עיצוב מקבלי אופטי עבור מערכות תקשורת אופטיות קוהרנטיות

מימון של קבלנים אופטיים קוהרנטיים

מקלטים אופטיים קוהרנטיים שינו רשתות אופטיות ארוכות-האול ומטרופולין על ידי כך שהם מאפשרים התאוששות של מידע אב-קטן ושלבי מהאות האופטי הנכנס, שלא כמו מקלטים ישירים, הנשען אך ורק על עוצמת האור, המקלטים הכפופים משתמשים בלייזר מקומי (LO) אשר עשוי לערבב עם האות המתקבל.זה, המבוצעת ב-אופטיבי, מייצרת ארבעה אותות דיגיטליים, אשר זיהומיים, לאחר מכן, כלומר, אשר הם עיבוד של תמונות מאוזנות (D) ו-D.

היתרון העיקרי של זיהוי קוהרנטי הוא היכולת שלה לתמוך פורמטים מתקדמים כגון מפתח שלב רביעי (QPSK), 16-רי quadrature amplitude Modulation (16-QAM), ו 64-QAM. פורמטים אלה מקודמים מספר סיביות לסמל, הגדלת יעילות ספקית.בנוסף, מקלטים משותפים מספקים סלקטיביות, ומאפשרים מספר רב של קלטות אופטיות (Multix) מתקדמות לסינון אופטיות (ממות) באמצעות מגבלות אופטיות מתקדמות יותר, אשר מאפשרות שימוש ב-מספקות לסינון חומרים אלקטרוניים מתקדמים (מסוגיות אופטיות) באמצעות פילטרים אלקטרוניים (מסוגיות).

מערכות קוהרנטיות מודרניות בדרך כלל לאמץ תצורה כפולה (DP), שבו שני אותות מאונטקים אוטגוניים מועברים באופן עצמאי. המקלט חייב להפריד את הקיטובים האלה באמצעות מתפצלים של קליבר ו היברידיות אופטיות, ואז לעבד אותם במשותף באדריכלות DSP. זה DP מכפיל את שיעור הנתונים ללא צורך רוחב פס ספק מרכזי נוסף, מה שהופך אותו חיוני עבור 100b ושיעורי ערוצים גבוהים יותר.

המונחים: a Coherent Acceptr

היברידית אופטית

ההיברידי האופטי הוא המרכיב המרכזי המשלב את האות המתקבל עם האור הנידון. יישום משותף הוא ה היברידית אופטית ה -90 מעלות, אשר מייצרת ארבעה פלטים המתאימים לרכיבי הבטון וההצבה של שני הקטבים.עבור מקלט יחיד של קיטוב, בדרך כלל יש שני קלטות (סימן ו LO) וארבעה פלטים עם שלב של 0 °, 90 מעלות, 180, ו 270 מעלות בין קולטן אחד, לבין אות בודד, כל אחד, כולל, כולל, שני ליטרים, כולל קוטביאו קוטבינציה, שני ליטרים, שני ליטרים, כולל קוטביים, שני ליטרים, כולל קוטביים, כולל קוטביים, שני ליטרים, שני ליטרים, כולל קוטביים, שני ליטרים, בין שני ליטרים, בין שני ליטרים, בין שני אותות.

היברידיות אופטיות ניתן ליישם באמצעות אופטיקה חופשית, נופי סיבים, או מעגלים פוטוניים משולבים.עבור מערכות מהירות גבוהה (IRFLT:0 & gt; 100 GbaudirFLT:1), תמונות סיליקון משולבות או פלטפורמות אינפראיום phosphide מציעים עיצובים נמוכים, קומפקטיים עם יציבות שלב מעולה.

איזון Photodiodes

כל תפוקה של ההיברידי האופטי מכוונת לצמד photodetector מאוזן. Balanced Detections מבטלת את הרעש המשותף-מומוג מהתנודות של הלייזר האבוד, מדכאת באופן משמעותי רעש אינטנסיבי יחסית (RIN) שני photodiodes בכל זוג נועדו להתאים את עצמם לתוספת של פטימיות וכובעים מועדים לשמור על יחס דחייה משותף גבוה (RR) על רוחב הפס האופייני לתמונות:

התצלומים מומרים למתחים על ידי מגברי טרנססרמפנס (TIAs), המספקים קצבאות בעלות נמוכה ורוחב רוחב פס רחב (וגיל; 50 GHz עבור מערכות הדור הבא) את דמותו של TIA ואת רוחב הפס הם פרמטרים קריטיים; הם חייבים להיות אופטימליים כדי להשיג את הנדרשFLT:0 רגישה אופטית עבור מערכות הדור הבא).

אוספיילר מקומי (LO) לייזר

הלייזר LO חייב להיות קו רוחב צר (בדרך אגב < 100 kHz עבור QPSK, < 10 kHz עבור סדר גבוה QAM) כדי למזער רעש בשלב זה. Distributed משוב (DFB) לייזרים נפוצים עבור פורמטים מסדר נמוך, בעוד cavity חיצוני (ECs) משמשים עבור ביצועים גבוהים יותר עקב שלב העליון שלהם גבוה יותר של גל זה חייב להיות קצר על ידי תדרים חיתוך לייזרים.

עיבוד אותות דיגיטליים (DSP)

יחידת DSP במקלט קוהרנטי מבצעת סדרה של אלגוריתמים כדי לשחזר את הפיסות המועברות מהאותות I / Q דיגיטציה. זרימת DSP טיפוסית כוללת:

תיקון:0 (תיקון: 0) תיקון: FLT:1 פיצוי על תגובת תדירות של photodiodes ו- TIAs, כמו גם חוסר איזון I / Q מה היברידית האופטית.
(FLT:0)Clock Recovery:FLT:1 ,החל את תזמון הסמל מהנתונים המדגם באמצעות אלגוריתמים כגון גרדנר או מולר ושיטת מילר.
(FLT:0 פיזור צ'ירומטי (CD) פיצוי: ההרחבה:BuildFLT:1 (באמצעות תגובה אימפולס סופי קבוע או הסתגלותי (FIR) מסנן כדי להפוך את ה- CD המצטבר בסיבים. פיצוי יכול לצרוך משאבים חישוביים משמעותיים; עבור קישורים ארוכי טווח, תדירות-דומיין שווה (FDE) משמש לעתים קרובות ליעילות.
(FLT:0) התפוצצות העיוות: אלגוריתמים הסתגלותיים כגון אלגוריתם מודולוס קבוע (CMA) או ריבועים בעלי רזולוציה לפחות (DDLMS) מפרידים בין שני הקטבים האותים.אלה גם לעקוב אחר סיבוב הקיטוב של הזמן הנגרמ על ידי הסיבים.
(FLT:0) הסתברות של estimation ותיקון:FLT:1 תדירות הלייזר LO סחף יחסית ל נושאת האות, מה שגורם לקבוצה מסתובבת.DSP מעריך את זה (באמצעות שיטות כמו הגישה המהירה של Fourier (FFT) וסובב את קבוצת הכוכבים חזרה למצבו הנכון.
(FLT:0) שחזור שלב הקרגריה: FLT:1 Compensates for לייזר שלב רעש באמצעות אלגוריתמים כגון ה-Vierbi-Viterbi שלב estimator (עבור QPSK) או חיפוש עיוור (עבור QAM) עבור הזמנה גבוהה QAM, טכניקות מתקדמות יותר כמו אופטימיזציה מקסימלית מועסקות.
(ב) [ה]: [ה]] החלטת ה-[[1924]] ו[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]

המורכבות של DSP תלויה בפורמט מודולציה וקצב הנתונים. at 800 Gbps ומעבר לכך, הכוח החישובי הנדרש הופך לאתגר עיצובי גדול, המניע את אימוץ של ASICs ייעודי ותהליכי CMOS מתקדמים עם צריכת חשמל מופחתת.

שיקולים ואתגרים

מקורות רעש ורגישות

ביצועי המקלט הסגורים מוגבלים בסופו של דבר על ידי רעש.מקורות הרעש הדומיננטיים כוללים:

(ב) רעש:0 (Shotרעש:0) 1 (Eurising) מן האופי הקוונטי של האור בתצלומים.מאזן גילוי מבטל את רעש הנורה רק חלקית; הזרוע האות גם תורמת.עם כוח גבוה, המקלט יכול לגשת למגבלת הקוונטים, שבו רעשי ירי שולטים.
(ב) ⁇ :0) רעשים: (FLT:1) שנוצר על ידי TIA ועיגולים אלקטרוניים הבאים.זה יכול להיות מופחת על ידי עיצוב מגברות בעלות נמוכה ושימוש בכוח מספיק (מכיוון שגילוי קוהרנטי מספק מעצמה בנויה).
(FLT:0) רעש שלב שלב: FLT:1 גורם סיבוב סמל ודורש התאוששות נושא.שלב רעש השחלות עולה עם קצב סמל והוראת מודולציה, הטלת מגבלות על קו לייזר.
(ב) רעש אינטנסיביות (RIN): ראט'רל 1 (RIN): דיכוי על ידי גילוי מאוזן, אך ריבוני חי יכול עדיין לזלזל ברגישות, במיוחד בתדרים נמוכים.
(FLT:0)Quantization רעש: FLT:1rated על ידי המרירים האנלוגיים-לספריים (ADCs) בשרשרת DSP. High-resolution ADCs (בדרך כלל 6-8 ביטים ב 50-100 GS /s) נדרשים למזער את הרעש הזה.

רגישות המקלט (minimum קיבלה כוח עבור TER) קשורה ישירות ליחס האות האופטי-ל-אין (OSNR) בקלט.עבור מקלטים קוהרנטיים, רגישות באה לידי ביטוי לעתים קרובות במונחים של OSNR (ב-DB/0.1 nm) מקלט מעוצב היטב יכול להשיג ליד ביצועי מערכת ההפעלה ה-RR, כלומר, בערך 12.6B עבור dB עבור אובדן משולב של 10.FD.

High Bandwidth and Linearity[עריכת קוד מקור | עריכה]

כמו שערי סמל לדחוף מעל 100 Gbaud, רוחב הפס האופטי והחשמל של המקלט חייב לעלות על 60-70 GHz כדי להימנע מהתערבות בין-דלקתית חמורה.זה דורש photodiodes עם אזור קטן פעיל (הקפאה נמוכה) ו- TIAs עם רוחב פס גבוה וקבוצה נמוכה מעכבת ripple. אריזות מתקדמות, כגון phenp אגורה ו אינטגרציה 3D, לעזור מיני תרופות פרמצבטיות גבוהה עבור שימוש ב-Dyp.

ניהול Polarization

מקלטים כפולים-קוטב דורשים פיצול והיערכות מדויקת של קיטוב (PBS) חייב להיות יחס הכחדה גבוה ( > 25 dB) כדי להימנע מחצוב בין שני הקטבים.המחולל הקוטבי ומפוצל הם לעתים קרובות משולב מונוליטיקה בפוטניקה, אבל הביצועים משתנים עם אורך גל וטמפרטורה.

פורמטים מתקדמים ואפקט קבלה

פורמטים QAM גבוהים יותר (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM) להגביר את היעילות ספקטרלית אבל הביקוש גבוה משמעותית יותר OSNR ורעש שלב נמוך יותר. עבור 64-QAM, מערכת ההפעלה הנדרשת היא בערך 8 dB גבוה יותר מאשר עבור QPSK באותה רמה של DQS.ה רמה גבוהה יותר של DQDVID היא יעילה יותר עבור רכיבי אבטחה נמוכים וגבוהים במיוחד כדי לתמוך בפורמטים אלה.

phonics ו-Coherent מקבל

כדי להפחית את הגודל, הכוח והעלות, הרכיבים האופטיים של מקלטים קוהרנטי משולבים יותר ויותר במעגלים משולבים פוטוניים (PICs) סיליקון פוטוניקה מציעים פלטפורמה מבטיחה כי היא ממנת ייצור CMOS, המאפשר ייצור בנפח גבוה בעלות נמוכה. Integrated coherent המשולבת על סיליקון בדרך כלל כולל את ה-PBSP, 90 מעלות היברידיות אופטיות, ו photoium photodes, עם זאת, חוסר לייזר של פחמן משולב.

Indium phosphide (InP) PICs יכול לשלב את הלייזר, המנטרולטור, ו המקלט על שבב יחיד, מתן ביצועים מעולים עבור יישומים מתקדמים.הפגנות האחרונות של מקלטים מונוליטיים InP כפיים הפועלים ב 800 Gbps להראות את הכדאיות של גישה זו עבור הדור הבא של טרנסצ'ינסטרים משולבים הוא ניהול הפסדים אופטיים, צלב, ויציבות תרמית בטווח של 2B-F עמוק כגון טכניקות מתקדמות).

מגמות עתידיות ודרכים מחקר

ככל שתנועת הרשת גדלה, מקלטים קוהרנטיים חייבים להתפתח כדי לתמוך בנתוני נתונים גבוהים יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר, ואדריכלות גמישה יותר.כמה מגמות מתעוררות מעצבות את העתיד של עיצוב המקלט המאוחד:

(FLT:0Digital subcarrier מרובותxing (DSCMIR): במקום נושא יחיד, האות מחולק למספר רב של תת-קררים, שיפור עמידות לאפקטים לא ליניאריים ופשט את מורכבות DSP. מקבלים חייבים להתמודד עם מספר רב של חוטי DSP מקבילים, הדורשים עיצובים מתקדמים ASIC.
(FLT:0Kramers-Kronig (KK) מקלטים: FLT:1 תוכנית חדשה שמשתמשת photodiode אחד עם אוסטרטור מקומי חזק כדי לשחזר הן amplitude והן שלב, צמצום מספר photodiodes ו היברידיות. KK מקלטים מבטיחים עלויות נמוכות וצריכת חשמל עבור קישורים קצר ובינוני, אם כי הם פועלים מחוץ לתפקוד של כמה NR.
(FLT:0) למידה של DSP:FLT:1 רשתות נילי נחקרים עבור מייגציה לא לינארית, estimation ערוץ, ואפילו זיהוי סמל.לדוגמה, רשת עצבית חוזרת יכולה להחליף את ה-Vierbi-Viterbi בשלב estimator ולהשיג סובלנות טובה יותר לרעש שלב.
(FLT:0) גילוי גלוי בלהקות C+L:03: ההרחבה של המקלט 1:1 כדי לכסות את רוחב C-band (1530-1565 nm) ו-L-band (1565-1625 nm) מגבירה את היכולת הכוללת סיבים.זה דורש היברידיות רחבות אופטיות ותצלומים עם תגמולים אחידים על טווח nm, כמו גם DSP שיכולה לטפל באפקטים שונים של פיזור ואפקטים על פני להקות לא-לינאריות.
(FLT:0) Ultra-fine תדירות כוונון ומנעול: 1FLT:1 מקלטים עתידיים יצטרכו לנעול את האובדן לסימן הנכנס עם דיוק תת-מהרץ כדי לתמוך בתדירות גבוהה של גל (DWDM) עם 6.25 GHz GHz חוטף.
עיבוד אנלוגי יעיל: FLT:0;00; חלק מקבל פונקציות (למשל, פיצוי פיזור) יכול להתבצע בתחום האנלוגי באמצעות מסננים פוטוניים או ספרות אלקטרונית לפני ADC, פוטנציאל להפחית את צריכת החשמל DSP.

מחקר לחומרים חדשים, כגון מוליכים למחצה דו-ממדיים ומודולטורים plasmonic, עשוי בסופו של דבר לאפשר ל-Comact אולטרה-שותף, מקלטים בעלי כוח נמוך-עוצמה נמוכה.עבור עכשיו, התעשייה מתמקדת בבניית CMOS-תואמים PICs עם 200 Gbaud המסוגל ל-1.6 Tbps לערוץ באמצעות DP-64QAM עם עיצוב פרוביניסטי.

מסקנה

תכנון מקלטים אופטיים עבור מערכות תקשורת קוהרנטי הוא אתגר הנדסי רב פנים הדורש אופטימיזציה זהירה של היברידיות אופטיות, photodiodes, TIAs ו אלגוריתמי DSP. המקלט חייב להתמודד עם רוחב פס גבוה, דיכוי מקורות רעש מרובים, ומעבד פורמטים מורכבים עם שקיפות מינימלית. אינטגרטיבית טכנולוגיות פוטוניקה הם נהיגה עלויות ומאפשרות מקלטים מרובים, בעוד DSP מתקדם של טכניקות של מקלט כפולות להישאר רוחב פס פתוח פתוח כדי להמשיך את רוחב פס.

(ב) עיין בכתובים על גילוי דעת (ראה: ⁇ :0) [17] , עיין בכתובים: 2) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇