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Um transcetor ótico coerente possui um laser transmissor (TX) e um laser oscilador local (LO), que podem ser baseados em dois lasers separados ou num único laser. Os requisitos de especificação do laser variam de acordo com a distância de transmissão. Aqui, discutimos alguns requisitos importantes do laser e onde serão utilizados.
1. Baixo consumo de energia e pequeno tamanho
Como se pode observar na Figura 1, um laser sintonizável com baixo consumo de energia e tamanho compacto é sempre necessário para transceptores coerentes plugáveis. As placas de linha, por outro lado, podem ter uma melhor tolerância a estes dois requisitos. Note que os novos plugáveis de formato pequeno, como o DD-QSFP e o OSFP, têm um espaço muito limitado e, naturalmente, é necessário ter um cuidado especial para garantir que estes dois requisitos de laser são cumpridos.
2. Alta potência óptica
Isto é especialmente importante para um transceptor coerente com (a) uma maior perda de inserção do modulador (por exemplo, baseado na fotónica de silício) e/ou (b) uma maior "perda de modulação" devido a uma ordem de modulação mais elevada. Esta última deve-se à diminuição da potência média do sinal quando a ordem de modulação é mais elevada. Por exemplo, a perda de modulação devido ao 64QAM é maior do que a do QPSK em 3 a 3,5 dB. Certamente, a descrição acima baseia-se no pressuposto de que um EDFA de reforço não pode ser incorporado no transceptor devido à limitação de espaço; ou mesmo se estiver disponível um EDFA interno, é necessário um laser de maior potência ótica para atingir um determinado requisito de OSNR de TX.
Um laser de alta potência ótica é também necessário quando um único laser é utilizado simultaneamente como TX e LO, ou seja, a sua potência é partilhada entre TX e LO. Normalmente, +16 dBm ou mais é considerado uma potência de saída elevada (isto aplica-se igualmente a lasers ajustáveis ou de comprimento de onda fixo).
Conforme se verifica na Fig. 1, um laser de alta potência não é apenas necessário em alguns casos: (i) os amplificadores óticos em linha são utilizados num sistema DWDM com uma taxa de dados mais baixa e uma distância curta, ou (ii) uma ligação cinzenta com taxas de dados muito baixas e uma distância curta, e um requisito de orçamento de ligação menos rigoroso (devido à pequena perda do patch panel, por exemplo)
3. Ampla gama de afinação
Este requisito pode ser dividido em quatro áreas: (a) frequência fixa (ou parcialmente sintonizável); (b) sintonizável na banda C; (c) sintonizável nas bandas C e L utilizando dois lasers sintonizáveis separados; e (d) sintonizável numa gama de frequências de 1,5x da banda C. Como mostra a Fig. 1, dentro de um data center, um laser amplamente sintonizável não é geralmente necessário. Numa ligação entre centros de dados (DCI) de 10 a 80 km, a sintonização da frequência do laser não é obrigatória, embora os lasers sintonizáveis sejam preferíveis para operações mais fáceis. Para sistemas metropolitanos e não só, a sintonização da frequência do laser é sempre necessária devido à implantação esporádica e aleatória da frequência do laser. Para o DCI, os lasers sintonizáveis de banda C e de banda L podem ajudar a aumentar a capacidade total para 9,6 THz (= 4,8 THz x 2), mas exigiriam dois modelos separados de lasers sintonizáveis e dois modelos de amplificadores de fibra dopados com érbio (EDFAs). Para redes de telecomunicações, o laser sintonizável mais recentemente desenvolvido pode cobrir 6 THz (em oposição ao laser sintonizável normalmente utilizado de 4 ou 4,8 THz) e requer apenas um único modelo EDFA para tornar a rede mais económica e fácil de operar do que o C+L. A ideia original de largura de banda total de 6 THz vem da ideia de tentar evitar a perda total da capacidade da fibra devido ao novo requisito de espaçamento de 75 GHz quando a taxa de transmissão do sinal ultrapassa os 64 Gbaud. Ao ter lasers sintonizáveis que cobrem 6 THz, o número total de canais pode ser mantido em 80 (= 6 THz/75 GHz), o que é o mesmo que num sistema de espaçamento regular de 50 GHz. Como resultado, quando a taxa de transmissão é duplicada e o número de canais permanece inalterado, a capacidade total pode de facto ser duplicada.
4. Baixo ruído de fase
Um laser com baixo ruído de fase também significa que tem ruído de baixa frequência. Um laser com ruído de baixa frequência implica que, na sua densidade espectral de potência de ruído de frequência, apresenta baixo ruído de cintilação e tons interferentes abaixo de 1~100 MHz, e baixo ruído de frequência branca entre ~10 MHz e ~1 GHz num laser sintonizável semicondutor de última geração. Multiplicando a densidade espectral de potência de ruído de frequência branca unilateral por um fator de π, obtém-se a largura de linha do laser.
A Fig. 2 mostra o impacto em diagramas de constelação 16QAM recebidos num sistema coerente sem e com a presença de ruído de fase do laser. Podemos ver claramente as rotações de fase induzidas pelo ruído de fase do laser para os pontos da constelação ao longo dos três raios constantes numa constelação 16QAM na Fig. 2(b). O efeito negativo é que alguns dos pontos vizinhos da constelação não podem ser claramente distinguidos, resultando numa maior taxa de erro de bits do sistema.
De um modo geral, o ruído de fase do laser baixo é necessário para (i) um sistema com uma modulação de alta ordem ≥ 64QAM (pode-se imaginar que o ruído de fase do laser pode fazer com que os seus pontos densos de constelação interfiram facilmente entre si) e (ii) um sistema com uma elevada taxa de transmissão e/ou uma longa distância de transmissão (causada por um fenómeno denominado “ruído de fase melhorado pelo equalizador”, que impõe requisitos rigorosos ao ruído de fase LO).
Como se pode observar na Figura 1, o ruído de fase do laser é de particular importância para um sistema coerente de longa distância ou submarino, ou para uma distância metropolitana com uma elevada taxa de dados. Para um sistema metropolitano com baixa taxa de dados e para distâncias curtas, como DCI (10-80 km) e intracentros de dados, o ruído de fase baixo não é tão crítico, desde que não seja utilizada uma modulação de alta ordem ≥ 64QAM. Note-se que, para DCI de 10-80 km a operar a ≥ 400 Gb/s, é ainda necessária uma largura de linha laser inferior a 200-500 KHz, independentemente de ser utilizado um laser DFB sintonizável ou de comprimento de onda fixo.
Com a descrição acima dos requisitos para lasers coerentes, incluímos na Fig. 1 para cada aplicação os candidatos adequados de lasers ajustáveis e de comprimento de onda fixo disponíveis comercialmente.
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