I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   10 ,   No .   3 J u n e   2 0 2 0 ,   p p .   2513 ~ 2 5 2 2   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / ijece . v 10 i 3 . p p 2 5 1 3 - 2 5 2 2           2513       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m/in d ex . p h p /I JE C E   Co mpa riso n of  c o herent   o ptical  t ra nsm iss io s y stem p erforma nce  by   DP - Q AM   l ev els       Abdu l G a f ur 1 M.   S.  I s la m 2 Sy ed  Z a hid ur  Ra s hi d 3   1, 2 De p a rtme n o P h y sic s,  Ja h a n g i rn a g a Un i v e rsity ,   Ba n g la d e sh   1, 3 De p a rtme n o El e c tro n ic an d   T e lec o m m u n ica ti o n s E n g i n e e rin g ,     In tern a ti o n a Isla m ic Un i v e rsity   Ch it tag o n g ,   Ba n g lad e sh       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   25 ,   2 0 1 9   R ev is ed   No v   5 ,   20 19   Acc ep ted   No v   25 ,   2 0 19       In   th is  p a p e r,   we   i n v e sti g a ted   t h e   Co h e re n t   Op ti c a Tran sm issi o n   S y ste m   (COTS p e rf o rm a n c e   fo m u lt i p le  t y p e o DP - QA M   lev e ls  c o n sid e ri n g   v a rio u CW   las e in p u p o we r.   We  c o m p a re d   th e   p e rfo rm a n c e   o COTS   fo 1 0 0   G b /s  with   DP - 3 2 QA M ,   D P - 6 4 QA M   a n d   DP - 1 2 8 QA M   re sp e c ti v e ly .   We  a lso   i n sp e c ted   t h e   re latio n s h ip   a m o n g   Op t ica S i g n a to   N o ise   Ra ti o   (OSNR),   Err o Ve c to r   M a g n it u d e   (EVM a n d   B it   Err o r   Ra te  (B ER)  wh ich   a re   fo u n d   in   a c c o rd a n c e   f o b o t h   sim u latio n   c u r v e a n d   c o n ste ll a ti o n   d iag ra m s.  Re su lt a re   o b tain e d   b y   e x p e rime n ts  wit h   DP - 3 2 Q AM,   DP - 6 4 QA M   a n d   DP - 1 2 8 QA M   m o d u latio n tec h n i q u e a s y m b o r a te  o 1 0   G sy m b o l/ s,  8 . 3 3   G sy m b o l/ s   a n d   7 . 1 4 2   G sy m b o l/ re sp e c ti v e ly .   T h is  wo r k   is  c o m p lete ly   b a se d   o n   sim u lati o n   i n   Op ti s y ste m   sim u latio n   se tu p .   K ey w o r d s :   B E R   DP - QAM   E VM   OSNR   Co p y rig h ©  2 0 2 0   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ab d u l G af u r ,     Dep ar tm en t o f   E lectr o n ic  a n d   T elec o m m u n icatio n   E n g i n ee r i n g ,   I n ter n atio n al  I s lam ic  Un iv er s ity   C h ittag o n g ,   Ku m ir a,   C h ittag o n g - 4 3 1 8 ,   B a n g lad esh .   E m ail: a g af u r _ c o x @ y ah o o . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   At  p r esen t,  r ea lizin g   h ig h e r   b i r ates,  ca p ac ity   an d   lo wer   c o s p er   b it  f o r   lo n g   h a u co h e r e n o p tical  tr an s m is s io n   s y s tem s   ( C OT S)  ar le ad in g   r esear ch   in ter ests   [ 1 ,   2 ] .   I is   well  k n o wn   th at  u p   to   1 0   Gb /s   On - Of f   Key in g   ( OOK)   with   ass o cia tio n   o f   eith er   r et u r n - to - ze r o   ( R Z )   o r   n o n - r etu r n - to - ze r o   ( NR Z )   m o d u latio n   tech n iq u wo r k s   v er y   well  f r o m   tr an s ce iv er   p o in t o f   v iew.   B u t f o r   h ig h er   d ata  r at es,  th ese  m o d u latio n   f o r m ats  also   s h o s o m d r awb ac k s   s u ch   as  s p ec tr al  in ef f icien cy   a lo n g   with   lin ea r   a n d   n o n lin ea r   e f f ec ts   o f   o p tical   f ib er   [ 3 ] .   Fo r   C OT S,  th p ar am eter s   u p o n   wh ich   ef f icien cy   r elies  o n   ar e   ca p ac ity ,   o p tical  lin k   d is tan ce ,   s p ec tr al  ef f icie n cy ,   b an d wid t h   o f   th c h an n el   an d   o p tical  s y s tem   d esig n   [ 4 ].   C o n s eq u en tly ,   ad v a n ce d   m o d u latio n   f o r m ats  ar ex te n s iv ely   ap p lied   f o r   m ee tin g   co n tin u o u s ly   g r o win g   d e m an d s   in   C OT [ 5 - 7 ] .   Mo r eo v er   C OT h as  th m er its   o f   an ti - p o lar izatio n   d is p er s io n   an d   b etter   s en s itiv ity   in   th r ec eiv e r     wh ich   is   n o th e   ca s f o r   d ir e ct  d etec tio n   m o d u latio n   tech n iq u e .   Als o   C OT is   co m p atib le  with   Mu lti  lev el   m o d u latio n   f o r m at  an d   h as b etter   s p ec tr al  ef f icien c y .   Du e   to   th ese  ad v an tag es,  C OT is   em p lo y ed   in   DW DM   s y s tem s   [ 8 ].   B esid es   QAM   h as   th ca p ab ilit y   to   o b tain   v er y   h ig h e r   s p ec tr al  ef f icien cy   o v er   o p tical  f r eq u en c y   b an d s   [ 9 ] .   T h u s   DP - QAM   is   o n o f   th p o ten tial  m o d u latio n   ca n d id ates  f o r   C OT [ 10 ] .   DP - QAM   m o d u latio n   lev els  ar wid ely   em p lo y e d   f o r   s atis f y in g   in cr ea s in g   d em an d s   o f   h ig h er   s p ec tr al  ef f icien cy   as   well  as  h ig h er   ca p ac ity   wh e r ea s   it  also   s h ield s   ag ai n s lin ea r   an d   n o n lin ea r   af f ec ts   in   o p tical  f ib e r s   [ 11 ] .     T h is   m o d u latio n   f o r m at  is   an   o p er at o r   f o r   b o th   th a m p litu d an d   p h ase  alter atio n   alo n g   with   d u al   p o lar izatio n   in   t h C OT [ 1 2 ] .   Fu r th er m o r Du al  p o lar izatio n   QAM   p r o v id es  h ig h e r   b its /s y m b o r ate  wh ic h   u ltima tely   lead s   to   ef f icien t   u t ilizatio n   o f   th f r eq u en cy   s p ec tr u m   [ 13 ].   On   th c o n tr a r y ,   m o r in s p ec tio n   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 J u n e   2 0 2 0   :   2 5 1 3   -   2522   2514   s af g u ar d in g   ar e   m u s f o r   Du al  p o lar izatio n   QAM   [ 1 4 ] .   I n   s itu atio n s   wh er o p tical  ch a n n els  ar im p air ed   b y   am p lifie d   s p o n tan eo u s   e m is s i o n   ( ASE)   n o is es,  th er r o r   v e cto r   m ag n itu d ( E VM )   an d   t h o p tical  s ig n al   to   n o is r atio   ( OSNR )   p lay   a   p iv o tal  r o le   in   m ea s u r i n g   th p er f o r m an ce   o f   t h o s o p tical  ch an n els   [ 2 5 ] .     B y   th s am e   to k en ,   it  is   v er y   m u ch   im p o r tan t   to   p o r tr ay   o p tical  I - tr a n s m itter s   [ 1 5 ].   Sti ll  n o w,     th in ter ac tio n   o f   B E R   an d   OSNR   with   r esp ec to   E VM   is   n o well  ascer tain ed   in   C O T [ 16 ] .   Mo r e o v er ,   E VM   is   b etter   m etr ic  th an   B E R   wh en   s y m b o s eq u en ce s   a r u n k n o wn .   T h er eb y   ass o ciatio n   b etwe en   E VM   an d   B E R   ar h ig h ly   m o m en to u s   f o r   C OT [ 15 ] .   I n   th is   p ap er   th ef f ec o f   n o n lin ea r   d is t o r tio n   o n   DP - QAM   b ased   C OT wa s   an aly ze d   in   Op tis y s tem   s o f twar en v ir o n m en t.  I n   ca s o f   QAM ,   in f o r m atio n   en co d i n g   is   d o n o n   a m p litu d a n d   p h a s wh ich   r eq u i r ed   v er y   s o p h is ticated   an aly s is   an d   q u a n tizatio n   tech n iq u e     to   m ea s u r th e   ef f icien cy   o f   C OT [ 17 ].   E VM   an d   OSNR   ar wid ely   ap p li ed   p ar am ete r s   f o r     ev alu atin g   th e   p er f o r m a n ce   o f   C OT wh er th o p tical  ch an n els  ar ad v er s ely   af f ec ted   b y   ASE  n o is an d     I - tr an s m itter s   [ 17 ].   W ith   th h elp   o f   E VM   we  c an   ca lcu late  th d e v iatio n   o f   ac tu al  r ec eiv ed   d ata  f r o m   th e   ex p ec ted   v alu o f   d em o d u lated   d ata  [ 18 ] .   B u s ig n al - to - n o is r atio   ( SNR ) ,   E VM   an d   B E R   o r ig in ally   d er iv ed   wir eless   d ig ital  c o m m u n icatio n s   wh ich   ar n o c o m p atib le  with   o p tic al  co m m u n icatio n s   s y s tem s   [ 5 ].   Pro p er   alg o r ith m   o f   C OT is   n ec ess ar y   f o r   a cc u r ately   v alid atin g   th i n ter d ep en d e n cy   b etwe en   E VM   a n d   B E R   [ 1 7 19 ].     T h p r im p ar a m eter s   th at  wer an aly ze d   h er ar I n p u tr an s m itti n g   p o wer ,   p r o p ag ati o n   o p tical  len g th ,   E VM ,   B E R   an d   OSN R .   Pro p er   in v esti g atio n   o f   E VM   is   a n   in ev itab le  wh ich   n ec ess itat es  th d er iv atio n   o f     an   an aly tical  clo s ed   f o r m   ex p r ess io n   f o r   E VM   [ 2 0 ].   I n   a d d it io n   to   th at  s im u lated   o u tp u ts   o f   th co n s tellatio n   di ag r am s   f o r   x   p o lar izatio n   an d   y   p o lar izatio n   wer f o u n d   in   ac co r d an ce   to   o u r   f in d in g s .   W d er iv ed   n o v el   ex p r ess io n   p r esen tin g   th e   r elatio n s h ip s   am o n g   E VM ,   OSNR   an d   B E R   f o r   th d esig n ed   tr an s m itter   r ec eiv er   o f   th C OT S.  T h en   we  d esig n ed   th alg o r ith m   f o r   s im u latio n   f lo r ep r esen tin g   t h co m p let s im u lated   C OT S   ar ch itectu r e.   W p r esen ted   o u r   s im u latio n   r esu lts   alo n g   with   co m p ar is o n   tab le  co n tain in g   th ex is tin g   wo r k s   an d   th er e b y   v alid atio n   o f   o u r   f in d in g s   f r o m   th s im u lated   C OT is   s h o wn .   T h is   p ap er   is   d ec o r ated   as f o llo ws :   I n   Sectio n   1 ,   in   th in tr o d u cti o n   p ar t   we  p r o v id ed   b ac k g r o u n d   with   liter atu r r ev iew,   th p r o b lem   s tatem en t   an d   o u r   n o v el  an aly tical  ex p r ess io n   wh er th in ter ac tio n   am o n g   B E R ,   OSNR   an d   E VM   ar p r esen ted   m ath em atica lly .   I n   Sectio n   2 ,   an al y tical  an aly s is   o f   th wo r k   is   p r esen ted .   I n   Se ctio n   3   d escr ib es    th s im u latio n   lay o u o f   t h s y s tem s .   I n   Sectio n   4,   we  in co r p o r ated   th r esu lts   an d   f in d i n g s .   C o n clu s io n   o f     th p ap er   a n d   f u tu r d ir ec tio n s   ar p r o v id ed   in   Sectio n   5 .       2.   ANALY T I CAL  A NALY SI S   E VM   is   th m ea s u r em en o f   th d if f er e n ce   b etwe en   r ef er en ce   s ig n al   an d   r ec eiv ed   s ig n al.   C o n s eq u en tly ,   m ag n itu d er r o r ,   v ec t o r   e r r o r   an d   p h ase  er r o r   p r o d u ce d   b etwe en   th e   tr an s m itted   s y m b o ls   a n d   r ec eiv ed   s y m b o ls   in   C OT S.  T h m ath em atica ex p r ess io n   [ 3 21 ]   to   d eter m in t h E VM   o f   th C OT   is   as f o llo ws     D n S n S N EVM N n r t = = 1 2 ) ( ) ( 1   ( 1 )     w h er e,   N   is   th to tal  n u m b er   o f   tr an s m itted   b its ,   S t   ( n )   is   th f u n ctio n   o f   r ef er e n ce   tr an s m itted   b its ,   S r   ( n )   is   th f u n ctio n   o f   r ec eiv ed   b its   i n   th e   s y s tem s   an d   D   is   th o p er ato r   wh ich   m ax im ize  t h m ag n itu d e   ( R max )   o r   eith er   m ax im ize  th n o r m alize d   o r   a v er ag b it  p o wer   ( P 0 )   f o r   all  tr an s m itted   b its   f o r   t h p r ef er r ed   m o d u latio n   lev els.  As  r esu lt,  E VM   is   in v er s e ly   p r o p o r tio n al  to   th s ig n al  to   n o is r atio   ( SNR )   [ 22 ].   OSNR   i s   eq u al  to   th m u ltip licatio n   o f   SNR   with   b it  r ate  ( R s )   wh e n   t h r es u lt  o f   m u ltip licatio n   is   d iv i d e d   b y   th e   r e f er en ce   o p tical  b an d wid t h   ( B ref )   [ 2 ].   T h f o llo win g   f o r m u la  [ 3 16 ,   2 3 ,   24 ]   is   to   m ea s u r th e   b it  er r o r   r ate  f o r   th E VM   wh ich   is   ex p r ess ed   b elo in   th ( 2 )     M R B O S N R L L k er f c L L B E R s r e f 2 2 2 1 2 1 l o g ) ( ) ( 2 ) 1 ( l o g 3 l o g ) 1 (   ( 2 )     I n   ( 2 ) ,   R s   r e p r esen ts   th b it  r ate.   B ref   is   th r ef er en ce   o p tica b an d wid th .   L   an d   M   ar th b it  lev els   an d   co n s tellatio n   p o in ts   n u m b er   o f   th d esire d   m o d u latio n   l ev els  r esp ec tiv ely .   I n   th is   wa y ,   f o r   DP - 3 2 QAM ,   DP - 6 4 QAM   an d   DP - 1 2 8 QAM   f o r m ats,  L   an d   M   p r o d u ce   th 5 ,   6 ,   7   b its   an d   3 2 ,   6 4   an d   1 2 8   co n s tellatio n   p o in ts   r esp ec tiv ely .   OSNR   i s   th o p tical  s ig n al  to   n o is r atio .   k   is   th r atio   o f   r ec eiv ed   an d   ty p ical  co n s tellatio n   p o in ts   in   C OT S f o r   DP - QAM   lev els.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8 7 0 8       C o mp a r is o n   o f c o h eren t o p tica l tra n s mis s io n   s ys tems p erfo r ma n ce   b DP - QA M lev els   ( A b d u l G a fu r )   2515   3.   SI M UL A T I O L AYO U T   Fig u r e s   1 ,   2 ,   3   a n d   Fig u r e s   4 ( a ) ,   4 ( b )   r ep r esen t [ 3 11 ,   2 5 2 6 ]   th e   b lo ck   d iag r am   o f   C OT S,  a lg o r ith m   o f   s im u latio n   f lo w   f o r   DP - Q AM   b ased   C OT S ,   ar ch itec tu r test   b ed   o f   C OT S,  lay o u o f   co h e r en QAM   s q u ar DP  tr an s m itter   a n d   r ec eiv er   o f   C OT r esp ec tiv ely .   T h s y s tem   co n s is t s   o f   co h er e n QAM   s q u ar e   DP   tr an s m itter o p tical  lin k   an d   c o h er en t   QAM   s q u ar e   DP  R ec eiv er .   T h o p tical  lin k   s ec tio n   co n s is ts   o f   o p tical   f ib er   an d   E DFA.   Data   r ate  o f   1 0 0   Gb /s   is   co n s id er e d   to   s i m u late  th test   b ed   o f   C OT with   DP - QAM   in   Op tis y s tem   o p tical  s im u latio n   s o f twar to o l.   I n   th is   s ce n ar io ,   co h e r en QAM   s q u a r DP  tr an s m itter   tr an s m its   at  th wav elen g th   o f   1 9 3 . 1   T Hz  f o r   v ar i o u s   DP - Q AM   lev els.  T h en   th tr an s m itted   s ig n al  is   s ep ar ated   in     an d   co m p o n e n ts .   C o n s eq u en tly ,   th o u tp u ts   g o   th r o u g h   th I - m o d u lato r   an d   th er e b y   y ield   DP - QAM   s ig n als.  No th e   m o d u latin g   DP - QAM   s ig n als  p ass ed   th r o u g h   th e   o p tical  a m p lifie r .   T h am p lifie d   s ig n a p ass ed   th r o u g h   th o p tical  lin k   with   8 0 k m   s p a n   len g t h   co n s id er in g   s in g le  m o d f ib e r   ( SMF) .     T o   co m p e n s ate  th f ib er   atte n u atio n   an d   n o n lin ea r ities   o f   th SMF,  th o p tical  am p lifie r   u s ed   in     th lin k .   At  th r ec eiv er   s ec ti o n ,   co h e r en QAM   s q u ar DP   r ec eiv er   is   em p lo y ed   to   d etec th o p tical  s ig n al.   I n   r ec eiv er   m o d u le  PB ( Po lar izatio n   B ea m   s p litt er )   cr ea tes  two   r ec ip r o ca lly   p o lar ized   s ig n als.   Fo r   th d etec tio n   o f   f o u r   o p tical  f ield s   th er ar f o u r   p h o t o d io d es  ar u s ed   to   co n v er t h o p tical  s ig n al  to   elec t r ical  s ig n al.   A f ter   th at  th e   elec tr ical  s ig n al   i s   p ass ed   th r o u g h   th an al o g   to   d ig ital  co n v er ter   ( ADC)  to   g et  th d ig ital  s ig n als.  E v en tu ally   DSP  p r o ce s s o r   m o d u le  u s ed   in   th s im u latio n   f o r   m in im izatio n   o f   f r eq u en cy   an d   p h ase  d if f e r en ce s   th at  o cc u r   in   th C OT wh ich   is   th en   g o   th r o u g h   th th r esh o l d   b ased   cir cu itry .   A f ter war d   b it e r r o r   r ate  test   to o l is u s ed   to   ass ess   th B E R   p er f o r m a n ce   o f   C OT S f o r   DP - QAM   lev els.            Fig u r 1 .   Sch em atic  b lo ck   d iag r am   o f   s im u latio n   s etu p   f o r   C OT S           Fig u r 2 .   Alg o r ith m   o f   s im u la tio n   f lo f o r   DP - QAM   b ased   C OT S,  wh er PB S - p o lar izatio n   b ea m   s p litt er MZM -   m ac h - ze h n d er   m o d u lato r ,   OA -   o p tical  am p lifie r ,   PIN - p - i - n   p h o t o d io d e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 J u n e   2 0 2 0   :   2 5 1 3   -   2522   2516       Fig u r 3 .   Ar c h itectu r o f   test   b ed   C OT S           ( a)         Fig u r 4 .   ( a )   Op tis y s tem   lay o u t o f   co h e r en t Q AM   s q u ar DP  tr an s m itter ,   ( b )   Op tis y s tem   l ay o u o f   c o h er en t Q AM   s q u ar DP  r ec eiv er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8 7 0 8       C o mp a r is o n   o f c o h eren t o p tica l tra n s mis s io n   s ys tems p erfo r ma n ce   b DP - QA M lev els   ( A b d u l G a fu r )   2517   4.   RE SU L T S   Glo b al  p ar a m eter s   f o r   th e   s y s tem   ar d ata  r ate  o f   1 0 0 Gb /s ,   d u al   p o lar izatio n ,   s q u ar e   co n s tellatio n   ty p es,  6 5 5 3 6   n u m b er   o f   s am p les  wh i ch   ar e   u s ed   to   s im u l ate  th C OT S.  As  r esu lt  t h s y m b o r ate  f o r     DP - 3 2 QAM ,   DP - 6 4 QAM   an d   DP - 1 2 8 QAM   ar e   1 0   Gsy m b o l/s ,   8 . 3 3   Gsy m b o l/s   an d   7 . 1 4 2   Gsy m b o l/s   r esp ec tiv ely .   T h e   o p e r atin g   c h an n el  wav e   len g th   is   1 9 3 . 1 T Hz .   T h o p er atin g   in p u p o wer   f o r   C W   L aser     is   - 2 0 d B m   to   5 d B m .   T h e   o p e r atin g   O p tical  S ig n al  to   N o is R atio   ( OSNR )   is   1 2   to   3 0   d B .   T h f ib er   lin k   is   o f   80   k m   s p an   len g th .   T h f i b er   atten u atio n   is   0 . 2 d B /k m .   T h f ib er   d is p er s io n   c o ef f ici en is   1 6 p s /n m - km.   T h g ai n   o f   E DFA  is   1 6 d B   an d   th e   n o is f ig u r e   is   4 d B .   Fib e r   No n lin ea r ities   is   2 6 e - 021 m 2 /w  an d   f ib er   ef f ec tiv e   ar ea   is   8 0 e - 012 .   Fo llo win g   th s y s tem atic  p r o ce d u r an d   te s b ed   o f   C OT S,  we  h av f o u n d   th f o llo win g   r esu lts .   Fig u r 5   r ep r esen ts   t h o p tical  m o d u latin g   s ig n al   d is p lay s   in   Op tical  Sp ec tr u m   An aly s er   ( OSA)   b ef o r s en d i n g   th r o u g h   th o p tical  lin k .   Af ter   th DP - QAM   th in p u m ess ag s ig n al  as  s h o wn   in   F ig u r 5 ,     is   tr an s m itted   th r o u g h   th o p tical  C h an n el.   I n   t h r ec ei v er   m o d u le   th d o wn lin k   r ec eiv er   is   u s ed   to   d em o d u late  th r ec eiv ed   s i g n al  wh ich   was  tr an s m itted   th r o u g h   th o p tical  ch an n el.   A n d   it  is   s p lit ted   in   elec tr ical  f o r m   to   t h in   ch a n n el  an d   q u ad r atu r ch an n el  p ar t s .             Fig u r 5.   I n p u p o wer   v er s u s   f r eq u en c y   o f   C W   laser       Fig u r r ep r esen ts   th co m p ar is o n   f o r   in p u p o we r   ( d B m )   f o r   DP - QAM   lev el  s ch em es  in   ter m s   o f   E VM   ( %).   I n   F ig u r 6 ,   it  is   f o u n d   th at  t h e   p r o p ag atio n   ef f icien cy   is   ex am in e d   b y   c h an g in g   th e   C W   in p u t   p o wer   to   o b s e r v th co r r e s p o n d in g   im p ac o f   C W   in p u p o wer   o n   E r r o r   v ec t o r   m ag n itu d e( %)  f o r     th d is tan ce   o f   b ac k   to   b ac k   ( B 2 B ) ,   8 0   k m   an d   4 0 0   k m   af ter   r eim b u r s em e n f o r   th d is p er s io n   ef f ec o f     th o p tical  p r o p ag atio n   s y s tem .   I n   th is   s etu p   th E VM   i s   c alcu lated   in   ca s o f   DP - 3 2 QA M,   DP - 6 4 QAM ,   an d   DP - 1 2 8 QAM .   T h s etu p   r e v e als   th at  E VM   f ig u r e   f o r   v ar i o u s   m o d u latio n   tech n iq u es  h as  an   in clin atio n   to   d o wn   f all  b eh av io r   ag ai n s C W   in p u p o wer .   At  - 9 d B m ,   th er is   an   u n u s u al  p h en o m e n o n   th at  th lin ea r ity   o f   th o u tp u t   g r ap h s   ten d s   to   m o r d o wn   war d s .   At  in p u t p o we r   - 9   d B m ,   DP - 1 2 8 QAM   s h o ws th E VM   o f   9 . 5 %,  9 . 6 %,  an d   1 0 . 7 %   wh e r DP - 6 4 QAM   ex h ib its   th E VM   o f   1 2 . 2 4 %,  1 3 . 3 a n d   1 5 . 1 an d   last ly   DP - 3 2 QAM   p r o v id es th e   E VM   o f   1 7 . 4 5 %,  1 9 . 2 3 % a n d   2 2 . 3 4 % f o r   b ac k   to   b ac k ,   1   s p an   a n d   5   s p an s   r e s p ec tiv ely .   Fig u r 7   e x p o s es  th b e h av io r   o f   E VM   with   r esp ec to   p r o p ag atio n   len g th   at  C W   i n p u p o wer s   o f     0   d B m   an d   5   d B m   in   ca s o f   DP - 3 2 QAM ,   DP - 6 4 QAM ,   an d   DP - 1 2 8 QAM .   I is   o b s er v ed   f r o m   th f ig u r th a t   E VM   in cr ea s es  with   th in cr em en o f   th d is tan ce .   At  1 0 0   k m   to   2 2 0   k m ,   am o n g   all  o f   th m o d u latio n   f o r m ats  co n s id er ed   h er e   in   t h is   s etu p ,   0   d B m   p r o v id es  h ig h er   E VM   as  c o m p ar e d   to   5 d B m .   At  2 2 0 k m   to   6 0 0   k m ,   DP - 6 4 QAM   s h o ws  h i g h e r   E VM   f o r   5 d B m   as  co m p ar e d   to   0 d B m .   On   th e   o th er   h a n d ,   DP - 3 2 QAM   an d   DP - 1 2 8 QAM   b o th   p r o v id es  h ig h er   E VM   i n   ca s o f   0 d B m   as  co m p ar e d   to   5 d B m .   An d   at  6 0 0   to   1 2 0 0 k m   p o in it  r ea ch es  to   th p ic k   p o in in   ca s o f   in p u t   p o wer   o f   0 d B m   a n d   5 d B m .   I is   in t er esti n g   to   o b s er v e   th at  DP - 3 2 QAM ,   DP - 6 4 QAM ,   b o th   s h o ws  alm o s s im ilar   b eh av io r al   p atter n s   f o r   0 d B m   an d   5 d B m .   On   th co n tr ar y ,   DP - 1 2 8 QAM   p r o v id es  m o r %EVM   f o r   5 d B m   in p u p o wer   wh er it   s h o ws  less er   E VM   f o r   0 d B m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 J u n e   2 0 2 0   :   2 5 1 3   -   2522   2518       Fig u r 6.   Per f o r m an c co m p ar is o n   f o r   in p u t p o wer   ( d B m )   f o r   DP - QAM   lev el  s ch em es in   ter m s   o f   E VM   ( %)           Fig u r 7.   Pro p ag atio n   len g th   ( k m )   v e r s u s   er r o r   v ec to r   m ag n i tu d ( %)       Fig u r 8   r ev ea ls   th e   B E R   p er f o r m an ce   with   r esp ec t o   th e   OSNR .   T h is   g r ap h   o f   f ig u r ex p o s es  th at   DP - 1 2 8 QAM   5   s p an s ,   DP - 1 2 8 QAM   b 2 b   an d   DP - 1 2 8 QAM   1   s p an   a r n o s u itab le   f o r   er r o r   f r ee   tr a n s m is s io n   at  th s im u lated   OSNR   r an g e .   B esid es,  DP - 3 2 QAM   B 2 B ,   DP - 6 4 QAM   B 2 B   g iv es  lo wer   B E R   wh ic h   is   co m p atib le  with   o u r   b asic  p r e d ictio n .   B u DP - 1 2 8 QAM   b 2 b   h as  d ev iated   f r o m   n o r m al  b eh av io r ,   th er e b y   n o s u p p o r tin g   ac ce p ta b le  B E R   p er f o r m a n ce .   On   th e   co n tr a r y ,   DP - 3 2 QAM   1   s p an   p r o v id es  v er y   v ir tu o u s   B E R   p er f o r m an ce .   W h av o b s e r v ed   th at  s im ilar   b etter   o u t p u ar o b tain ed   f o r   DP - 3 2 QAM   1   s p an   an d     DP - 6 4 QAM   1   s p an .   Alth o u g h ,   DP - 3 2 QAM   5   s p an   an d   DP - 6 4 QAM   5   s p an s   y ield s   wo r s p er f o r m an ce   wh ic h   is   n o ac ce p tab le  f o r   er r o r   f r e co m m u n icatio n s .   T h ese  o b s er v atio n s   ar also   co n f ir m ed   b y   th co n s tellatio n   p o in e v id en ce s   s h o wn   in   T a b le  1 .   T ab le  2   r ep r esen ts   th c o m p ar is o n   am o n g   r elate d   w o r k s .   I v alid ates  th at   o u r   d esig n   p e r f o r m s   b etter   in   ter m s   o f   OSNR   th an   p r ev io u s   wo r k s .   Ou r   in v esti g atio n   s h o ws  th m ax im u m   OSNR   o f   2 8 d B   at  DP - 3 2 QAM   lev el  co m p ar e d   to   e x is tin g   wo r k s   in   T ab le   2.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8 7 0 8       C o mp a r is o n   o f c o h eren t o p tica l tra n s mis s io n   s ys tems p erfo r ma n ce   b DP - QA M lev els   ( A b d u l G a fu r )   2519       Fig u r 8 .   Per f o r m an c co m p ar is o n   f o r   DP -   QAM   lev els with   r esp ec t to   OSNR   v er s u s   lo g   o f   B E R       T ab le  1 .   C o n s tellatio n s   d iag r a m s   o f   DP - QAM   lev els f o r   C OT S p er f o r m an ce   co m p ar is o n   DP - Q A M   Le v e l s   B a c k   t o   B a c k   P r o p o g a t i o n   P r o p a g a t i o n   f o r   8 0   k m   (   1   S p a n )               DP - 3 2 Q A M   ( X   P o l a r i z a t i o n )                   DP - 3 2 Q A M   ( Y   P o l a r i z a t i o n )             DP - 6 4 Q A M   (X  P o l a r i z a t i o n )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 J u n e   2 0 2 0   :   2 5 1 3   -   2522   2520   T ab le  1 .   C o n s tellatio n s   d iag r a m s   o f   DP - QAM   lev els f o r   C OT S p er f o r m an ce   co m p ar is o n   ( co n tin u e )   DP - Q A M   Le v e l s   B a c k   t o   B a c k   P r o p o g a t i o n   P r o p a g a t i o n   f o r   8 0   k m   (   1   S p a n )         DP - 6 4 Q A M   ( Y   P o l a r i z a t i o n )               DP - 1 2 8 Q A M   (X  P o l a r i z a t i o n )             DP - 1 2 8 Q A M   ( Y   P o l a r i z a t i o n )             T ab le  2 .   C o m p a r is o n   tab le  o f   o u r   wo r k   with   p r ev io u s   wo r k s   F a c t o r s   R e f .   N o .   [ 3 ]   R e f .   N o .   [ 8 ]   R e f .   N o .   [ 1 1 ]   R e f .   N o .   [ 1 3 ]   C u r r e n t   I n v e st i g a t i o n   Te c h n o l o g y   C o h e r e n t   O p t i c a l   S y st e ms   C o h e r e n t   O p t i c a l   S y st e ms   C o h e r e n t   O p t i c a l   S y st e ms   C o h e r e n t   d e t e c t i o n   C o h e r e n t   O p t i c a l   S y st e ms   M o d u l a t i o n   F o r ma t s   A d v a n c e d   A d v a n c e d   M - QAM   A d v a n c e d   M - QAM   D a t a   R a t e ( G b p s)   1 1 2   9 0 4   4 0 0   2 5 6   1 0 0   C h a n n e l   I n p u t   p o w e r ( d B m)   - 2 0   t o   5   0   - - - - - - - -   - 3   t o   3   - 2 0   t o   5   W a v e l e n g t h /   f r e q u e n c y   1 9 3 . 1 TH z   1 5 5 0   n m   - - - - - - - -   1 5 5 7 . 3 6 n m   1 9 3 . 1   TH z   F i b e r   a t t e n u a t i o n ( d B / k m)   0 . 2   0 . 2   - - - - - - - -   - - - - - - - -   0 . 2   S p a n   l e n g t h ( k m)   80   80     - - - - - - - -   75   80   D i sp e r s i o n   ( p s/ n m/ k m)   16   1 6 . 7 5   - - - - - - - -   - - - - - - - -   16   P o l a r i z a t i o n   T y p e   D u a l   D u a l   PM   S P     a n d   D u a l   D u a l   M o d u l a t i o n   s i g n a l   l e v e l   3 2 Q A M   1 2 8 Q A M   3 2 Q A M   a n d   6 4 Q A M   1 2 8 Q A M   a n d   1 6 Q A M   3 2 Q A M   A mp l i f i e r   ED F A   ED F A     ED F A   ED F A   A mp l i f i e r   G a i n   ( d B )   16   1 6       - - - - - - - -   - - - - - - - -   16   N o i se   F i g u r e ( d B )   4     - - - - - - - -   - - - - - - - -   4   O S N R ( d B )   2 3 . 5   27   2 1 . 8   a n d   2 4 . 3   1 8   a n d   1 9   28   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8 7 0 8       C o mp a r is o n   o f c o h eren t o p tica l tra n s mis s io n   s ys tems p erfo r ma n ce   b DP - QA M lev els   ( A b d u l G a fu r )   2521   5.   CO NCLU SI O N   W ex h ib ited   th e   C OT with   m u ltip le  ty p es  o f   D P - QAM   lev els.  T h p e r f o r m an ce   o f     th DP - 3 2 QAM ,   DP - 6 4 QAM   an d   DP - 1 2 8 QAM   m o d u latio n   f o r m ats  with   th s am d ata   r ate  ( 1 0 0 G b /s )   an d   d if f er en t   s y m b o l   r ates  ( 1 0   Gsy m b o l/s ,   8 . 3 3   Gsy m b o l/s   an d   7 . 1 4 2   Gsy m b o l/s   r esp ec tiv ely )   h a v b ee n   co m p ar ed   in   ter m s   o f   C W   in p u p o wer .   T h f in d in g s   b as ed   o n   th e   p er f o r m a n ce   c u r v e s   an d   c o n s tellatio n   d iag r am s   ar e   in   h ar m o n y   with   th a n aly tical  m a n if estatio n   an d   ar s tr o n g   e v id en ce s   t o   o u r   e x p lan atio n   o f     th o u tp u ts .     T h is   s im u latio n   wo r k   h elp s   th ca lcu latio n   o f   E VM   wit h   r esp ec to   p r o p ag atio n   len g th ,   in p u ch an n el  p o wer   f o r   DP - QAM   lev els.  I is   in ter esti n g   th at   f o r   th e   s am test   b ed   o f   C OT S,  th r ee   DP -   QAM   lev els  p er f o r m ed   d if f er en tly .   T h is   in v esti g atio n   im p r o v es  th o p tical  tr an s m is s io n   s y s te m s   b y   m in im izin g     th er r o r   v ec to r   m ag n itu d ( E VM ) .   I n   th is   s im u latio n ,   it  is   f o u n d   t h at  DP - 1 2 8 QAM   o u tp e r f o r m s   DP - 3 2 QAM   an d   DP - 6 4 QAM .   DP - 1 2 8 QA h as  p o ten tiality   to   r escu e   f r o m   t h d etr im e n tal  f ac to r s   t h at  ar is es  f r o m   lo n g   h au l o p tical  f ib e r   co m m u n icat io n s   lin k .       ACK NO WL E DG E M E NT S   T h au th o r s   ar th a n k f u l to   Un iv er s ity   Gr an ts   C o m m is s io n   o f   B an g lad esh   ( UGC)  f o r   s p o n s o r in g   th is   r esear ch   wo r k   u n d e r   th r esear ch   s ch em g r a n t,  2 0 1 7 .       RE F E R E NC E S   [1 ]   Yu k i   Ko izu m i,   e a l. ,   1 0 2 4   QA M   (6 0   G b it /s)  si n g le  c a rrier  c o h e re n o p ti c a tra n sm issio n   o v e 1 5 0   k m ,   Op ti c s   Exp re ss ,   v o l.   2 0 ,   n o .   1 1 ,   M a y   2 0 1 2 .   [2 ]   Xia o sh e n g   Xia o ,   e a l. ,   In fl u e n c e   o ASE   n o ise   o n   t h e   sig n a OS NR an d   e rro v e c to m a g n it u d e   in   c o h e re n o p ti c a l   c o m m u n ica ti o n s ,”   O p to e lec tro n ic s Glo b a Co n fer e n c e ,   Au g .   2 0 1 5 .   [3 ]   M o n i k a   M e h ra ,   e a l. ,   P e rf o rm a n c e   An a ly sis  o Co h e re n O p ti c a l   Co m m u n ica ti o n   S y ste m   fo r   Hig h e o r d e Du a l   P o lariz a ti o n   M o d u latio n   F o rm a ts ,”   Op ti k -   In ter n a ti o n a J o u rn a fo L ig h a n d   E lec tro n   Op ti c s v o l.   1 3 5 ,     p p .   1 7 4 - 1 7 9 ,   Ap r .   2 0 1 7 .   [4 ]   P e ter  J.  Wi n z e r ,   Hig h - S p e c tral - Eff icie n c y   Op ti c a M o d u latio n   F o rm a ts ,”   J o u rn a o f   L ig h twa v e   T e c h n o lo g y   v o l.   3 0 ,   n o .   2 4 ,   p p .   3 8 2 4 - 3 8 3 5 ,   2 0 1 2 .     [5 ]   Hu a q ian g   Qi n ,   e t   a l. ,   M o d e li n g   o t h e   Im p a c ts o N o n l in e a P r o p a g a ti o n   o n   EVM   f o r   Dig it a l   Co h e re n Re c e iv e rs ,”   1 6 t h   In ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   Op ti c a l   Co mm u n ica ti o n a n d   Ne two rk s (ICOCN),   Au g .   2 0 1 7 .   [6 ]   Z.   Do n g ,   e a l. ,   OSNR  m o n it o ri n g   f o QPS a n d   1 6 - QA M   sy ste m in   p re se n c e   o fi b e n o n li n e a rit ies   fo d i g it a l   c o h e r e n re c e iv e rs,”   Op ti c s e x p re ss ,   v o l .   2 0 ,   p p .   1 9 5 2 0 - 1 9 5 3 4 ,   2 0 1 2 .   [7 ]   A.  Ca re n a ,   e a l. ,   S tatisti c a c h a r a c teriz a ti o n   o P M - QP S K sig n a ls  a fter p ro p a g a ti o n   i n   u n c o m p e n sa t e d   fib e li n k s,”   in   Pro c .   ECOC ,   2 0 1 0 .   [8 ]   G u a n g   Li ,   e a l. ,   P u lse   S h a p i n g   Ba se d   O p ti c a Tran sm issio n   S y ste m   o 1 2 8 QA M   f o DWDM   with   ×   9 0 4   G b p s ,”   Ap p li e d   S c ien c e s ,   v o l.   9 ,   n o .   5 ,   p p .   9 8 8 ,   M a r .   2 0 1 9 .   [9 ]   S e ij O k a m o to ,   e t   a l. ,   5 1 2   QA M   (5 4   G b it /s)   c o h e re n o p t ica tran s m issio n   o v e r   1 5 0   k m   with   a n   o p t ica b a n d wid t h   o 4 . 1   G Hz ,”   36 th   E u ro p e a n   Co n f e re n c e   a n d   Ex h ib i ti o n   o n   Op ti c a Co mm u n ica ti o n   (ECOC ),   S e p .   2 0 1 0 .     [1 0 ]   li o   sa M e d e iro Di n iz ,   e a l. ,   Op ti m iza ti o n   o DP - M - QA M   Tran sm it ter  Us in g   Co o p e ra ti v e   Co e v o l u ti o n a ry   G e n e ti c   Alg o rit h m ,”   J o u r n a l   o f   L ig h tw a v e   T e c h n o lo g y ,   v o l.   3 6 ,   n o .   1 2 ,   Ju n .   2 0 1 8 .   [1 1 ]   E.   Lac h ,   e a l. ,   M o d u lati o n   f o rm a ts  fo 1 0 0   G   a n d   b e y o n d ,”   Op ti c a Fi b e T e c h n o l o g y ,   v o l.   1 7 ,   n o .   5 ,     p p .   3 7 7 - 3 8 6 ,   2 0 1 1 .   [1 2 ]   B.   S z a fra n iec ,   e a l. ,   P e rfo rm a n c e   m o n it o rin g   a n d   m e a su re m e n tec h n iq u e fo r   c o h e re n o p t ica sy st e m s ,”   J o u rn a l   o L i g h twa v e   T e c h n o lo g y ,   v o l .   3 1 ,   p p .   6 4 8 6 6 3 ,   F e b .   2 0 1 3 .   [1 3 ]   A.  S .   Ka sh i,   e a l. ,   In f o rm a ti o n   Ra tes   fo th e   S P   1 2 8 - QA M   a n d   DP  1 6 - QA M   M o d u lati o n   F o rm a ts ,”   Eu ro p e a n   Co n fer e n c e   o n   Op ti c a Co mm u n i c a ti o n   (ECOC),   Oc t.   2 0 1 5 .   [1 4 ]   L.   Al b e rto   Ca m p o s,   e a l. ,   P ro a c ti v e   Ne two r k   M a in ten a n c e   Ev o lu ti o n   t o   t h e   O p ti c a Do m a in   i n   C o h e re n O p ti c s ,”   Ad v a n c i n g   T e c h n o lo g y 's Ag e n d a ,   Atlan ta,  G A,  Oc t.   2 0 1 8 .   [1 5 ]   M a rti n   Hu d li ˇc k a ,   e a l . ,   BER  E stim a ti o n   fr o m   EVM   f o QPS K   a n d 1 6 - QA M   C o h e re n t   Op ti c a S y s tem s ,”   IEE 6 th   In ter n a t io n a C o n fer e n c e   o n   P h o t o n ics   (ICP) ,   M a r.   2 0 1 6 .   [1 6 ]   Re n e   S c h m o g r o w,  e t   a l . ,   Err o Ve c to M a g n it u d e   a a   P e rfo rm a n c e   M e a su re   fo r   Ad v a n c e d   M o d u latio n   F o rm a ts ,”   IEE P h o t o n ics   T e c h n o l o g y   L e tt e rs ,   v o l .   2 4 ,   p p .   61 - 6 3 ,   Ja n .   2 0 1 2 .   [1 7 ]   I.   F a tad i n ,   " Est ima ti o n   o f   BER   f ro m   Err o Ve c to r   M a g n it u d e   fo r   Op ti c a l   Co h e re n S y ste m s ,”   P h o to n ics ,   v o l .   3 ,     n o .   2 ,   p p .   2 1 ,   2 0 1 6 .   [1 8 ]   M a o li u   Li n ,   e a l. ,   EVM   S imu lat io n   a n d   it Co m p a riso n   wit h   BER   fo Diffe re n Ty p e o M o d u latio n ,”   T ENCON No v .   2 0 0 7 .   [1 9 ]   Qin g h u a   Yu ,   e a l . ,   Re se a rc h   o n   Ev a lu a ti o n   o BER  i n   Co m m u n i c a ti o n   sy ste m ,”   15 th   I n ter n a t io n a l   Co n fer e n c e   o n   Op ti c a C o mm u n ica ti o n a n d   Ne t wo rk s ,   S e p .   2 0 1 6 .   [2 0 ]   A.  G e o rg iad is,   e a l. ,   " E v a lu a ti o n   o e rr o v e c to m a g n it u d e   d u e   to   c o m b i n e d   IQ  imb a lan c e a n d   p h a se   n o ise ,”     IET   Circ u it s,   De v ice s &   S y ste ms ,   v o l.   8 ,   n o .   6 ,   p p .   4 2 1 - 4 2 6 ,   2 0 1 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   3 J u n e   2 0 2 0   :   2 5 1 3   -   2522   2522   [2 1 ]   Ru ij iao   Zh a n g ,   e a l. ,   F u ll - d u p le x   fib e r - wire les li n k   f o a lt e rn a ti v e   wire d   a n d   4 0 - G Hz   b a n d   wire les a c c e s b a se d   o n   d iffere n ti a q u a tern a ry   p h a se - sh ift   o p ti c a sin g le sid e b a n d   m il l i m e ter - wa v e   sig n a l , ”  Op ti c a E n g i n e e r in g ,   v o l .   5 4 ,   F e b .   2 0 1 5 .   [2 2 ]   Rish a d   Ah m e d   S h a fik ,   e a l . ,   On   t h e   Ex ten d e d   Re latio n sh i p a m o n g   EVM ,   B ER  a n d   S NR  a P e rfo rm a n c e   M e tri c s , ”  ICECE ,   2 0 0 6 .   [2 3 ]   Ch ien - Yu   Li n ,   Dig i tal  No n li n e a Co m p e n sa ti o n   f o Ne x t - G e n e ra ti o n   O p ti c a C o m m u n ica ti o n   S y ste m Us in g   Ad v a n c e d   M o d u lati o n   F o rm a ts ,”   P h . d isse rtatio n ,   F a c u lt y   o En g in e e rin g ,   F ried ric h - Ale x a n d e r - Un iv e rsitä t   Erl a n g e n - N ü rn b e rg ,   Ja n .   2 0 1 4 .   [ On li n e ],   A v a il a b le:   h tt p s:// d - n b . in fo /1 0 5 4 3 3 1 3 6 7 /3 4 .   [2 4 ]   By   Re n e ´ - Je a n   Essia m b re ,   e a l . ,   Ca p a c it y   Tren d s   a n d   Li m it o Op ti c a Co m m u n ica ti o n   Ne two rk s ,   Pro c e e d in g s   o t h e   IEE E ,   v o l.   1 0 0 ,   n o .   5 ,   M a y   2 0 1 2 .   [2 5 ]   [On li n e ],   A v a il a b le:   h tt p s:// o p ti w a v e . c o m .   [2 6 ]   Vip a n p re e Ka u r ,   e a l. ,   S t u d y   o f   Diffe re n F o rm o Du a l   P o l a riza ti o n Qu a d ra tu re   Am p li tu d e   M o d u latio n   a n d   it s P e rfo rm a n c e   An a ly sis i n   Term s o Q - F a c to a n d   Dista n c e ,”   J o u r n a o O p ti c a l   Co mm u n ica ti o n s S e p .   2 0 1 8 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.