Miksi aaltopituusvalinta ajaa optista vastaanotinta

Nykyaikaisissa optisissa viestintäverkoissa aallonpituus on perusluonteinen suunnitteluparametri, joka määrittää suoraan vastaanottimen herkkyyden, melunsietokyvyn ja yleisen järjestelmän. Kun liikenne pilvipalveluista, streaming video- ja datakeskusyhdysjohdoista jatkuu, insinöörien on ymmärrettävä, miten aallonpituusvalinta vaikuttaa signaalin vastaanottoon joka vaiheessa. Valonilmaisinkvanttitehokkuutta voidaan määrittää suoraan bitti-ero-ratojen (BER) lattialle. Tässä artikkelissa tarkastellaan fyysisiä mekanismeja, jotka yhdistävät aallonpituuden vastaanottimen suorituskykyyn, tarkastellaan standardioptisia taajuuksia ja annetaan toimintakelpoisia ohjeita järjestelmäsuunnittelijoille.

Aallonpituuden fysiikka...

Valonilmaisinten responsibility ja kvanttitehokkuus

Minkä tahansa optisen vastaanotin on valodetektori, joka muuntaa valodetektorin sähkövirraksi. Ilmaisin.[]vastuu [[]] (ampeeria/watti) on aallonpituus. :n]:n osalta ppin-valodiodit[[]:n]:n]:n osalta aaltokuvadiodien (APD:t) [[]:n osalta responsibility kasvaa aallonpituudella jopa puolijohdekaistan aallonpituuden lähelle rajaa. Esimerkiksi tyypillinen InGaAs-valodiodiodi on huippuvastuullinen noin 1550 nm:n (.......) (.........) mutta laskee jyrkästi yli 1650 nm:n tarkkuudella.

Tumma virta ja laukaus melu

Tumma virta - valodiodin läpi virtaava vuotovirta ilman valoa - on myös aallonpituusriippuvainen. Pitemmällä aaltopituudella (esim. L-kaistalle suunnitelluissa) tumma virta on yleensä korkeampi kapeampien hihnamateriaalien vuoksi, mikä voi heikentää vastaanottimen herkkyyttä. Lisäksi shot-melu[-vaaka-asteikkojen ja kokonaisvirran (valovirta + pimeä virta) välillä. Sen vuoksi on ratkaisevan tärkeää valita aallonpituus, joka tasapainottaa korkean vastuun matalalla tummalla jännitteellä.

Vakioaaltopituuden yhtyeet ja niiden vaikutus vastaanotin metriikka

Optinen kuitu viestintä on järjestetty useita aallonpituuskaistat, joilla kullakin on erilliset vaimennuksen, dispersion ja epälineaarinen ominaisuudet. Alla olevassa taulukossa esitetään yhteenveto yleisimmistä taajuudet ja niiden tyypillinen vaikutus vastaanottimen suorituskyky.

850 nm (O-Band for Multimode)

Käytetään pääasiassa -vertikaalisten pinta-ala-laserien (VCSEL)[] kanssa lyhyen matkan multimodaaliyhteyksissä (datakeskukset, paikallisverkot). 850 nm:ssä kuidun menetys on noin 3 dB/km ja modaalisen hajonnan raja-arvot ovat noin 300 m. Vastaanottajien on käsiteltävä suurempaa optista tehoa vaimennuksen kompensoimiseksi, mikä usein johtaa lämpömelun lisääntymiseen [ dominointiin. Edut ovat alhaiset komponenttikustannukset ja helppo integrointi.

1310 nm (O-Band)

Tämä aallonpituus sijaitsee lähellä nollakuoppaa standardissa yhden moodin kuitua (SFF). Vaikka vaimennus on kohtalainen (...0,35 dB/km), vastaanotin hyötyy vähäisestä kromaattisesta hajonnasta, joka vähentää symbolien välistä häiriötä kohtalaisella datanopeudella (jopa 10 Gbps). Suuremmilla nopeuksilla (100 Gbps ja sen jälkeen) tarvitaan edelleen dispersiokorvausta. 1310 nm:ää suositaan keskitason metro- ja liityntäverkoissa, joissa dispersioherkät vastaanottimet voivat toimia ilman ulkoista korvausta.

1550 nm (C-Band)

Erbium-doped kuituvahvistin (EDFA) tekee 1550 nm:n työhevosen pitkän matkan ja sukellusvenejärjestelmien osalta. Heleneminen laskee ...0,2 dB/km, jolloin optiset vahvistimet voivat satuttaa tuhansia kilometrejä. 1550 nm:n kohdalla vastaanottajat kokevat pienimmän signaalinmenetyksen, jolloin erittäin suuri herkkyys (keskinkertaisen −30 dBm:n tarkkuudella). Vastaanotin on kuitenkin 1550 nm:n [...17 ps/nm·km] nopeudella 1550 nm:n kohdalla on hallittava, tyypillisesti käyttäen dispersiota tai digitaalista tasaamista johdon transseterseissa.

L-Band (1565.1625 nm)

L-kaista laajentaa käytettävissä olevaa spektriä C-kaistan ulkopuolelle, jolloin DWDM-divisioonan tiheä aallonpituus-diffuusio multipleksing (DWDM) on enemmän kanavia. L-kaistan vastaanottajien on kamppailtava suuremman kuituhäviön ja vahvemman []neljäaaltosekoituksen kanssa [FWM][[]], koska dispersioerot johtuvat dispersiosta. Erikoisdiodeja, joissa on laajennettu InGaAs-absorptiokerros, käytetään usein hieman vähemmän vastuuta ja suurempi tumma virta. L-kaista on kuitenkin välttämätön järjestelmille, jotka vaativat erittäin suurta kapasiteettia.

Aallonpituus-vaimentava melumekanismit

Vahvistin Spontaani päästö (ASE) Melu

Vahvistetuissa järjestelmissä ASE-melu EDFA-tasosta kertyy linkkiä pitkin. Optisen vahvistimen ääniluku vaihtelee eri taajuuksilla. Aallonpituudet lähellä EDFA-lisähuippua (...1530..1560 nm) ovat matalampia melulukuja, mikä parantaa suoraan vastaanottimen optista signaalia melusuhteeksi (OSNR). Vahvittimen tasapeltoalueen kanavan valinta voi vähentää ASE-aiheisten bittivirheiden määrää.

Epälineaariset arvonalentumiset

Aallonpituusvalinta vaikuttaa epälineaarisiin vaikutuksiin, kuten ]-vaihemodulaatioon (SPM)[[]], [-haara-vaiheen modulointiin (XPM)[[], ja []]]. DWM[[]]-järjestelmissä nolladispersioaallonpituuden (...1310 nm) lähellä olevat kanavat kärsivät enemmän FWM:stä, kun taas pidempien aallonpituuksien (C-kaista) on oltava riittävän suuria paikallista hajaantumista, jotta ne voivat vaimentaaa FWM:n. Digitaalista signaalinkäsittelyä (DSP) käyttäville lineaarisuutta käyttäville vastaanottimille rangaistus on aallonpituusriippuvainen; optimaalinen laukaisuteho ja kanavan jako on tasapainotettava ei-lineaarista melua ASE-melua vastaan.

Käytännön kaupanpäälliset aaltopituuden valinta

Tietonopeus ja kaistanleveys Rajoitukset

Suurilla symbolinopeuksilla (≥56 GBd) vastaanottimen 3 dB:n kaistanleveyden on oltava riittävä signaalin sieppaamiseen ilman vääristymiä. Pitemmällä aallonpituuksilla valodiodikapasitanssi voi olla pienempi (suurempien vajeleveyksien vuoksi), kaistanleveyden rajoittaminen. Valonkehittimien läpimenoaika kuitenkin kasvaa myös absorptiosyvyyden myötä. Huipputason [ uni-matka-kartelli (UTC) -valodiodit[ saavuttavat yli 100 GHz:n kaistanleveyden C- ja L-kaistan välillä, mutta vaativat kuitenkin tarkkaa epitaksiaalista suunnittelua jokaiselle kaistalle.

Johdonmukaisuus vs. suora osoittaminen

-koostuvissa vastaanottimissa[ aallonpituusvalikoima vaikuttaa paikalliseen oskillaattorin (LO) laservaiheen meluun ja polarisaation linjaukseen. LO-aallonpituuden on vastattava signaalia muutaman sadan MHz:n sisällä, mikä vaikeutuu signaalin aallonpituuden siirtyessä. Edistyneet digitaalisen vaiheen estimointialgoritmit voivat sietää suurempaa aallonpituuden eroa, mutta järjestelmän marginaali on edelleen heikentynyt, jos aallonpituutta vaeltelee LO. Suoran havaitsemisen vastaanottimien (esim. HOOK for PONs) aallonpituusvakautta koskevat vaatimukset ovat löysempiä, mutta kromaattisen hajonnan rangaistus 1550 nm raja-arvoissa on pienempi.

Kustannus ja osa-alueen saatavuus

Yhden aallonpituuden kaistan standardointi yksinkertaistaa varastoa, mutta voi pakottaa optimaalista vähemmän. Esimerkiksi 1550 nm:n käyttö lyhyen matkan datakeskusyhteyksissä on kallista, koska tarvitaan jäähdytettyjä laserdiodeja ja EKRA:ita. Toisaalta 850 nm:n käyttö pitkän matkan nopeudella on mahdotonta suuren tappion vuoksi. Järjestelmäsuunnittelijoiden on punnittava aallonpituusspesifisten lähteiden, ilmaisimien ja vahvistimien kustannuksia suorituskyvyn parantuessa.

Aallonpituuspaletin laajentaminen: S-Band, U-Band ja Byond

Nykyisessä tutkimuksessa tutkitaan S-kaistaa (1460.1530 nm) ja U-kaistaa (1625.1675 nm) lisäkapasiteetin avaamiseksi. Vastaanotinten osalta nämä taajuusalueet asettavat haasteita: fotodiodeilla on usein pienempi vastuu (absorptiokerrosrajoitusten vuoksi), ja pimeä virta voi olla suuruusluokkaa suurempi. Kuitenkin [[[...]]hybridivalonkehittimien [[[...]]] (esim. SiGe- ja InGaAs-integrointi) ja kehittyneiden melunestopiirien kehittäminen saattaa pian olla mahdollista ultra-kapasiteettisten tila-alue-monipuolisoitujen järjestelmien (SDM) osalta.

Päätelmä: Käytännön ohjeet aaltopituuden optimointi

Optisen vastaanottimen optisen aallonpituuden valinta on kaukana yhdestä kokoluokasta. Seuraava tarkistuslista auttaa järjestelmäarkkitehtejä tekemään tietoon perustuvia kompromisseja:

  • ] Lyhyen matkan ([<1 km):] Käytä 850 nm:ää edullisesti kuluttavien VCSEL- ja pin fotodiodien kanssa. Pidä vastaanotettu teho korkealla lämpömelun poistamiseksi.
  • Keskipitkän matkan (1...40 km) osalta:[ 1310 nm tarjoaa matalan dispersion ja erinomaisen herkkyyden ilman hajautuskorvausta. Suoran havaitsemisen vastaanottimet ovat yksinkertaisia ja kustannustehokkaita.
  • Pitkän matkan (>100 km) osalta:[ 1550 nm (C-kaista) jossa on EKRA-voitto ja johdonmukainen havaitseminen, antaa korkeimman herkkyyden ja tavoittavuuden. Käytä dispersiokorvausta tai DSP:tä hallitaksesi kromatista dispersiota.
  • Erittäin suuren kapasiteetin osalta:[ Laajennetaan L-kaistaan ja lopulta S-kaistaan. Valvotaan vastaanotinta pimeää virtaa ja ASE-melua. Harkitse käyttää APD-laitteita herkkyyden lisäämiseksi pidemmillä aallonpituuksilla.

5G:n räjähdysmäinen kasvu, esineiden internet ja tekoäly vaativat vieläkin suurempia datanopeuksia. Tämän seurauksena aallonpituuksien valinta on optisten vastaanottimen suunnittelun kulmakivi. Tämä ansaitsee huolellista tutkimusta ja optimointia linkin tasolla. Pinomiehet, jotka hallitsevat aallonpituuden, vastaanottimen melun ja epälineaaristen häiriöiden välisen vuorovaikutuksen, ovat hyvin varustettuja rakentamaan kestäviä ja suorituskykyisiä verkkoja seuraavan vuosikymmenen ajan.

Ulkoiset viitteet