operation m ode   DPSK  sequence  w ith Mark P r obability of 0.5  Pulse shape  Gaussian Wave   Am plitude 10  a. u  Bias 0. 1  a. u  Rise T i m e   0. 05 bit   Fall T i m e   0. 05 bit   Continu ous- w ave L a ser   Fr equency  1550 nm   CW  laser  Power  0. 001 W   CW lase r linewidt h   10 MHz   M Z M   m odulator  s y m m etr y  factor  - 1   M Z M   m odulator  n e gative chipped value  enabled  M Z M   m odulator   Extinction  r a tio  30 dB       4. 2.  N o i s e E m ul ati o n i n  1 0 G b / s  Op ti cal   D P SK  Si gn al   N o n lin ear  ph ase n o i se an d   Am p l itu d e  Spontan eou s  Em issi o n   ( A SE)   n o i ses ar e ex tern ally in ser t ed  in  10 G/ b  opt i cal  DPS K  si g n al  t o  t e st  t h e deve l ope d al l - o p t i cal  si gnal  rege n e rat i o n .  The a m pli t ude an d pha s e   noi se a r e ge ne rat e d  usi n g am pl i t ude a nd  p h a se m odul at ors  respect i v el y .   I n  Fi g u r e 2 ,  i t  i s  dem onst r at ed  t h at   am pl i t ude  noi s e  has  t h e l e vel   of  7  dB  a n d  ph ase n o i s e  has t h e l e vel   o f   20   dB .     4. 3.  New   Al l - Opti c a l  Si g n al  Re gener a ti on  T echni que  f o r 1 0 Gb/ s  N o i s y O p ti c a l  DP S K  Si g n al   New all-op tical sig n a l  reg e n e ration  tech niq u e  is   d e v e lop e d b y  in teg r atin g  th e Ph ase Sensitiv e  Am pl i f i cat i on (PS A ) a n d 3R  (R eam pl i f i cati on, R e s h a p i n g  and R e t i m i ng) re gene rat i o n  t echni q u e.  Fi g u re  3  sho w s  t h e  o p t i s y s t e m   m odel  f o r  de vel o pe d  o p t i cal  si gnal   re gene rat i o n t ech ni q u e.           Fi gu re  3.  O p t i s y s t e m  M odel  o f  N e w  o p t i cal  si gnal   rege ne rat i on t e c hni q u e         The  1 0 G b/ s  n o i s y  o p t i cal  si g n al  i s   gi ve n t o   PSA  m odel .  T h e P S A  m odel   cont ai n s  t h e  H N LF  fi be r  o f   0. 5 km  l e ngt h t h at  generat e s  t h e di ffere nt  spect ral  co m pone nt s usi ng  d e gene rat e d F W M .  It  i s  defi ned t h a t   opt i cal  si gnal  i s   m odul at ed at  15 50  nm  and pum p si gnal  h a s t h e wavel e n g t h  o f  1 5 51 n m . When  bot h  t h ese  sig n a l are inj e cted  in  HNLF fi b e r it g e n e rates th e id ler signal at 1 5 5 0 . 5  nm as d i scu ssed in  [7 ]. Du e to   FW M  the  various  s p ectral com p onents a r e  gene rated at    ,     ,      and   2  .  The  F W M  c o m ponent s t h at   sat i s fy  t h e  pha se m i sm at ch fact or  ∆ 2   [9 ] with  in -p h a se  g a i n   i n   th e sig n a l is filtered  ou t. Here th e n o i sy 1 0 Gb /s o p tical  sign al is reg e n e rated  at 1 5 5 2 . 6   n m  wav e len g t h  with   i n - phase  gai n   o f   3  dB  usi n g E quat i o n  ( 1 ) a n d  ( 2 )  [ 9 ] ;     ∅ 2 1 2 cos ∅ 2 ∅ 2 cos ∅ 2 cos 2∅     ( 1 )      ∆             (2 )     Whe r e  ѵ  is the o p tical frequen c y, PP is t h e p u m p  po wer, Ps is th e si gn al pu m p  p o wer,  ∆ k  is th e  pha se m i s m atc h  fact or,  s  is th e p h a se of th e  10 Gb /s no isy optical DPSK si gn al,  n  i s  t h e pha se of s p ect ral   com pone nt s at  w h i c h  si gn al   i s  re ge nerat e d    an d   ̅  is t h e  n o n lin ear co efficien t.  Th e  op tical filter h a s the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN :  2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    85 9 – 8 6 9   86 4 wavel e ngt h o f  15 5 1  nm  and ban d w i d t h   of  10  GHz . In P S A , p h ase c h an ges f r om   ɸ s  =0 to  π  o f  p u m p  a s  i n   equat i o n  ( 1 )  re l a t e s t o  s h i f t i n g t h e m odul at i o n  by  ½  pum p  peri od ,  whi c h i s  eq ui val e nt  t o  1/ 4  si g n al   peri od .  I n   one  q u a d rat u re  am pl it ude  of  t h e si gnal   wa ve  co rres p on di n g  t o  t h e   ɸ s  = zero , t h e si g n a l is  a m p lified  b y  a  g a in  by  g   but  i n  sec o n d   q u ad rat u re  co rres p on di n g  t o   ɸ s  = π  am p litu d e  is  d eam p lified  1 / G(s). Th is is  ho w th e  p h a se  noi se  i s  r e m oved  usi n g  PS A.  The   opt i m u m  val u e  of  p h as e i s  cl ose  t o  3 π /2 beca use  s p ectrum  then e xhi bits   t w o  peak s wi t h  a shar p  di p at   t h e o r i g i n al   wa vel e n g t h .   The  PSA i s   desi g n e d  usi n g si n g l e  pum p co nfi g u r at i o n   th at sav e s add itio n a l  3 0 %  p o wer fro m  p r esen t sch e me d e scrib e d in  Figu re 3. Th e  p h a se sen s itiv e  a m p lificatio n  p r o cess rem o ves  th e p h ase no ise  fro m   n o i sy  o p tical  signal,  bu t  th e  am p litu d e  no ise  i s   stil l   prese n t  i n  t h e  si gnal .  T h e a m pli t ude n o i s e i s   m i t i g at ed usi n g 3R   reg e nerat i o n t ech ni q u e as de fi n e d i n   Equ a tio n (2 ) [13 ] ;    0,              ( 3 )     The  3R   re gen e rat i o n  t ech ni que  i n  o p t i s y s t e m  i s  devel o ped  i n  di ffe re nt  st ep s.  In  t h e fi rst   st ep,   PSAsi g n a l is  rea m p lified  u s i n g   op tical a m p lifier EDAF, t h e  sig n a l is  ream p l ified  to  raise th e lev e l  o f   no ise so  t h at  noi se a n d  si gnal  ca n be e a si l y  di st i ngui s h ed . I n  t h e se c o n d  st e p  t h e  re am pl i f i e d si g n a l  i s  resha p ed  usi n g  raised  co sin e   filter so  t h at  sig n a l can   b e  sm o o t h  and  t h e ed g e s should  b e   rem o v e d .   A t  th is stag e, t h e   am pl i t ude noi se i s  rem oved  usi ng t h e res h api ng a nd  re am pl i f i cat i on t echni que s. Th e si gnal  i s  del a y e d   because the raised c o sine  use s  the  Kaise r  wi ndow which  has the lim ited  bandwidth a nd window  range .  In the   th ird step , th e  ream p lified  and  resh ap ed  si gn al is re t i m ed usi n g si ngl e i n t e rfer o m e t e r d e vel o ped  u s i n g  di rect   decision m e thod.  Table  3 illus t rates the  para m e ters use d  to  devel o p the  optical signal re generation tec h nique.        Tabl e  3.  Param e t e rs u s ed  f o r  n e w  opt i cal  si g n a l  rege ner a t i o n  t echni que   All-optical signal regeneration stage  Para m e ters   Values          Re-a m p lification s t age  Cor e  Radius  2. 2  μ  m  Nu m e ric a l Ape r tur e   0.24  L e ngth 5  m   L o ss 0. 1  dB/Km   M a x.  I t er ations   50   Noise thr e shold  - 100 dB       Reshaping Stage   Roll of f factor  of   0. 25   Truncate the filter  6 sym bols   order of the filter  3  T s  is the Sa m p ling per i od  1  η S    Pu m p  Configur ati o n   Pu m p  fr equency  1550 nm   Pu m p  Power  100  m W               Highly  Nonlinear  f i ber   Fiber  L e ngth  50  m   Fiber  L e ngth T o lerance  ± 3  Cutof f  W a velength  < 1650 n m   Disp ersio n   -2 .5  to  +2 .0  p s /(n m · k m )   Disper sion Slope  0. 019 ± 0. 004 ps/( n m ²· k m )   Attenuation  ≤  0. 90 dB/k m   Non-Linear Coef f i cient  (T ypical)   11. 5 W - 1• k m - 1     Optical Gaussian filter  Fr equency 1550  nm   Bandwidth  10  GHz  Retim i ng Stage  Using decision dir ect  m e thod      Low Pass Filt er  Cut- of f fr equency   1. 89 GHz  Depth   100 dB   Or der 3      The  dev e l o ped  t echni que  re g e nerat e s t h e  no i s y  10 Gb/ s   o p t i cal  si gnal  wi t h  i n -p hase  gai n   usi n g P S A   and  ream i ng noi se a r e m i t i gat e d  usi n g 3 R . The  per f o r m a nce of  dev e l ope d o p t i cal  si gnal  re ge ne rat i o n   technique is analyzed by conve rtin g the optical signal in the electr oni c si gnal  usi n g  ph ot o d et ect or . The   perform a nce is  analyzed using BER an alysis, Q-factor and eye diagram  a v a ilab l e in  Op tisyste m .  In  th e n e x t   section, res u lts that contain the res p onse s  for each  desi gn stage a r e  discuss e d.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJECE   ISS N :  2088-8708      A New All-Op t i ca l S i gna l Regen e ra tio n Techn i qu e for  1 0  GB/S   DPS K  Tran smissi o n  System   ( B h agw a n  Das)   86 5 5.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   The n o n l i n ear  t r ansm i ssi on im pai r m e nt s are  m i ti gat e d usi ng  new  opt i cal  si gnal  rege nerat i o n   tech n i qu e  fo r  no isy 10 Gb /s  optical tran sm issi o n  system . Th e resp on se of t r an sm itted  1 0 Gb /s  PRBS seq u e n c e  and laser signal use d  as  carrier signal are   descri bed in  Fig u r e   4  an d in Figu r e  5 r e spectiv ely. Th is  PRBS  seq u ence i s  m i xed wi t h  l a se r si gnal  an d g i ven t o  M Z IM   m odul at o r  t o  pr o duce t h e  1 0 G b / s  o p t i cal  si gnal   sho w n i n  Fi gu r e  6.           Fig u re  4 .  Respo n s e  o f  t r an sm itted  1 0 Gb /s PRBS           Figure  5. Laser signal           Fi gu re  6.  M o d u l a t e d si gnal   o r   10 Gb/ s  o p t i cal  si gnal       Thi s  o p t i cal  si gnal  i s  t r a n sm it t e d ove r l o n g   di st ance d n o i s y  fi ber l i n k  of  15 0  km . The 1 0 G b / s   opt i cal   DPSK sign al is d e grad ed   d u ring  tran sm issi o n  as sh own  in  Figu re  7 .  Th e tran sm itted  PRBS seq u e nce as  sho w n i n  Fi gu r e  4 i s  de gra d e d  as  descri bed  i n  Fi gu re  8.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN :  2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    85 9 – 8 6 9   86 6     Fi gu re 7.   R e sp ons e of de gra d ed opt i cal   si g n a l           Fi gu re 8.   R e sp ons e of de gra d es  PR B S   se q u e n ce       Whe n  t h e  de gr aded  o p t i cal  si gnal  i s  gi ven  t o   new   opt i cal  s i gnal   rege ne rat i on t e c h ni q u e,  t h e si g n al  i s   success f ully regene rated a nd  also bot h am plitude and phas e noises are m i tig ated for the degra d ed signa l . The  r e spon se  o f  PSA  m o d e  is show n in   Figu r e  9.          Fi gu re  9.  R e sp ons e  of  PS A m odel   use d  i n   de vel o ped  o p t i cal  si g n al  re gene r a t i on t e c hni que           Fi gu re  9.  R e sp ons e  of  3R   reg e nerat i o n m o d e l  use d  i n  de ve l ope d  opt i cal  si gnal   re gene rat i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       A New All-Op t i ca l S i gna l Regen e ra tio n Techn i qu e for  1 0  GB/S   DPS K  Tran smissi o n  System   ( B h agw a n  Das)   86 7 The optical signal receive d at the  end of de veloped  optica l  signal re ge ne ration m ode i.e. at the end  of  3R  re ge nera t i on st age i s  c o nve rt ed  i n  the  electrical signa l using photo diode . T h e electrical signal rece ived  at th e en d  of a p h o t od iod e  is an alyzed  u s i n g o s cillo scop e av ailab l e in  op tisyste m  e l ectric a l v i su alizer lib rary.  The  res p onse  of recei ved PRB S  seque n ce is  de m onstrated in Figure  10.          Fi gu re  1 0 . R e s p o n se  o f   rege n e rat e d  PR B S  s e que nce  usi n g   new  o p t i cal  si g n al  re ge nerat i o n t ech ni q u e       The system perform a nce is analy zed usi ng  B E R ,  Q- fact o r  and a n   eye diagram  calculate d be fore a nd  aft e r  opt i cal  si gnal   rege ne rat i o n  t ech ni q u e.  Fi gu re  11  dem onst r at es t h e B E R ,  ey e di a g ra m  and Q- fact o r  bef o re   al l - opt i cal  reg e nerat i o n.  It  i s  defi ne d t h at   B E R  of 1 0 -5 ,  Q-factor was  9  with   j itters in  th e eye d i agram   is  reco rde d  i n  t h e resp o n se.  W h en t h e de vel o ped si g n al  reg e nerat i o n t ech ni q u e i s  i m pl em ent e d o n  de gra d e d   signal the BE R, Q-factor and eye diagram responses are  im pro v ed as  d e scri be d i n  Fi g u re  12 . It  i s  re cor d e d   t h at  aft e r ap pl y i ng t h e  new  op t i cal  si gnal  reg e nerat i o n t ech ni q u e B E R  of  10 -12 ,  Q-factor 4 2   with  less j itters i n   th e reg e n e rated  si g n a l is achiev e d is  o f   42 . Th e sign if ican t im p r o v e m e n t  is  record ed  in  BER,  Q-facto r  and  ey e di agram  pat t e rn f o r  noi s y  10  Gb/ s   DP SK t r a n sm i ssion sy st em . Fu rt herm ore, t h e  am pl i t ude n o i se i s   red u ce d f r om  7  dB  t o   0. 9  d B  and  p h ase  n o i s e re d u ced  f r om  20  dB  t o   1. 3  dB .  Usi n g  t h e p r op ose d   opt i cal   si gnal  r e ge ner a t i on t ech ni q u e  t h e am pl i t ude noi se i s   re d u ced  8 7  % a n d p h ase  n o i s e  i s  red u ce d 9 2 %  fr om   noisy 10Gb/s DPS K   system .          Fi gu re  1 1 . B E R  an d Ey e  di ag ram  befo re a p p l y i ng ne w  o p t i cal  si gnal   re ge nerat i o n t e c hni que  o v e r   deg r a d ed   si gnal         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN :  2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    85 9 – 8 6 9   86 8     Fi gu re  1 1 . B E R  an d Ey e  di ag ram  aft e r ap pl y i ng  ne w  opt i c a l  si gnal   rege ne rat i o n  t ech ni q u e  o v er  de gra d e d   si gnal       6.   CO NCL USI O N   In t h i s   wo rk , t h e  opt i cal  si g n a l  rege nerat i on  i s  pe rf orm e d  ove r  n o i s y  1 0 G b/ s  o p t i cal  D PSk  sy st em   usi n g t h e  ne w  devel ope d si gn al  rege nerat i o n  t echni que . T h e devel o ped  o p t i cal  si gnal  re gene rat i o n t echni qu e   si gni fi ca nt l y  i m prove d t h e  B E R  at  l o w  p o we r  penal t y   wi t h   hi g h  Q - f act or t h an e x i s t i ng t e c hni qu es. T h e   d e v e l o p e d  tech n i q u e  prov i d es th e  reg e n e ratio n  an d no is e  mitig atio n   fo r h i gh  d a ta rate  d e grad ed sig n a ls  with ou t co nv ertin g  th e sign al  fro m  o p tical to  electrical  dom ai n. T h e  desi g n ed  sy st em  wi ll  be  usef ul   fo r  hi g h   sp eed  co mm u n i catio n  system s  in  reg e n e ratin g  th e l o ng d i stan ce  with n o i se m itig ati o n. In   fu t u re,  th e n e w  opt i cal  si g n al  r e gene rat i o n ca n be e n hance d  t o  p r o v i d e t h e  opt i cal  si g n al  rege nerat i on  f o r  ot he r m odul at i on  fo rm ats.       ACKNOWLE DGE M ENTS  Th is  work is su ppo rted  b y   Un iv ersiti Tun   Hu ssei n  On n  Malaysia  (UTHM),  Malaysia un d e r  g r an ts  Research   Accu ltu ration  Co ll ab orativ e Effort (RACE)  g r an t n o . {vo t 14 37 }& Po stgr aduates I n cen tive G r an t   ( G I P S)  {U 168}.      REFERE NC ES   [1]   L.N. Binh , "Optical fiber communication s y stems with Matlab and Simulink mo dels", 2 nd  editio n, CRC Press, p p .  30-200, 2014 .  [2]   M.Matsumoto, "All-optical DQPSK  signal regen e ration using 2R  amplitude reg e n e rators",  Opti cs  Expr es s , vol. 18 ,  pp. 10-24 , 2010 .  [3]   D.J. Rich ardson,  et al .  "Advanc es in Opti ca l Si gnal Proc essing Ba sed on Phas e Sensitiv e Par a m e tric Mix i ng",   Nonlinear Photo n ics , pp . NM3C- 1 , 2012 .  [4]   T. Roethlingsho efer,  et a l . ,  "All- Optica l  Multi lev e l Am plitude  an d Phase Regen e r a tion",  in  IEEE Photonics  So ciety  Summer Topical Meeting  Series   2014 , pp .89-90.  [5]   C. Yu,  et  al ., " W avelength-shif t-free 3R r e generator for  40-Gb/s  RZ s y stem b y   optical p a ra metr ic amplification  in   fiber",  IEEE pho tonics  techno log y  letters , vol. 18 pp. 2569-2571 ,  2014.  [6]   C. Lundstrom ,  et al., "Phase and am plitude characterist ics of  a phase-sensi ti ve am plifi e r op erat ing in g a i n   saturation", Optics Express,  vol.  19: pp. 21400-2 1412, 2012 .  [7]   F.  Pa rmigia ni,   et al .,  "All-opti cal ph as e  and  am p litude  regen e rator  for nex t - g eneration telecommunications   s y ste m s",   Natur e  Pho t onics , vol. 4, pp. 690-695,  2014.  [8]   J. Wang,  et a l ., "4×  160-Gbit/s m u lti-chann e l  r e generation  in a single  fib e r",  O p tics e x press , vol. 22, pp . 1145 6- 11464, 2014 .  [9]   L. Jones,  et al .,  "Phase regener a tion of an M-PSK signal using  partial reg e ner a tion of  its M/2-PSK second phase  harmonic",  Optics Communications , vol. 334, pp . 35-40 , 2015 .  [10]   A.E.  W illner ,  et al. , "All-optical  signal pro cessin g ",  Journal of  Lightwave  Techno log y , vo l. 32, pp. 660-680, 2014.  [11]   R. Damani,  et al ., "Alm ost Z e ro-Jitt er Opti c a l Clo c k Re co ver y  Using All - Optica l  Kerr  Shutter Switch i ng  Techn i ques " ,  Jo urnal of Ligh twave Technolog y , v o l. 33 , pp . 1737- 1747, 2015 .  [12]   B. Corcor an,  et  al ., "Mitigation   of nonlinear  im pairm e nts on QPSK  data in ph ase- sensitive  am plifi e d links", in  39 th   European Conference on  Optical Communi cation  and Exhibition ,   ECOC 2013, Lo ndon , 2013 .  [13]   M.  Kagawa  et al. ,   "Multi-form at  all-opt ic al-3R-r e genera tion te chn o log y " ,   OKI T e c hnical  Re vi ew , v o l. 79 , 2012 .  [14]   Z. Tong,  et al. , "Ultralow noise,  broadband phase -sensitive opti c a l  am plifiers, and t h eir appli c a tions ", IEEE Journal  of Quantum Electronics Selected   Topics, vo l. 18,  pp. 1016-1032 ,  2012.  [15]   Z. Ch en,   et  al ., "Phase sensitiv e am plifier for  PSK signals b a sed  o n  non-degen e rat e  four-wav e-m i xing in  the opti c al   fiber",  Optics  Communications ,  vol. 285 , pp . 244 5-2450, 2012 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.