Optiset signaalin regenerointijärjestelmät muodostavat pitkän matkan nopeiden tietoliikenneverkkojen selkärangan. Ne palauttavat valopulssien laadun, jotka ovat kuidusta välittymisen heikentämiä ja vääristämiä. Jokaisen regeneraattorin sydämessä on optinen vastaanotin.A-komponentti, jonka on erittäin tarkasti havaittava, muunnettava ja puhdistettava saapuva valo. Tässä artikkelissa tarkastellaan optisten vastaanottimien roolia signaalin regeneraatiossa, tutkitaan niiden keskeisiä komponentteja ja suorituskykymittareita ja tarkastellaan uusia teknologioita, jotka työntävät tiedonsiirtoa.

Mikä on optinen vastaanottolaite?

Optinen vastaanotin on optoelektroninen laite, joka muuntaa moduloidut valopulssit vastaavaksi sähkösignaaliksi. Se on optisen kuidun jälkeen ensimmäinen elektroninen vaihe ja sen on toimittava saapuvan datavirran nopeudella. Tyypillinen vastaanotin koostuu []valonilmaisimesta[], transimpedanssivahvistimesta (TIA), joka rajoittaa vahvistimia, kelloa ja tietojen talteenottopiiriä ja usein päätöspiiriä. Valodetektori on yleensä PIN-valodiodi tai lumivyöryvalodiodi (APD). Tästä TIA muuntaa tämän virran valovirran suhteessa tapahtumaoptiseen tehoon.

Vastaanotin ensisijainen tehtävä on tulkita valopulsseihin koodatut tiedot tarkasti. Nykyaikaisissa digitaalisissa järjestelmissä tämä tarkoittaa logiikan ...0...ja ..1... tasojen erottamista melusta, hajoamisesta ja vaimennusta, jotka kerääntyvät pitkille kuitusarjoille. Ilman asianmukaisesti suunniteltua vastaanottimea edes kehittyneimmät modulaatiomuodot eivät voi ylläpitää virheetöntä viestintää.

Optisten vastaanottajien rooli signaalin regeneraatio

3R- (uudelleenamplisointi, uudelleenkehittäminen, uudelleen-ajastus) regenerointijärjestelmässä optinen vastaanotin suorittaa kaksi ensimmäistä vaihetta. Saapuva optinen signaali on jo heikko ja mahdollisesti vääristynyt. Siellä se on vahvistettu vakiojännitteeksi (uudelleenamplisointi) ja se kulkee suodattimen ja päätöksentekopiirin läpi, joka poistaa melua ja muokkaa aaltomuodon (uudelleenmuotoilu). Lopuksi, kellon palautuspiirin otteet ajoitustiedot, jotka mahdollistavat regeneraattorin tuottaa puhtaan, synkronoidun pulssin.

Ilmaistaan ja muunnetaan

Valonilmaisimella on oltava riittävä kaistanleveys ja vastuu alkuperäisen modulaationopeuden kaappaamiseen. Suurnopeusjärjestelmissä (esim. 100 Gbps tai 400 Gbps), PIN-valodiodit, joiden kaistanleveys ylittää 50 GHz, ovat yleisiä. Muuntotehokkuus vaikuttaa suoraan vastaanottimen herkkyyteen.

Melusuodatus ja vahvistin

Muuntamisen jälkeen sähkösignaali sisältää lämpömelua vahvistimesta, ilmaisimen laukausmelua ja kuidun jäljellä olevaa interferometristä melua. Muodonmuutostaajuudelle viritetty kaistan ulkopuolella oleva suodatin poistaa ääniä. Vahvistin parantaa signaalia ja lisää mahdollisimman vähän melua; TIA...

Päätöksen kiertokulku ja ajoitus palautuminen

Päätöksen piiri vertaa suodatettua signaalia kynnysjännitteeseen. Hyvin löydetyn kellon avulla voidaan varmistaa, että näytteenotto tapahtuu optimaalisella hetkellä. Ajoitusjitteri on minimoitava, sillä liiallinen jitter aiheuttaa bittivirheitä, erityisesti tiheän aallonpituuden - jakamis multipleksing (DWDM) -järjestelmissä, joissa useita kanavia on pakattu tiiviisti yhteen.

Optisen vastaanottajan avainkomponentit

Valonilmaisin

Valonilmaisin muuntaa saapuvat fotonit elektroni-reikäpareiksi. []PIN-valodiodit[ tarjoavat suuren nopeuden ja lineaarisuuden mutta vaatimattoman sisäisen hyödyn. []Valanche-valodiodit (APD)[ tarjoavat sisäisen moninkertaistumisen, parantavat herkkyyttä jopa 10.15 dB:iin asti, mutta vaativat suurempia jänniteitä ja melua. Johdonmukaisissa havaitsemisjärjestelmissä käytetään tasapainoisia valodiodeja, joilla voidaan peruuttaa yhteinen-modaalinen melu.

Transimpedanssivahvistin (TIA)

TIA on ensimmäinen vahvistin vaiheessa jälkeen fotodiodi. Se muuntaa fotovirta (tyypillisesti muutama mikroamps) jännite (satoja millivoltteja) matalalla melulla ja suuri kaistanleveys. Moderni TIA usein sisältää automaattinen saada ohjaus käsitellä vaihtelevia tulotehon tasoilla ilman kyllästymistä.

Rajataan vahvistinta ja suodatinta

Rajaava vahvistin kyllästää signaalin kiinteään amplitudiin, jolloin amplitudi muuttuu siten, että se voi sekoittaa päätöksentekopiirin. Passiiviset tai aktiiviset suodattimet muokkaavat signaalispektriä ja torjuvat äänitason. Jotkut vastaanottimet integroivat []-low-pass Bessel-suodattimen säilyttääkseen pulssin muodon ja vähentääkseen korkeataajuista melua.

Kellon ja tietojen Recovery (CDR) Circuit

CDR poimii ajoituksen kellon datavirrasta ja sovittaa näytteen välittömästi. Ei-paluu nollaan (NRZ) -formaatteja varten tarvitaan vaihelukitettu silmukka (PLL) lukittuu datan siirtymiin. Edistyneen moduloinnin, kuten PAM-4:n tai QPSK:n, osalta tarvitaan kehittyneempiä ajoitusta palautuvia algoritmeja.

Suorituskykymittari optisille vastaanottajille Regeneraatiossa

Suunnittelijat arvioivat optisia vastaanottimia käyttäen useita keskeisiä parametreja, jotka vaikuttavat suoraan regenerointilaatuun:

  • Häiriö: Keskimääräinen optinen vähimmäisteho, jota tarvitaan BER-arvon 10−12 (tai sitä alemman) saavuttamiseksi. Suurempi herkkyys mahdollistaa pidempien regeneraattoreiden välisten jaksojen.
  • Kaapelinleveys:[ on oltava riittävä datataajuuden perustaajuuden siirtämiseen (esim. NRZ:n >0,7× bittinopeus). Riittämätön kaistanleveys aiheuttaa symbolien välisen häiriön (ISI).
  • Dynamic Range:[ Se sisääntulooptisen tehon alue, jonka yli vastaanotin ylläpitää lineaarista toimintaa. Laaja dynaaminen alue estää kyllästymisen lyhyillä spansseilla ja takaa riittävän herkkyyden pitkillä spansseilla.
  • Melukuva:[] TIA:n hallitsema meluluku lisää kokonaismelua. Alempi meluluku parantaa herkkyyttä.
  • Polarisointiriippuvuus:[] Johdonmukaisissa järjestelmissä vastaanottimien on käsiteltävä mielivaltaista polarisaatiota. Polarisointidiversiteetti vastaanottimet halkeavat ja käsittelevät sekä polarisaatioita.

Dispersion ja epälineaarisuuden vaikutus

Kromaattinen dispersio ja epälineaariset Kerr-vaikutukset vääristävät pulssia. Vaikka optinen regeneraatio sisältää usein dispersiokompensaation, sähkövastaanotin voi myös suorittaa [ elektronista dispersiota kompensoivia (EDC)[] käyttäen tasaussuodattimia. EDC laajentaa suoran detektorijärjestelmien ulottuvuutta ilman lisäoptisia laitteita.

Regeneraatiossa käytetyt optiset vastaanottajat

Suoran tunnistamisen vastaanottajat

Nämä ovat yksinkertaisimpia, havaitsevat vain optisen signaalin voimakkuuden. Niitä käytetään yleisesti perinteisissä 2,5 Gbps- ja 10 Gbps-järjestelmissä sekä passiivisissa optisissa verkoissa (PON). Korkeammilla nopeuksilla suora havaitseminen kärsii kromaattisesta dispersiosta ja perustuu EDC:hen tai dispersiota kompensoivaan kuituun.

Yhdenmukaiset vastaanottajat

Johdonmukaiset vastaanottimet sekoittavat saapuvan signaalin paikalliseen oskillaattoriin (LO), joka mahdollistaa faasin ja amplitudin palautumisen. Tämä mahdollistaa suuremman spektritehokkuuden ja tukee modulaatioformaatteja kuten 16-QAM ja 64-QAM. Johdonmukainen havaitseminen yhdistettynä digitaaliseen signaalinkäsittelyyn (DSP) voi kompensoida kromaattisen ja polarisaatiotilan dispersion ilman optisia komponentteja. Nykyaikaiset yhtenäiset vastaanottimet ovat välttämättömiä sukellusvenekaapeleille ja pitkille maayhteyksille 100 Gbps:n ja sen jälkeen.

Integroidut fotonivastaanotinlaitteet

Pii fotoniikka- ja indiumfosfidialustat integroida fotodetektorit, muuntimet, ja jopa DSP-piirit yhdellä piirillä. Nämä integroidut vastaanottimet vähentää virrankulutusta ja jalanjälkeä samalla parantaa luotettavuutta. Ne ovat keskeisiä mahdollistajia datakeskuksen yhteenliitäntöjä ja metroverkkoja.

Haasteita optisen vastaanottolaitteen suunnittelussa Regenerointiin

  • Termaalinen melu vs. Shot Melu:[] Matalalla syöttöteholla TIA:n lämpömelu hallitsee, rajoittaa herkkyyttä. APD:t auttavat mutta aiheuttavat liiallista melua. Edistyneet vastaanotinmallit käyttävät melun suodattamisen jälkeisiä algoritmien kanssa.
  • Kaapelinleveyden rajoitukset:[ Koska datan nopeus nousee yli 800 Gbit/aallonpituus, erilliset komponentit kamppailevat sekä suuren kaistanleveyden että matalan melun ylläpitämiseksi. Fotoni-elektroninen yhteissuunnittelu on tarpeen.
  • Jitter ja ajoitus:[ Jitter kertyy regeneraattoreiden kautta. Jokaisen vastaanotin on oltava heikko sisäinen hermostuminen ja korkea hermostumista sietokyky. Vaiheen melu LO johdonmukaisissa vastaanottimissa on toinen haaste.
  • Vähimmäisen kulutuksen:[ Suurnopeusvastaanottimet ja DSP-sirut voivat kuluttaa kymmeniä watteja. Energiatehokkuus on ratkaisevan tärkeää datakeskusten verkkojen skaalautuessa.

Optisen vastaanottotekniikan tulevat suuntaukset

Koneoppiminen mukautuvaa tasaamista varten

DSP-pohjaiset vastaanottimet alkavat sisällyttää koneoppimisalgoritmeja, jotka sopeutuvat muuttuviin kuituolosuhteisiin reaaliajassa. Neuroverkot voivat optimoida päätöskynnyksen ja tasausnapat, parantaa BER:ää useilla suuruusluokilla epälineaarisen vääristymän vallitessa.

Yhteensopiva Nyquist-alusten kanssa

Akustisen tehokkuuden lisäämiseksi tulevat regeneraattorit käyttävät Nyquist-pulsed-alentimia yhdistettynä korkeatilaus-QAM-järjestelmään. Vastaanottajien on oltava lineaarisempia ja nopeampia analogisia digitaalisia muuntimia (ADC-muuntimia) tiheän tähtikuvion käsittelemiseksi.

Mikrosiirretyt valokuvadiodit

Uusien pakkaustekniikoiden avulla voidaan tulostaa pieniä valodiodeja suoraan pii-PIC-komponentteja, mikä vähentää loiskapasitanssia ja parantaa kaistanleveyttä yli 100 GHz. Tämä voi mahdollistaa 1.6 Tbps-kanavien.

Kaikki-optinen regenerointi ja sähköinen valvonta

Jotkut tutkimukset viittaavat hybridijärjestelmiin, joissa yksinkertaiset optiset portit regeneroivat karkeasti ja elektroniset vastaanottimet käsittelevät hienoksi rakeistettua uudelleenmuotoilua ja uudelleenmuotoilua. Tämä voisi vähentää virrankulutusta säilyttäen samalla suorituskyvyn ultrapitkän matkan lenkeissä.

Päätelmät

Optiset vastaanotinlaitteet ovat kaukana passiivisista konversioelementeistä; ne ovat aktiivisia, älykkäitä päätöksentekokomponentteja, jotka määrittelevät signaalien regenerointijärjestelmien suorituskyvyn. Nöyrästä PIN-valodiodista kehittyneeseen johdonmukaiseen vastaanotintan reaaliaikaisella DSP:llä, kaikki osat on optimoitava nopeutta, melua ja tehoa varten. Kun verkot työntävät kohti terabiitti-sekuntinopeuksia ja sen jälkeenkin, optinen vastaanotin pysyy innovaation keskipisteenä. Sen roolin ja rajoitusten ymmärtäminen on välttämätöntä kaikille, jotka suunnittelevat tai käyttävät nykyaikaista optista viestintäinfrastruktuuria.

Lisätietoja saa IEEE 802,3 Ethernet-standardit vastaanottimen suorituskykyvaatimukset ja Fiber Optic Association käytännön käyttöönottoohjeet.