Καθώς οι κλίμακες κυκλοφορίας του δικτύου προς τις ικανότητες πεταμπίτ ανά δευτερόλεπτο, η αποδοτικότητα της μετατροπής ηλεκτρικών bit σε φως και πίσω πάλι υπαγορεύει την οικονομική και τεχνική βιωσιμότητα της παγκόσμιας υποδομής. Για τους μηχανικούς και αρχιτέκτονες του δικτύου, η κατανόηση αυτών των αρχών είναι απαραίτητη για το σχεδιασμό συστημάτων που μεγιστοποιούν την πρόσβαση, την ικανότητα και την αξιοπιστία.

Κωδικοποίηση: Χαρτογράφηση bit σε φωτονικές καταστάσεις

Η κωδικοποίηση είναι η διαδικασία της μετάφρασης ενός ψηφιακού ηλεκτρικού ρεύματος bitstream σε μια διαμορφωμένη οπτική κυματομορφή. Το επιλεγμένο σύστημα κωδικοποίησης καθορίζει άμεσα την πυκνότητα πληροφοριών ανά μονάδα εύρους ζώνης, γνωστή ως φασματική απόδοση (μετρούμενη σε b/s/Hz).

Εντασιμότητα: On-Off Keying και NRZ

Η απλούστερη μορφή κωδικοποίησης είναι On-Off Keying (OOOK), όπου ένα δυαδικό 1 αντιστοιχεί σε ένα υψηλό οπτικό επίπεδο ισχύος και ένα δυαδικό 0 αντιστοιχεί σε ένα χαμηλό οπτικό επίπεδο ισχύος. Στην πράξη, αυτό υλοποιείται χρησιμοποιώντας έναν κώδικα γραμμής Non-Return-to-Zero (NRZ), όπου το λέιζερ παραμένει ανοιχτό για όλη την περίοδο bit. Το πλεονέκτημα του OOK/NRZ είναι η απλότητα του πομποδέκτη. Απαιτεί μόνο ένα άμεσα διαμορφωμένο λέιζερ ή έναν εξωτερικό διαμορφωτή και έναν απλό φωτοδιοδέκτη. Ο πρωταρχικός περιορισμός είναι η κακή φασματική απόδοση, συνήθως ο περιορισμός των τιμών δεδομένων ενός κύματος σε 10 Gbps ή 25 Gbps πριν οι ποινές διασποράς γίνουν μη διαχειρίσιμες.

Πολυεπίπεδο κωδικοποίηση: Σφυγμός διαμόρφωσης πλάτους (PAM4)

Για να αυξηθούν τα ποσοστά bit χωρίς αναλογικά να αυξηθεί το εύρος ζώνης, το PAM4 κωδικοποιεί τους χάρτες δύο bits σε κάθε μεταδιδόμενο σύμβολο χρησιμοποιώντας τέσσερα διακριτά επίπεδα πλάτους. Για παράδειγμα, τα bits ⁇ 00 ⁇ μπορεί να χαρτογραφήσουν στο χαμηλότερο επίπεδο ισχύος, ενώ ⁇ 11 ⁇ χάρτες στο υψηλότερο. Το PAM4 είναι η βάση του IEEE 802.3β 400 GbE πρότυπα για συνδέσεις μικρής εμβέλειας (2-10 km). Με διπλασιασμό των bits ανά σύμβολο, το PAM4 επιτυγχάνει 50 Gbps ή 100 Gbps ανά λωρίδα χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά σχεδιασμένα για 25 GHz ή 50 GHz σηματοδότηση. Ωστόσο, οι μεταβάσεις μεταξύ των τεσσάρων επιπέδων είναι πιο κοντά μεταξύ τους, καθιστώντας το σήμα πιο ευαίσθητο στο θόρυβο και απαιτώντας υψηλότερες σχέσεις οπτικού σήματος-προς-θορύσματος (OSNR) σε σύγκριση με το δυαδικό NRZ.

Φάση και Τετραγωνική Συγκέντρωση (Συνεχής Κωδικοποίηση)

Για τα δίκτυα μεγάλου μήκους και μετρό, η κωδικοποίηση πρέπει να χρησιμοποιεί τη φάση του οπτικού φορέα για να μεγιστοποιήσει την φασματική απόδοση. Το Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) κωδικοποιεί δύο bits ανά σύμβολο, με τη μετατόπιση της οπτικής φάσης μεταξύ τεσσάρων καταστάσεων (0°, 90°, 180°, 270°). Μετακινείται σε 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) κωδικοποιεί τέσσερα bits ανά σύμβολο συνδυάζοντας το εύρος και τις αλλαγές φάσης. Αυτές οι μορφές υλοποιούνται χρησιμοποιώντας Mach-Zehnder διαμορφωτές (MZMs) σε μια φωλιά δομή διαμόρφωσης I/Q. Η επιλογή της μορφής διαφοροποίησης ακολουθεί μια θεμελιώδη εμπορική off: μορφές υψηλότερης τάξης (64QAM, 256QAM) συσκευάζουν περισσότερα bits ανά σύμβολο, αλλά απαιτούν εκθετικά υψηλότερη OSNR, περιορίζοντας την απόσταση μετάδοσης.

Κωδικοποίηση διπλής πολωνοποίησης (DP)

Μια βασική τεχνική για την κλιμάκωση της ικανότητας είναι η κωδικοποίηση διπλής πολοποίησης, η οποία εκμεταλλεύεται τις δύο ορθογώνιες καταστάσεις πόλωσης του φωτός σε μονότροπη ίνα. Με ανεξάρτητη κωδικοποίηση δεδομένων τόσο για τις πόλωση Χ όσο και Y, η φασματική απόδοση διπλασιάζεται χωρίς να απαιτείται πρόσθετο οπτικό εύρος ζώνης. Τυποποιημένοι συνεπείς πομποδέκτες χρησιμοποιούν DP-QPSK (4 bits/symbol) ή DP-16QAM (8 bits/symbol). Ο δέκτης πρέπει να παρακολουθεί με ακρίβεια και να αντισταθμίζει τις τυχαίες περιστροφές πόλωσης στην ίνα, μια εργασία που διαχειρίζεται από προηγμένους αλγόριθμους επεξεργασίας ψηφιακού σήματος (DSP).

Για λεπτομερή τεχνικό αστάρι σε συνεκτικές μορφές διαφοροποίησης, η Cisco/Acacia συνεκτική οπτική λευκό χαρτί παρέχει μια εις βάθος επεξήγηση των αρχιτεκτονικών διαμόρφωσης I/Q και διπλής πολοποίησης.

Αποκωδικοποίηση: Η αλυσίδα επεξεργασίας του παραλήπτη

Αποκωδικοποίηση είναι το αντίστροφο της κωδικοποίησης, αλλά είναι σημαντικά πιο περίπλοκη λόγω φυσικών δυσλειτουργιών που εισήχθησαν κατά τη διάρκεια της μετάδοσης. Ο δέκτης πρέπει να ανακτήσει την ακριβή φάση, συχνότητα, πόλωση, και το χρονοδιάγραμμα του εισερχόμενου σήματος πριν τη μετατροπή του πίσω σε ηλεκτρικά bits.

Άμεση ανίχνευση έναντι της συνοχής ανίχνευσης

Η άμεση ανίχνευση, που χρησιμοποιείται με OOK και PAM4, μετράει τη στιγμιαία ισχύ του εισερχόμενου φωτός χρησιμοποιώντας φωτοδίοδο. Αυτή η προσέγγιση είναι απλή, χαμηλής ισχύος και ανέξοδη, αλλά απορρίπτει όλες τις πληροφορίες φάσης. Η συνεκτική ανίχνευση, που απαιτείται για τα σήματα που διαμορφώνονται φάση, αναμιγνύει το εισερχόμενο σήμα με ένα τοπικό λέιζερ ταλαντωτή (LO) σε ένα οπτικό υβρίδιο 90 μοιρών. Αυτή η διαδικασία ανάμειξης ανακτά το πλήρες ηλεκτρικό πεδίο του σήματος, παρέχοντας πρόσβαση τόσο στο εύρος όσο και στη φάση των στοιχείων της In-phase (I) και της Quadrature (Q) και στις δύο πόλωση. Τα ανακτημένα αναλογικά σήματα αντιπροσωπεύουν το πλήρες οπτικό πεδίο, επιτρέποντας την ψηφιακή αντιστάθμιση των γραμμικών αποδυναμώσεων.

Αναλογική σε ψηφιακή μετατροπή και DSP

Τα αναλογικά σήματα από τον συνεκτικό δέκτη ψηφιοποιούνται από υπερ-υψηλής ταχύτητας ADC που λειτουργούν στα 80 GSa/s έως 200 GSa/s. Τα ψηφιοποιημένα δείγματα τροφοδοτούν ένα ειδικό DSP ASIC που εκτελεί τις ακόλουθες βασικές λειτουργίες:

  • Χρωματική Αποζημίωση Διασποράς (CDC): Ένα φίλτρο μαζικής συχνότητας-domain αντιστρέφει τη συσσωρευμένη χρωματική διασπορά της ίνας, η οποία μπορεί να επιχύνει παλμούς σε χιλιάδες περιόδους bit.
  • Πολωτικοποίηση Αποπολλαπλασιασμός: Προσαρμοζόμενοι ισοσταθμιστές χρόνου-τομεακής (χρησιμοποιώντας αλγόριθμους όπως ο Σταθερός Αλγόριθμος Μοδούλου ή το Κατευθυνόμενο LMS) διαχωρίζουν τους παραποτάμους πόλωσης Χ και Υ και αντισταθμίζουν τη Διασπορά της Τρόποςς Πολωτικοποίησης (PMD).
  • Ανάκτηση φορτηγού: Οι βρόχοι εκτίμησης φάσης και συχνότητας απομακρύνουν τον θόρυβο μετατόπισης συχνότητας και φάσης του πομπού και των LO λέιζερ.
  • Ανίχνευση και αποκωδικοποίηση συμβολαίων: Τα επεξεργασμένα σύμβολα χαρτογραφούνται πίσω σε bits, και εφαρμόζεται αποκωδικοποίηση προωθημένων σφαλμάτων (FEC).

Διόρθωση προθεσμιακών σφαλμάτων (FEC)

Το FEC αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της διαδικασίας κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης. Στο πομπό, προστίθεται δομημένη πλεονάζουσα δύναμη στο ρεύμα δεδομένων. Στο δέκτη, ο αποκωδικοποιητής FEC χρησιμοποιεί αυτή την πλεονασματική ικανότητα για τον εντοπισμό και τη διόρθωση σφαλμάτων bit που εισάγονται από το θόρυβο και τη στρέβλωση. Σύγχρονα οπτικά δίκτυα χρησιμοποιούν ισχυρούς κωδικούς FEC μαλακής απόφασης (SD-FEC). Το πρότυπο OIF 400ZR ορίζει ένα συγκεκριμένο ανοικτό FEC (oFEC) βασισμένο σε έναν κώδικα σκάλας, επιτρέποντας τη διόρθωση διαλειτουργικών σφαλμάτων σε διαφορετικούς μεταδεδομένους προμηθευτών.

Σχεδιασμός συστημάτων, προϋπολογισμός σύνδεσης και πρότυπα

Η επιλογή ενός συστήματος κωδικοποίησης επηρεάζει άμεσα τον προϋπολογισμό σύνδεσης συστήματος. Οι μηχανικοί πρέπει να υπολογίζουν το διαθέσιμο OSNR έναντι του απαιτούμενου OSNR για μια δεδομένη μορφή διαφοροποίησης σε ένα ποσοστό σφάλματος bit πριν από το FEC (BER).

OSNR και να φτάσει τους υπολογισμούς

Οι μορφές διαμόρφωσης υψηλότερης τάξης (π.χ. DP-64QAM) απαιτούν υψηλότερο OSNR για την επίτευξη ενός δεδομένου BER σε σύγκριση με τις μορφές χαμηλότερης τάξης (π.χ. DP-QPSK). Οι οπτικοί ενισχυτές (EDFAs) προσθέτουν θόρυβο (ASE), ο οποίος υποβαθμίζει το OSNR σε απόσταση. Ως εκ τούτου, υπάρχει άμεση ανταλλαγή μεταξύ φασματικής απόδοσης και μετάδοσης που φθάνουν.

  • DP-QPSK: ~12 dB OSNR απαιτείται. Η προσέγγιση είναι συνήθως αρκετές χιλιάδες χιλιόμετρα σε υποβρύχια συστήματα.
  • DP-16QAM: ~18 dB OSNR απαιτείται. Η προσέγγιση είναι συνήθως αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα για το μετρό και μακριά-απογείωση.
  • PAM4 (Άμεση ανίχνευση): Χαμηλή ανοχή OSNR σε σύγκριση με συνεκτικούς τύπους σε μεγάλες αποστάσεις, αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική για βραχυκύκλωμα (<10 km) λόγω χαμηλότερης ισχύος και λανθάνουσας ισχύος.

Πρότυπα διαλειτουργικότητας

Η διαλειτουργικότητα εφαρμόζεται από οργανισμούς προτύπων που καθορίζουν συγκεκριμένες παραμέτρους κωδικοποίησης, αποκωδικοποίησης και FEC.

  • ΙΕΕ 802.3β (400GbE): Καθορίζει την κωδικοποίηση PAM4 για βραχυκύκλωμα (SR8, DR4, FR8) και τις οπτικές διεπαφές μακράς προσέγγισης (LR8).
  • OIF 400ZR: Καθορίζει μια συνεκτική εφαρμογή DP-QPSK/DP-16QAM για DCI (80-120 km). Προσδιορίζει τη μορφή διαφοροποίησης, τις λειτουργίες DSP και oFEC για να εξασφαλίσει διαλειτουργικότητα πολλαπλών εκδοτών.
  • ITU-T G.709: Καθορίζει τα πρότυπα χαρτογράφησης και FEC του οπτικού δικτύου μεταφορών (OTN) (π.χ. G.975.1) για μετάδοση μεγάλης εμβέλειας.

Για τις τρέχουσες προδιαγραφές για τα συνδετικά συνεκτικά οπτικά, η OIF 400ZR συμφωνία εφαρμογής είναι η οριστική αναφορά.

Φωτονική ενσωμάτωση και μελλοντικές οδηγίες

Η εφαρμογή αυτών των προηγμένων διαδικασιών κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης βασίζεται σε τεχνολογίες φωτονικής ενσωμάτωσης. Οι πλατφόρμες Silicon Photonics (SiPh) και Indium Phosphide (InP) επιτρέπουν την ενσωμάτωση διαμορφωτών, φωτοδιόδων και πολυπλεκτών μήκους κύματος σε συμπαγείς, αποδοτικές μονάδες ισχύος. Η επόμενη γενιά οπτικών διεπαφών ωθεί προς 800 Gbps και 1,6 Tbps ανά μήκος κύματος.

Εξέλιξη 800G και 1.6T

Για την επίτευξη αυτών των συντελεστών, η βιομηχανία ακολουθεί διάφορα παράλληλα βήματα:

  • Υψηλότερες τιμές Μπάουντ: Η αύξηση του ποσοστού συμβόλων από ~60-90 GBaud σε 200+ GBaud απαιτεί ηλεκτρονικά και φωτόνια μεγαλύτερης ταχύτητας.
  • Προηγμένη διαμόρφωση: Χρονο-domain υβριδικό QAM και Probabilistic Constellation Shaping (PCS) προσαρμόζει τη μορφή κωδικοποίησης στις ακριβείς συνθήκες καναλιού, μεγιστοποιώντας την crossput σε βάση σύνδεσης-by-link.
  • Συν-Packaged Optics (CPO):[[LFT:1]] Ενσωματώνοντας τον οπτικό κινητήρα απευθείας με τον διακόπτη ASIC για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος και των ηλεκτρικών απωλειών σε πολύ υψηλές ταχύτητες διεπαφής (1.6T+).
  • Μηχανική μάθηση για DSP: Τα νευρικά δίκτυα διερευνώνται για μη γραμμική αποζημίωση και βελτιστοποιημένη αποκωδικοποίηση, ενδεχομένως ξεκλειδώνοντας υψηλότερες επιδόσεις από τους παραδοσιακούς αλγόριθμους DSP.

Συμπέρασμα

Από την απλότητα των OOK έως την πολυπλοκότητα του σχήματος DP-256QAM με SD-FEC, η επιλογή του συστήματος κωδικοποίησης καθορίζει το θεμελιώδες φάκελο απόδοσης ενός οπτικού συστήματος οπτικών ινών. Οι μηχανικοί πρέπει να κυριαρχούν στις ανταλλαγές μεταξύ της μορφής διαφοροποίησης, της πολυπλοκότητας του DSP και του συστήματος να φτάνουν στο σχεδιασμό αποδοτικών δικτύων υψηλής χωρητικότητας. Οι αρχές της οπτικής κωδικοποίησης και της αποκωδικοποίησης παραμένουν το βασικό πνευματικό θεμέλιο για το μέλλον της φωτονικής δικτύωσης.