תכנון מקבלי אופטי עבור תקשורת אופטית חופשית

היתרונות של מקבל אופטי

המקלט האופטי הוא הלב של כל קישור תקשורת אופטי חינמי (FSO) של כל קשר תקשורת אופטי (FSO) הוא לתפוס את קרן האור המועבר, להמיר אותו לאות חשמלי, ולאחר מכן לעבד את האות כדי לשחזר את הנתונים המקוריים עם שגיאה מינימלית. מקלט מעוצב היטב קובע ישירות את שיעור הנתונים הרצוי, קישור מרחק, ואמינות המערכת הכוללת.

מקור: The Signal Conversion

יחס photodetector הוא ככל הנראה המרכיב הקריטי ביותר.הוא ממיר photons לתוך זרם חשמלי.שני האפשרויות הנפוצות ביותר עבור מקלטי FSO הם PIN photodiodes ו avalanche photodiodes (APDs) לטווח קצר, לעומת זאת, שיפור טווח הראייה של ערפל נמוך יותר עם לינאריות מועדפת, מה שהופך אותם מתאימים לקישורים קצרים, גבוהים יותר כאשר הוא לא מוגבל לאפקט פנימי, עם עלייה משמעותית של ערפל פנימי, עם ערפל גבוה יותר, עם ערפל פנימי, עם עדשות זמן קצר יותר, עם ערפל פנימי, עם ערפל גבוה יותר, עם עדשות אחרות.

פילטרים אופטיים: Rejecting Unwanted Light

בקישור FSO, המקלט לא רק לוכד את האות המיועד אלא גם אור רקע מהשמש, מקורות מלאכותיים, ופילטר אופטי ממוקם מול photodetector הוא חיוני כדי לדכא את הרעש מחוץ לפס.בדרך כלל פילטרים צרים של פסים מקודמים על גבי גל המעבר, זה יכול להשיג רוחב של כמה ננומטרים.

מגבר ו- Front-End Electronics

פלט photodetector הוא זרם קטן, לעתים קרובות microampere ל טווח nanoampere. זה אות חייב להיות מוגדל על ידי מגבר טרנס-נססרמנט נמוך (TIA) לפני עיבוד נוסף.TIA ממיר הנוכחי כדי לעצור את הלחץ ולהגדיר את רוחב הפס הכולל של TIA הוא מסחר עדין בין רווח, רוחב פס, ורעש מהיר הוא צורך כדי להביא רמות גבוהות של חומר אנלוגיה, אבל יש צורך כדי להפחית את רוחב הפס העליון של חומרת גבוה יותר.

עיבוד אותות ודמויות

ברגע שהאות הוא מוגדל ותנאי, הוא עובר ליחידת עיבוד אותות. יחידה זו מבצעת שעון ושיקום נתונים (CDR), דמודציה ותיקון שגיאות.עבור פשוט על- off keying (OOK), מתאם פשוט ותכנית להורדת-Dirdulation שלב (PLL) עשוי גם להצביע על פורמטים מתקדמים כמו Modulation הדופק (PM) או quature alitation ריצוף של אימות חיצוני (Dulation Rate) הוא גם כן, לדוגמה, אפקט עיבוד מדויק יותר (מתאים מתקדמים).

שיקולים עיצוביים

תכנון מקלט אופטי עבור FSO הוא בעיה אופטימיזציה רב-אובייקטיבי. מהנדסים חייבים לאזן את הרגישות, רוחב פס, טווח דינמי, צריכת חשמל, ועלות תוך חשבונאית עבור האופי הבלתי צפוי של הערוץ האטמוספרי.

רגישות וניהול רעש

(ה) רגישות מוגדרת ככוח האופטי המינימלי הנדרש כדי להשיג שיעור שגיאה מעט (ER), בדרך כלל 1003FLT:0-9FLT 1 או 1003FLT:2-12FLT 3 רגישות מוגבלת (Sרגישות) מושפע ישירות על ידי מקורות רעש: צילום וידאו מערכת רעש, רעש כהה, רעש תרמי מ TIA, ורעש רקע.

Bandwidth ו-Data Rate

רוחב הפס של המקלט חייב להיות תואם את קצב הנתונים ואת פורמט המודולציה. במערכות OOK, רוחב הפס הנדרש שווה בערך לקצב הקטן. עבור מודולים מסדר גבוה יותר, דרישת רוחב הפס עשויה להיות נמוכה יותר ל bit אבל עם דרישה גבוהה יותר SNR.הפוטדקטור עצמו יש רוחב פס סופי בשל זמן המעבר ומשך זמן ה-RC.

מערכת של Alignment and Tracking System

ב FSO, שמירה על היישור בין המשדר למקבל היא אתגר גדול בשל בניית sway, התרחבות תרמית, ופוחיות אטמוספרית הרץ. המקלט כולל בדרך כלל מערכת מעקב מעולה המשתמשת photodiode quadrant או גלאי רגיש למקם את זווית ההגעה של הגלם (מקלט) אך יש צורך לשלב מספיק כדי למזער את המראה המהיר (F) או עד כדי לשמור על תפקודים של הראייה המוגבלת (מקלט) כדי לשמור על מנת למזער את המראה הראשי) כדי לחץ רוחב פס רחב מספיק כדי לשמור על תפקודים (מפוספסת הראייה).

השפעות ערוץ אטמוספיר

האווירה מציגה ספיגה, פיזור, וזעזועים. Absorption על ידי מים פנויים, CO2, וגזים אחרים מקטין את כוח האות באורכי גל ספציפיים. Scattering על ידי ערפל, גשם, ו- haze גורם beam להתפשט ולהגדיל את הפרמטרים של גלאי 1 יש לתכנן עם קישור מספיק כדי להתגבר על הפסדים אלה.

אדריכלות קבלה מתקדמת

כדרישות לשיעורי נתונים גבוהים יותר ומרחקים ארוכים יותר גדלים, עיצובי מקלט מתוחכמים יותר מפותחים.אדריכלות אלה דוחקים מעבר למגבלות של גילוי ישיר.

קבלני זיהוי קוהרנטי

זיהוי קוהרנטי משתמש בלייזר אווסטור מקומי (LO) כדי לערבב עם האות המתקבל לפני photodetection.תוכנית זו משמרת את השלב ואת המידע המבודד של האות, המאפשר פורמטים מודולציה גבוהה יותר ורגישות של שלב כמעט-קונטימית של אותות קוטביים עדיין יכול להשיג חישה עד 20 dB טוב יותר מאשר זיהוי ישיר עבור אותו אפקט לייזר ארוך, אך ורקורד זהה מוגבלת.

קבלני ההרחבה Spatial and Spectral diversity מקבל

כדי להילחם בקידוד ולשפר את האמינות, קבלת פנים גיוון משתמשת במספר פוטו-דטקטורים או במקומות מרחביים שונים או הפעלה באורכי גל שונים.מגוון ספאטי ניתן ליישם עם מערך גלאים המתפשטים על פני aperture, כל אחד עם מגבר הקדמי שלו, ולאחר מכן שילוב אותות באמצעות מהירויות גל שונות באופן משמעותי או אופטימיזציה של גלימות.

מקבלי קבלה קוונטיים-Limited

מערכות FSO בעתיד הקרוב עשויות לכלול הפצה מרכזית קוונטית (QKD) או מקלטים אחרים, המוגבלים הקוונטים הפועלים ברמה ה-Spotn-Photon-Photon-Photon-Photon-Photon-Photon-Photon-Photon-Photon-Photon-Photon-, אשר מציעים זיהוי דחייה כמעט ללא אחיד וספירות נמוכות מאוד.

טכנולוגיות מתפתחות ומגמות עתידיות

קצב החדשנות בפוטניקה ובאלקטרוניקה פותח אפשרויות חדשות עבור מקלטי FSO. מגמות מספריות יעצבו את הדור הבא של מערכות.

מקבלי Photonic

שילוב של photodetectors, מסננים ואפילו מגבר על שבב פוטוני יחיד (למשל, photonics סיליקון או פלטפורמות indium phosphide) מבטיח קומפקטי, בעלות נמוכה, ו מקלטים גבוהים מאוד יכול לשלב זוג מתפתל עבור סטארט-אפים הפיכה סיבים, תמונה, TIA, גל גל demultiplexing אלמנטים.

Machine Learning for Adaptive Processing

אלגוריתמים של Machine Learning (ML) מוחלים על משימות מקלט כגון שוויון מתאים, הערכת ערוצים, ו-Beam מעקב. רשת עצבית יכולה ללמוד את הדפוסים הסטטיסטיים של הקידוד המושרה להפרעות ולתאים את הפרמטרים של המקלט (למשל, רווח, סף, מסנן coefficients) בזמן אמת. ML-basedסמל יכול להפוך את המספרת המסורתית שווה מאוד בערוצים שאינם ליניאריים.

חומרים מתקדמים ל Photodetectors

חומרים מעבר סיליקון מסורתי ו-InGaAs מתעוררים לביצועים משופרים. Graphene וחומרים אחרים 2D מציעים ניידות גבוהה וקליטת פס רחב, המאפשר photodetectors לפעול מ גלויה עד אמצע- infrared עם מהירות גבוהה.השלב הבינוני-infrared (2-10 μm) אזור אטרקטיבי במיוחד עבור FSO בערפל ו haze כי פיזור הפסדים הם נמוך יותר מאשר ליד גלים נגועים, עדיין יכול להיות מלוכדים פוטנציאליים, אבל CM2, אבל עדיין CM-מכימות, אבל עדיין יכול להיות CM-מדומים של פתרונות.

אתגרים ואסטרטגיות מייגציה

למרות התקדמות מהירה, עיצוב המקלט FSO עדיין עומד בפני כמה אתגרים מעשיים שיש לטפל בהם לאימוץ מסחרי נרחב.

מזג אוויר וחוסנות סביבתית

ערפל, שלג וגשם כבד יכולים לגרום להפחתה של עשרות dB לכל קילומטר, מה שהופך את זה בלתי אפשרי עבור המקלט לזהות את האות אפילו עם רגישות גבוהה. אסטרטגיות מייגציה כוללים מערכות היברידיות FSO /RF המתגות לרדיו גיבוי קישור כאשר תנאים אופטיים degrade.הקצה הקדמי של המקלט צריך להיות מתוכנן עם טווח דינמי גדול כדי להתמודד עם אותות חזקים ברורים ובאופן חמור בתנאים מבוקרים, אבל יכול להיות מסוגל להתמודד עם כוח עמוק, אבל יכול להיות מסוגל להתמודד עם עצירות.

תקנות בטיחות עיניים

משדרי FSO חייבים לציית לסטנדרטים של בטיחות העין (IEC 60825 לייזרים) עיצוב מקבל יכול לעזור בעקיפין על ידי מתן אפשרות להשתמש בכוח שידור נמוך יותר באמצעות רגישות משופרת. במערכות מסוימות, המקלט עצמו כולל שילוב בטיחות העין המסגור את הלייזר אם הדבורה מופרעת או הכוח המתקבל הוא גבוה מדי.

עלויות ומורכבות

רכיבים בעלי ביצועים גבוהים כמו APDs, מסננים פס צר, ואופטיקה קוהרנטית יקרים. עבור יישומים בשוק המוני (למשל, גישה של מייל אחרון), העלות היא מחסום ראשוני. Integrated photonics ו סטנדרטיזציה של רכיבים הם מפתח להפחתת העלות.בנוסף, לפשט את היישור והעקביות מערכת - לדוגמה, באמצעות טכניקות מתפתלות פסיביות כמו רכיבי אופטיים דיפרטיביים - ניתן להעריך בזהירות את הביצועים בין עלות בשלב זה.

מסקנה

תכנון מקלטים אופטיים לתקשורת אופטית חופשית הוא מאמץ רב תחומי המשלב אופטיקה, אלקטרוניקה, חומרים מדע, ועיבוד אותות. אבני הבניין היסודי - מדגימים, מסננים, מגברים, ויחידות עיבוד אותות - חייב להיות נבחר ותזמורת כדי לעמוד ביעדים התאום של רגישות גבוהה ורוחב גבוה תוך התמודדות עם ארכיטקטורת האטמוספירה הקשה והמשתנה.