הקדמה: The Foundation of Reliable Optical Communication

בעולם ההיפר-מקושר של היום, העברת נתונים מהירה על סיבים אופטיים יוצרת את עמוד השדרה של התקשורת העולמית, תשתיות אינטרנט ומחשוב ענן.כ מפעילי רשת דוחפים לכיוון 400 Gbps, 800 Gbps, ואפילו 1.6 Tbps לכל אורך גל, השלמות של אות אופטית הופכת לגורם קריטי ביותר שמפריד קשר חזק מכשל אחד.

מאמר זה מספק מחקר סמכותי, עמוק עמוק של OSNR: מה זה, למה זה חשוב יותר שידור מהיר יותר מאשר אי פעם, הגורמים שמטמים אותו, ואת האסטרטגיות המעשיות מהנדסים להעסיק כדי לשמר אותו. בין אם אתה אדריכל רשת, מהנדס שדה, או סטודנט של תקשורת אופטית, שליטה ב-OSNR דינמיקה יהיה לצייד אותך לספק קישורים מהירים יותר, אמין יותר.

מה זה Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR)?

OSNR מוגדר כיחס של כוח האות האופטי לכוח הרעש הנמדד בתוך רוחב פס סטנדרטי של הפניה בדרך כלל, רוחב הפס ההתייחסות הוא 0.1 nm (שווה ערך לכ-12.5 GHz ב-1550 ננומטר) - כנס שנקבע על ידי איגוד התקשורת הבינלאומי (ITU-T). הנוסחה היא פשוטה:

(ב) × 10 × 10 (P signal / P noise)

שם (FLT:0)P signalFLT 1 הוא הכוח העליון של האות האופטי ו-FLT:2P noiseFLT 3 הוא כוח הרעש המשולב מעבר רוחב פס 010m.ערך גבוה יותר ב decibels מציין אות נקי עם זיהום נמוך יותר של פליטה ספונטנית מוגברת (ASE) ממפזרים אופטיים, כמו גם מקורות אחרים.

בפועל, OSNR נמדד בסוף המקלט לאחר האות עבר מספר רב של סיבים וגבריים אופטיים. מנתחי ספקטרום אופטי מודרני (OSAs) ו המקלטים קוהרנטיים יכולים לדווח ישירות על OSNR, לעתים קרובות להבחין בין אות לרעש על ידי שימוש בטכניקות הנעה בין קוטב (באמצעות קידוד) או על ידי מדידה של רצפת הרעש באזורים לא סטנדרטיים של מערכת ההפעלה עבור 100bent ל 256 שגיאות (R) מ , לעומת 25 B2 , 000 גירסאות קודמות ל , לעומת 15Bps).

חשוב לציין כי OSNR שונה מיחס אות חשמלי לרעש (SNR) OSNR הוא מדד דומיין אופטי טהור; לאחר photodetection, ה-SNR החשמלי תלוי ברעש מקלט, אפקטים תרמיים, ורעש ירי.עם זאת, ברוב מערכות המהירות, OSNR הוא הביצועים המגדירים את הגורם הדומיננטי, כי רעש ASE מגבר מצטבר ליניארי עם כל טווח.

מדוע OSNR Matters in High-Speed Data Transmission

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר הראה באופן ישיר את החשיבות של OSNR. at 10 Gbps, מורשת על-off keying (OOK) מערכות יכולות לסבול את מערכת ההפעלה NR נמוך כמו 12 dB, כי רוחב הפס של המקלט היה צר ומודולציה היה פשוט. 400 Gbps של היום באמצעות קוטלציה כפולה 16-QAM (DP-16QQQ) דורשות הרבה יותר - בדרך כלל מעל 20B פורמטים יותר רגישים.

השפעה על bit Error Rate (ER)

התוצאה הישירה ביותר של מערכת ההפעלה הנמוכה היא שיעור שגיאה מעט גבוה.כל מגבר אופטי מוסיף רעש ASE; לאחר שפע של עיגולים מוגברים, רצפת הרעש עולה באופן יחסי למספר המגברים.כאשר ה- OSNR נופל מתחת לסף המערכת, הדלמן מתחיל להיכשל, וכתוצאה מכך שגיאות לא ניתנות לתיקון.

מרחק ההקצאה המקסימלי

OSNR מכתיב ישירות את ההשגה הבלתי ניתנת להגדרה של קישור אופטי. כי רעש ASE מצטבר ליניארי עם כל שלב מגבר, את ה-OSNR במקלט ניתן להשוות כמו:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יכולת Scaling עם Modulation Format

משפט שאנון-Hartley מזכיר לנו כי יכולת הערוץ היא פרופורציה ל- 1 + SNR. במערכות פוטוניקה, יעילות ספקטרלית (bits per second per Hertz) קשורה הדוקה ל- OSNR. Moving from QPSK (2 b/sHz) ל- 16-QAM (4/sHz) ל-64-QQ-AM (B/R) ל-R) ל- 4 סיביות) דורשות לחץ גבוה יותר על מנת ל-R/R/R) ל-R.

עמידות ל-non ליניארי Impairments

High OSNR הוא לא רק הגנה מפני רעש ASE - הוא גם מספק buffer נגד סיבים שאינם לינאריות כגון הוראת עצמי (SPM) ומודולציה חוצה-phase (XPM) כאשר כוח אות גדל כדי לשפר את OSNR, השפעות לא לינאריות הופכות חזקות יותר, יצירת אפקט מסחר בסיסי-off לינארי.זה הוא המקור של "כוח ההשקה" עבור כל אחד: חום ועונשים מתקדמים מדי, אך עדיין לא-אונקמניים מתקדמים, אך עדיין להפעיל את הביצועים של מערכת מסחר-אופטיים מתקדמים מדי, אך ורק כדי להפעיל את יעילות גבוהה מדי, אך ורק כדי להפעיל את יעילות גבוהה מדי, אך ורק כדי להפעיל את האופטימיים דיגיטליים.

תוצאות חיפוש עבור OSNR

ההידרדרות של OSNR היא בלתי נמנעת בכל רשת המוגברת באופן אופטי, אך הבנת הסיבות השורשיות מאפשרת למהנדסים לעצב אמצעי נגד.הגורמים הבאים הם המשפיעים ביותר.

איור מגבר ו-ASE

כל סיבי erbium-doped amplifier (EDFA) מציג רעש עקב פליטה ספונטנית.הרעש (NF) של המגבר, בדרך כלל בין 4 ל 6 dB עבור EDFAs מודרניים, קובע כמה ASE נוסף לבמה Cascading הרבה מגברות מכפיל את רצפת הרעש עם ספירה.

המונחים: Span long

אובדן סיבים אופטיים (בדרך כלל 0.2 dB / ק"מ ב 1550 nm עבור סיבים סטנדרטיים חד-פעמיים) קובע כמה מרוויח המגבר חייב לספק.טווחים ארוכים יותר דורשים רווח גבוה יותר, אשר בתורו מציג יותר רעש ASE. Reducing טווח הפסד על ידי שימוש סיבים נמוכים (למשל, סיבים טהורים עם <0.1 dB / ק"מ) משפר ישירות את מערכת ההפעלה באופן ישיר כי הפחתת ו-R.

איכות ואובדן חיבור

נשרים עניים, מחברים מלוכלכים, ורכיבים אופטיים עונדים מוסיפים אובדן כי כוחות מגבר לעבוד קשה יותר. 0.5 dB אחד של אובדן עודף יכול להפחית את ה- OSNR הכולל על ידי 0.5 dB בקישור רב-טווח, מחלחלים להגיע על ידי עשרות קילומטרים. בדיקה רגילה ניקוי של מחברים, כמו גם באמצעות דלות היתוך, זול אבל יעיל מאוד של מערכת ההפעלה.

אכזבה ו- PMD

בעוד פיזור chromatic (CD) ופיזור מצב קוטבי (PMD) אינם מוסיפים ישירות רעש, הם להפיץ את האות בזמן ולגרום להפרעות בין-סימלבול. כאשר בשילוב עם אי-לינאריות, השפעות פיזור אלה יכולות להפחית את שולי ה- OSNR האפקטיביים, כי המקלט חייב להשוות את הערוץ, אשר יכול להגביר את המודולים של פיצויי רעש (DCM) או פיצוי דיגיטלי בכפייה הם הכרחיים לשמירה על מהירויות גבוהות של מערכת ההפעלה.

סודיות וצלב

במערכות מרובותxing (DWDM) של גל צפופות ב 50 GHz או 25 GHz רגישים ללחיצת צלב ליניארית מערוצים סמוכים.סינון פגמים במגים סלקטיביים באורך גל (WSS) גם לייצר צולב אשר מוסיף לרצפה הרעש, ביעילות מוריד כוח צלב מצטבר על פני הרבה תצורה לא יכול להפוך למגבלה משמעותית, במיוחד עם רשתות אופטיות מרובות (MXD).

המונחים: non-Liנאריות

כאמור, כוחות שיגור גבוהים שנועדו להגביר את העיוותים הלא ליניאריים (למשל, שילוב של ארבעה גלים, תהלוכה בין-phase), עיוותים אלה מופיעים כעונשים דמויי רעש על המקלט ולא ניתן להסיר על ידי סינון פשוט.האינטראקציה בין ASE לבין לא לינאריות מורכבת, אבל ההשפעה נטו היא כי מערכת ההפעלהNR שיפור גדל ממערכות כוח נשטפות - ובסופו של דבר לאחור Accurances מודל של Gacapus הוא מורכב.

מערכת ההפעלה המודרנית Coherent Systems

הופעתם של זיהוי קוהרנטי מהפכה בניהול OSNR. המקלטים קוהרנטי ללכוד הן את האמפליטונים והן את השלב של השדה האופטי, המאפשר פיצוי דיגיטלי של ליקויים ליניאריים ושימוש במודולציה מסדר גבוה.

המונחים: Direct Detection

מערכות קדם-קוהרנטיות השתמשו בזיהוי ישיר והסתמכות על מערכת ההפעלה OSNR שנמדדה באמצעות מנתח ספקטרום אופטי. במערכות קוהרנטיות, מעבד האות הדיגיטלי (DSP) יכול להפריד את האות מרעש ASE באמצעות מגוון קוטב ושינויים מהירים יותר של ארבעה.המושג של FLT:0 (G-NR לינארי)FLT:1 התפתח כדי להסביר הן עבור ASE והן ללא פגע, כולל את כל אמצעי פעולה מדויקים (G-R) כמו ביצועים לא-R (G-R לינאריים) כולל ביצועים לא-R).

OSNR Penalties from Transmitter and Getr Imperfections

Transponders מודרניים מציגים את ה- OSNR עונשים בשל העברת קו לייזר קוווידר, הטיית מודולטור סחף, ו- DAC/ADC שגיאות קוונטיות. עבור מערכת 64-QAM, קו הלייזר חייב להיות מתחת 100 k כדי למנוע עונש חמור של OSNR. בדומה, ניגודי רוחב פס הקדמי הקדמי ו- I-Q sew degrade ביעילות של מערכת ההפעלה.

אסטרטגיות לשיפור מערכת ההפעלה

מהנדסים יש ערכת כלים עשירה כדי למקסם את OSNR לאורך מחזור החיים של הרשת.אסטרטגיות הבאות מוחלות משלב העיצוב באמצעות פעולות מתמשך.

השתמש במגברי רעש נמוכים ו-Raman Pumping

בחירת EDFAs עם דמות רעש מתחת 4.5 dB (או אפילו נמוך יותר עבור מגברי כיתה צוללת) הוא הצעד הראשון. עבור קישורים אולטרה-האול וצוללת, להפיץ Raman amplification (DRA) מועסק: משאבת לייזר בעוצמה גבוהה משיקה אנרגיה לתוך הסיבים, מתן רווח לאורך זמן ולא בשלב דיסקרטי.

אופטימיזציה של אורך ספאם והחלפת כוח

באמצעות אורך אורך טווח אופטימלי (בדרך כלל 80-100 ק"מ עבור מערכות ארציות) מאזן עלות מגבר וביצועים של OSNR. Launch כוח מכוון באמצעות הכלל "1 dB ל 100 ק"מ" של אצבע או מודל מדויק יותר. Probabilistic עיצוב (PCS) יכול להתאים באופן דינמי את התבנית מודולציה כדי להתאים את שולי זמין, רמת המסחר בחסד עבור להגיע.

תיקון שגיאות (FEC)

אלגוריתמים קשים ורך רך הפכו חיוניים. מודרניקלי (למשל, LDPC עם קידוד מדרגות) יכול לתקן פורומים לפני FEC גבוה כמו 10-2, ביעילות להפחית את הדרישה של OSNR על ידי 2-3 dB עבור פוסט-FEC של 10-15.625 הוא יעיל כך שמערכת שולי מוגדרים לעתים קרובות במונחים של "רווח" לאחר רווח.

משמעת וניהול לא ליניארי

פיצויי דיספרס באמצעות עיבוד אותות דיגיטליים במקלטים קוהרנטי מבטלים את הצורך בקונטיון DCMs, אשר עצמם מוסיפים הפסד ורעש. פיצוי לא ליניארי באמצעות פיצוי דיגיטלי (DBP) או שווהנים המבוססים על וולטרה יכולים להתאושש עד 1-2 dB של מערכת ההפעלהNR בקישורים בעלי עוצמה גבוהה.

שמירה על נתיב אופטי נקי

באופן קבוע לבדוק ולנקות מחברים, צמצום הפסדי כינים, ושימוש בטבורי חתומי חתומה נמוכים הם הרגלים זולים עם השפעה גדולה. גיל סיבים ו bends גם degrade OSNR; סיבים רגישים לדבורים מודרניים להפחית הפסדים מיקרו-מדומים שיכולים לשאוב 0.2 dB לכל אורך.

עקבו אחרי OSNR in Live Networks

ניטור רציף OSNR הוא חיוני לזיהוי תקלות ואופטימיזציה קיבולת.היסטורית, מנתחי ספקטרום אופטי (OSA) נמדד OSNR על ידי סריקה של הספקטרום והנחה את רצפת הרעש בין הערוצים היה שטוח. עם זאת, עם 50 GHz ערוץ ספאק ופילטר צר ב-ROADMs, רצפת הרעש כבר לא שטוחה - המוביל overestimates של מערכת ההפעלהNR.

רשתות מוגדרות תוכנה (SDN) ממינוף נתונים בזמן אמת OSNR מ transponders כדי להתאים באופן אוטומטי פורמט Modulation, pre-emphasis, או לנתב מחדש תנועה לפני שהאשמה מתרחשת.זה בקרת שדרה סגורה היא גורם מפתח של רשת אופטית אוטונומית.

מסקנה

יחס אות אופטי ל-noise נשאר אבן הפינה של העברת נתונים במהירות גבוהה על סיבים.כפי ששיעורי הנתונים מעל 400 Gbps לעבר 1.6 Tbps, הרגישות ל-OSNR הופכת להיות חריפה יותר.מהנדסים חייבים להבין את הפיזיקה של הצטברות ASE, ה-F עם סיבים שאינם לינאריות, וההשפעה של איכות על מנת לעצב רשתות הדורשות באופן אמין עם כלים מודרניים כגון Raman, אך ורקד, חס ושלום, לעומת זאת, חס ושלום, חס ושלום, יכולות לעמוד כיום, חס ושלום, חס ושלום, חס ושלום, חסומים, חסומים, חס ושלום, חס ושלום, חס ושלום, חס ושלום, חס ושלום, חס ושלום, חס ושלום, חס ושלום, יותר מאשר רשתות אופטיים יותר, חסומים, יותר מאשר רשתות אופטיות, חס ושלום, חסומים יותר מאשר רשתות אופטיות, לעומת זאת, אך ורק היום, יכולות לעמוד ב-חמצני, יכולות לעמוד ב-תועלת גבוהה, אך ורק היום, חסוחות, חסוחות, אך ורק היום, חסוחות, חסוחות גבוהה, לעומת זאת, חסוחות, יכולות לעמוד ב-תועלת גבוהה יותר מאשר רשתות אופטיות, לחץ על מנת לעצב רשתות אופטיות, אך ורקדונות, אך ורק

(ב) לקריאה נוספת על יסודות OSNR ויישומים מודרניים, מתייחס לתקני FLT:0 (הופנה מהדף תקנים של קונסולת ה-1, FLT:2Corning's Resources LibraryFLT 3: ו-FLT:4Fujitsu אופטית פורטל טכנולוגיית רשת FLT:5.