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El creciente desafío de las no linealidades de fibra en redes ópticas de alta velocidad
Los sistemas de comunicación óptica de alta velocidad son la columna vertebral de la transmisión moderna de datos, llevando todo desde el tráfico de Internet a las transacciones financieras y las cargas de cálculo de la nube. Como escala de datos de 10 Gbps por canal a 400 Gbps, 800 Gbps y más allá, las demandas de integridad de la señal en el receptor óptico se han vuelto cada vez más severas.
Comprender los orígenes físicos de las nolinearidades fibras
Las fibras ópticas presentan comportamientos no lineales principalmente debido al efecto Kerr, en el que el índice refractivo del vidrio silico cambia proporcionalmente a la intensidad de la luz que pasa a través de él. Este índice dependiente de intensidad, combinado con las largas longitudes de interacción en las fibras ópticas, da lugar a varios fenómenos distintos no lineales surgen de los procesos de dispersión inelástica.
El efecto Kerr y la modificación de autocontaminación (SPM)
La modulación autofábrica ocurre cuando el perfil de intensidad de un pulso modula su propia fase a través del efecto Kerr. El borde líder del pulso experimenta un retroceso de frecuencia, mientras que el borde de seguimiento experimenta un cambio de posición, lo que conduce a ampliación del espectro. En sistemas de alta velocidad, esta ampliación puede causar problemas adyacentes a superposición en el dominio de frecuencia, aumentando la recuperación de intermitentes
Modulación de la par en el par (XPM)
En sistemas de longitud de onda múltiple (WDM), las variaciones de intensidad de un canal pueden modular la fase de copropagación de canales a través del efecto Kerr. Esta modulación de fase transversal traduce el ruido de amplitud o el patrón de pulso de una longitud de onda en la distorsión de fase en otro. Como resultado, un receptor afinado a una longitud de onda particular puede ver su señal detectada corrompida por el tráfico en canales vecinos
Mezcla de cuatro brazos (MF)
La mezcla de cuatro ondas es un proceso paramétrico en el que dos o más ondas ópticas de diferentes frecuencias interactúan para generar nuevas frecuencias. En sistemas WDM con canales igualmente espaciados, FWM puede producir nuevos tonos que caen directamente en la banda de señal, causando un grave corte cruzado. La eficiencia de FWM depende de la dispersión cromática de la fibra: fibras de baja dispersión, como el canal estándar de interacción
Efectos de estadificación estimulantes (SBS y SRS)
El dispersión de Brillouin estimulada surge de la interacción de la luz con fonones acústicos en la fibra, creando una onda de Stokes atrasada. Sobre un determinado umbral de potencia, SBS puede reflejar una fracción significativa de la potencia lanzada hacia el transmisor, mirando fijamente al receptor de energía de señal y generando ruido.
Impacto en la integridad de la señal en el receptor
La manifestación definitiva de las no linearidades de fibra es una señal óptica degradada en el circuito de decisión del receptor. Los impedimentos no lineales no son simplemente ruido aditivo; crean distorsiones complejas determinísticas y estocásticas que son difíciles de igualar con los ecualizadores lineales tradicionales. Las subsecciones siguientes detallan cómo cada efecto se traduce en problemas de integridad de señal observable.
Distorsión de la forma de pulso y la máquina de azar
SPM y XPM inducen cambios de fase de variabilidad del tiempo que, cuando se convierten a variaciones de intensidad por dispersión cromática, producen distorsión de la forma del pulso. Los bordes principales y rastreadores de un pulso pueden convertirse en asimétricos, y la posición pico puede cambiar en el tiempo, un fenómeno conocido como mejora de la fase de los sistemas de de recuperación de alta velocidad
Degradación de la tasa de error de la tasa de cierre y de error de los ojos
El efecto acumulativo de todas las no linearidades es un cierre del diagrama de ojos recibido. La apertura de ojos vertical se reduce porque el ruido de amplitud y el habla cruzado reducen la distinción entre lógica 1 y lógica 0 niveles. La apertura horizontal se contrae porque el nervio y el pulso ensanchan causa las transiciones a ocurrir antes o más tarde de lo esperado.
Noise de fase no lineal en sistemas coherentes
Los transceptores ópticos de alta velocidad modernos utilizan la detección coherente con el procesamiento digital de señales (DSP) para desmoronar formatos avanzados de modulación como DP-16QAM. En estos sistemas, la fase de portador se rastrea por el algoritmo de recuperación de fases del receptor. Sin embargo, el ruido de fase no lineal — derivado del efecto Kerr combinado con emisiones espontáneas amplificadas (ASE) de los amplificadores de fibra de la fase de la fase de la fase inversa (EDFAs)
Cross-Talk en la división de Wavelength
FWM y XPM producen una radiografía lineal y no lineal que degrada la relación señal-interferencia en el receptor. En los sistemas DWDM con intervalos de 50 GHz, los productos FWM pueden caer directamente en el ancho de banda de un canal vecino, apareciendo como un tono analógico que no puede ser filtrado. Esto es especialmente dañino para los receptores que emplean la sensibilidad de un convertidor, que no tienen un
Estrategias de Mitigación para la Conservación de la Integridad de la Señal
Existe una amplia gama de técnicas para reducir el impacto de las no linealidades de fibra en el rendimiento del receptor. Estas estrategias abarcan la capa física (el fibero, la potencia de lanzamiento), el diseño de modulación (formatos, modelado de pulsos) y el dominio digital ( algoritmos DSP). Un diseño de sistema óptimo combina a menudo varios enfoques para lograr el alcance y la capacidad deseados.
Gestión de la energía y la dispersión
La mitigación más simple es mantener el poder de lanzamiento debajo del umbral no lineal, pero esto reduce la relación de señal a ruido óptico (OSNR) en el receptor. Se requiere un acto de equilibrio. Gestión de dispersión usa múltiples extensiones de fibra con dispersión positiva y negativa para mantener la dispersión acumulada cerca de cero mientras mantiene una alta dispersión local.
Formatos de Modulación Avanzada
[LT] Los formatos de velocidad de transmisión de frecuencias más altos [FLT] [FLT] [FLT]]
Indemnización por no linealidad digital
Los receptores coherentes permiten técnicas de mitigación digital poderosas. Retropropagación digital (DBP)) modela la propagación no lineal de la fibra en reversa, utilizando la forma de onda recibida para estimar y substraer las distorsiones no lineales. DBP es computacionalmente intensivo pero puede casi duplicar la distancia de transmisión alcanzable en algunos escenarios.
Innovaciones de diseño de fibra
Las fibras de alta intensidad [LT2] se pueden reducir en un máximo de 80 mm, y en un mayor grado de resistencia, y en un mayor número de fibras de alta calidad, se pueden reducir en un máximo de 80,5 m.
Técnicas de receptor-side
Las mejoras en el receptor pueden también mitigar los efectos de la no alineación. El uso de fotodiodes de la división (APDs) en lugar de los diodos de PIN puede mejorar la sensibilidad del receptor, permitiendo una menor potencia de lanzamiento.
Future Directions and Research Frontiers
A medida que las tasas de datos se acercan 1 Tbps por longitud de onda y por encima, las técnicas tradicionales de mitigación están alcanzando sus límites. La investigación está explorando varias vías prometedoras para superar el límite de capacidad no lineal de la fibra estándar de monomodo.
Aprendizaje de máquinas para la mitigación no lineal
Los modelos de aprendizaje profundo, incluidas las redes neuronales convolutivas y recurrentes, están siendo entrenados para identificar y cancelar distorsiones no lineales en tiempo real. Estos modelos pueden adaptarse a condiciones de canal variables, como cambios en el tipo de potencia de lanzamiento o fibra, y pueden superar algoritmos analíticos como DBP en complejidad similar.El desafío es implementarlos en ASIC de baja potencia, de alta velocidad que pueden seguir el ritmo con cientos de módulos de primera cadena.
Múltiples de visualización espacial y fibras de poca movilidad
Mediante la transmisión de múltiples modos espaciales (en fibras de poca medida) o múltiples núcleos (en fibras de múltiples núcleos), el poder por modo puede mantenerse bajo, reduciendo el impulso no lineal por canal. Multixing de la división espacial (SDM) convierte efectivamente el desafío de capacidad en un problema de paralelismo espacial, donde cada canal espacial opera a velocidades moderadas y niveles de potencia.
Conclusión
Las no linearidades de fibra son una realidad inescapable en sistemas de comunicación óptica de alta velocidad, afectan directamente la integridad de la señal observada en el receptor. Modulación auto-fase, modulación de fases, mezcla de cuatro ondas y estimula efectos de dispersión cada uno contribuye a la distorsión de pulsos, el corte de tiempo, el ruido de fase.
Referencias externas: