تصميم أجهزة استقبال ذات طابع فني لنظم الاتصالات البصرية المتجانسة

مشرف محلي

ويجب أن يكون للليزر ذو المدار الثابت بالنسبة للسيارات الصغيرة (المتوسط الذي يبلغ 100 كيلوهرتز بالنسبة لـ " كي بيزوك " ، أي 10 كيلوهرتز بالنسبة لمستوى أعلى من درجة الحرارة العالية) للتقليل من الضجيج في مرحلة الحد الأدنى، كما أن الليزرات الموزعة شائعة في أشكال الخزن الأقل برودة، بينما تستخدم الليزرات المتجمدة الخارجية (ترددات) في تغيير الموجات المائلة إلى أعلى نتيجة لاستقرارها.

الرسم البياني الرقمية

وتقوم وحدة نظام المعلومات الإدارية المتكامل في جهاز استقبال متماسك بإجراء سلسلة من الخوارزميات لاسترداد الأجزاء المبثوثة من الإشارات الرقمية I/Q وتشمل التدفق النموذجي لنظام الأفضليات المعمم ما يلي:

1. Front-end correction:] Compensation for the frequency response of the photodiodes and TIAs, as well as I/Q imbalance from the optical hybrid.
2. Clock recovery:] Extracting the symbol timing from the sampled data using algorithms such as the Gardner or Mueller and Müller method.
3. Chromatic dispersion (CD) compensation:] Using a fixed or adaptive finite impulse response (FIR) filter to reverse the accumulated CD in the fiber. CD compensation can consume significant computational resources; for long-haul links, frequency-domain equality (FDE) is often used for efficiency.
4. Polarisation demultiplexing:] Adaptive algorithms such as the constant modulus algorithm (CMA) or decision-directed least mean squares (DDLMS) separate the two signal polarisations. These algorithms also track time-varying polarisation rotation caused by the fiber.
5. Frequency compensate estimation and correction:] The LO laser frequency proceedss relative to the signal carrier, causing a rotating constellation. The DSP estimates this compensate (using methods like the fast Fourier transform (FFT) based approach) and rotates the constellation back to its correct position.
6. Carrier phase recovery:] Compensates for laser phase noise using algorithms such as the Viterbi-Viterbi phase estimator (for QPSK) or blind phase search (for QAM) For high-order QAM, more advanced techniques like maximum likelihood estimation are employed.
7. Symbol decision and decoding:] The recovered symbols are mapped to bits using a slicer or soft-decision demapper, and forward error correction (FEC) decoding corrects any remaining errors.

ويعتمد تعقيد نظام إدارة الدعم الميداني على شكل المعايرة ومعدل البيانات، إذ أصبح ما يزيد عن 800 غموض وما بعده القدرة الحاسوبية المطلوبة تحدياً كبيراً في التصميم، مما يدفع إلى اعتماد مؤشرات قياسية مكرّسة وعمليات متقدمة في إطار نظام الرصد والمراقبة والإشراف مع انخفاض استهلاك الطاقة.

الاعتبارات والتحديات المتعلقة بالتصميم

المصادر والحساسية

ويحد أداء جهاز استقبال متماسك في نهاية المطاف من الضوضاء، وتشمل مصادر الضوضاء السائدة ما يلي:

• Shot noise:] Arising from the quantum nature of light in the photodiodes. Balanced detection abolishs the LO shot noise only partially; the signal arm also contributes. With high LO power, the receiver can approach the quantum limit, where shot noise dominates.
• Thermal noise:] Generated by the TIA and subsequent electronic circuits. It can be reduced by designing low-noise amplifiers and using sufficient LO power (since coherent detection provides built-in amplification).
• Laser phase noise:]Causes symbol circulation and requires carrier recovery. Phase noise variation increases with symbol rate and modulation order, imposing constraints on laser linewidth.
• ]Relative intensity noise (RIN):] suppressed by balanced detection, but residual RIN can still degrade sensitivity, especially at low frequencies.
• Quantisation noise:] Introduced by the analog-to-digital converters (ADCs) in the DSP chain. High-resolution ADCs (typically 6-8 bits at 50-100 GS/s) are required to minimise this noise.

(أ) الحساسية التي يتمتع بها جهاز الاستلام (التي تتلقى طاقة أدنى من أجل هدف خفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات) ترتبط مباشرة بنسبة الإشارة الضوئية إلى الأرقام عند المدخلات، وبالنسبة للمتلقين المتسقين، كثيرا ما يُعبر عن الحساسية من حيث البرمجيات (SNR) (في DB/0.1 nm).

مرتفعات الضمادات والخطوط

ونظراً لأن معدلات الإصابة بالرموز تتجاوز 100 غبود، فإن النطاق الترددي البصري والكهربائي للمستقبل يجب أن يتجاوز 60-70 غيغاهيرتز لتجنب التدخل الشديد فيما بين النظم، وهذا يتطلب أيضاً استخداماً للصور الفوتوغرافية في منطقة صغيرة نشطة (أقل من الأسر) واتفاقات تقييم الأثر ذات التسلسل الترددي العالي والضعف الجماعي، كما أن أساليب التغليف المتقدمة، مثل الاستعبادات ذات الصلة بالقلبات وتكامل في إطار نظام تحديد المواقع الجغرافية 3 دال، تساعد على التخفيف من الآثار الحرجة.

إدارة الاستقطاب

ويحتاج جهاز استقبال الاصطناعي المزدوج إلى تقسيم ومواءمة دقيقين، ويجب أن يكون لجهاز الاستقطاب نسبة عالية من الانقراض (الرقم 25 من الدروكربون) لتجنب التداخل بين الاصطدامين، وكثيرا ما يكون جهاز التناوب والتقسيم مدمجا احتكاريا في الصور القطبية، ولكن الأداء يختلف بمقياس الارتداد الملوحة ودرجة الحرارة.

النموذج المتقدم وتأثير المتلقي

ويزيد من الكفاءة الطيفية في أشكال حركة حركة الرباعي العالي (16-QAM، 64-QAM، 256-QAM) ولكنه يتطلب قدراً أكبر بكثير من التلقين الناموسوم للناطقين التناسلية للأنثى، ويزيد من الضوضاء المركبة التي تستخدمها شركة بروتينغ في 64-QAM، ويزيد عدد ناقلات الديوكسينات المحتوية على درجة حرارة عالية من الارتفاع في هذه النماذج.

المقبوضات والمستقبل المتجانس

ولتقليل حجم أجهزة الاستقبال المتسقة وطاقتها وتكلفتها، تدمج المكونات البصرية للمستقبلات المتسقة بصورة متزايدة في دوائر متكاملة للتصوير الضوئي، وتوفر صوراً للسيليكونية منبراً واعداً لأنها تستغل تصنيع أجهزة التصوير المقطعية ذات الحجم المرتفع بتكلفة منخفضة، وتحتاج أجهزة استقبال متماسكة متكاملة على السيليكون إلى أجهزة استقبال مدمجة للسندات، وأجهزة تصويرية للأشعة الليبرونية، غير ذات كفاءة.

Indium phosphide (InP) PICs can integrate the laser, modulator, and receiver on a singleرق, providing superior performance for high-end applications. Recent demonstrations of monolithic InP coherent receivers operating at 800 Gbps show the viable of this approach for next-generation transceiversiversivers. The key challenge for integrated receivers is managing optical losses, cross talk, and thermal stability across a wide

الاتجاهات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ومع تزايد حركة المرور على الشبكات، يجب أن يتطور المتلقين المتسقون لدعم ارتفاع معدلات البيانات، وانخفاض استهلاك الطاقة، والهيكلات الأكثر مرونة، وهناك عدة اتجاهات ناشئة تشكل مستقبل تصميم متماسك للمستقبل:

• Digital subcarrier multiplexing (DSCM):] instead of a single carrier, the signal is divided into multiple subcarriers, improving resilience to nonlinear effects and streamlineing DSP complexity. Receivers must handle multiple parallel DSP threads, requiring advanced ASIC designs.
• Kramers-Kronig (KKK) receivers:] A recent scheme that uses a single photodiode with a strong local oscillator to recover both amplitude and phase, reducing the number of photodiodes and hybrids. KK receivers promise lower cost and power consumption for short- and medium-reach links, though they trade off some OSR.
• Machine learning for DSP:] Neural networks are being explored for nonlinearity mitigation, channel estimation, and even symbol detection. For example, a recurrent neural network can replace the Viterbi-Viterbi phase estimator and achieve better tolerance to phase noise. However, the computational overhead and training requirements remain significant hurdles.
• Coherent detection in the C+L bands:] Extending receiver bandwidth to cover both the C-band (1530-1565 nm) and L-band (1565-1625 nm) increases total capacity per fiber, this requires wide optbandical hybrids and photodiodes with uniform responsivity over a 100 nm range
• Ultra-fine frequency tuning and locking:] Future receivers will need to lock the LO to the incoming signal with sub-MHz accuracy to support dense wavelength-division multiplexing (DWDM) with 6.25 GHz channel spacing. Fast frequency locked cycles and digital feed-forward techniques will be essential.
• Energy-efficient analog processing:] Some receive functions (e.g., dispersion compensation) could be performed in the analog domain using photonic filters or electronic digitation before ADC, potentially reducing DSP power consumption.

وقد تمكن البحث في مواد جديدة، مثل الموصلات شبه الموصلات والناقلات البلازمونية ذات الصبغة الثنائية، في نهاية المطاف من توفير أجهزة استقبال متماسكة من حيث التجاوزات، منخفضة القدرة، أما الآن، فإن الصناعة تركز على بناء أجهزة PIC مناصفة من طراز CMOS، قادرة على 1.6 تيبس لكل قناة باستخدام جهاز S-64QAM مع تركيبات متطورة.

خاتمة

ويواجه جهاز الاستقبال البصري المصمم لنظم الاتصالات المتسقة تحديا هندسيا متعدد الأوجه يتطلب توخي الحذر في استخدام الهجينات البصرية، وأجهزة التصوير الضوئي، وأجهزة القياس، وأجهزة القياس، وأجهزة الاتصال ذات الصلة، حيث يتعين على المتلقي أن يتعامل مع ارتفاع عدد الترددات، ويكبح مصادر الضوضاء المتعددة، ويعالج أشكال التصاميم المعقدة التي لا تخف، وتخفض تكنولوجيات التصوير المتكاملة تكاليفها، وتسمح باستخدام تقنيات الازلة متعددة القنوات.

For further reading, consider exploring foundational texts on coherent detection (]IEE: Coherent Optical Communication Systems), practical design guides from the Optical Society ()