חידוש אותות אופטיים הוא טכנולוגיה המאפשרת יסוד ברשתות תקשורת מודרניות.זה מתייחס ישירות למגבלות הפיזיות של העברת סיבים אופטיים, המאפשר מפעילי רשת להרחיב את טווח השידור ולשמור על העברת נתונים באיכות גבוהה על פני מרחקים בין-יבשתיים.כפי אותות אופטיים propagate דרך כבלים סיבים, הם בהכרח סובלים מדלקת, פיזור, עיוותים לא ליניאריים.

הבנה של אות אופטית

לפני חקר טכניקות התחדשות, חשוב להבין את התופעות הפיזיות שגורמות אותות אופטיים במהלך השידור.שלושת המקורות העיקריים של ליקוי הם אינטנסיביות, פיזור ואפקטים לא ליניאריים.

ההרחבה

אטנטוור מתייחס לאובדן של כוח אופטי כאור נע דרך סיבים.הפסד זה נובע מפיזור (בעיקר Rayleighפיזור), ספיגה על ידי זיהומים בכוס, והפסדים מכווצים. סיבים סטנדרטיים חד-מוגים יש מקדם אטמונציה של בערך 0.2 dB / ק"מ בחלון גל 1550nm מעל 100 ק"מ, את האות על ידי 20B (גורם מספיק כדי להפוך את זה לאות), ללא אות קלוש (ה) ל- 100 ק"מ, 000 ליטר מספיק כדי להפוך את ה- 100 ק"מ) ללא אות קלוש (ה) ללא אות קלושט).

דיספרסיוניזם כרוני

פיזור Chromatic מתרחש כי רכיבים שונים של מסע הדופק במהירויות מעט שונות.זה גורם הדופק להרחיב כפי שהוא propagates, המוביל להתערבות גלימה ב המקלט. Dispersion מצטבר ליניארי עם מרחק והופך למגבלה חמורה עבור מערכות גבוהה-bit-rate (למשל, 100 Gbps ומעבר) אלא אם כן הוא מפצה או מנוהל.

המונחים: noise

פיזור מצב Polarization תוצאות מ- bireparnce בסיבים, אשר גורם לשני מצבי קוטב אורטוקונים לנסוע במהירויות שונות. במערכות קוהרנטיות במהירות גבוהה, PMD יכול לגרום להפצת הדופק ולעיוותים אותות המשתנה באופן אקראי לאורך זמן, מה שהופך את זה קשה לחזות ולצמצם.

השפעות לא ליניאריות

למרות היותה מדיום פסיבי, סיבים מציגים התנהגות לא ליניארית בעוצמות אופטיות גבוהות.אפקטים כגון מתודולוגיה עצמית, מודולציה בין-phase, ארבע גלי תערובת, ועורר את Brillouin פיזור מעוררים ספקטרום רחב, דיבור חוצה, ועברת כוח בין ערוצים.לא לינאריות אלה מעוות את הסמן ואת להגביל את הכוח המקסימלי לערוץ, מהסבך את העיצוב של מערכות ארוכות-h.

המונחים: rightth regeneration Fundamentals

התחדשות אופטית מסווגת בדרך כלל על ידי מספר הפונקציות שהיא מבצעת: 1R (ההגברה בלבד), 2R (ההגברה ועיצוב מחדש), ו 3R (ההגברה, עיצוב מחדש) השלם 3R הוא היעיל ביותר והוא חיוני עבור קישורים transoceanic ו אולטרה-haul ארוך.

תגמול (1R)

הדגימה מגבירה את עוצמת האות לפצות על ההפחתה.המכשיר הנפוץ ביותר הוא מגבר סיבים erbium-doped סיבים, המספק רווח גבוה על C-band (1530-1565 nm) עם מספר רעש נמוך. Raman amplifiers, אשר השתמש בגרות Raman לפזר את הסיבים עצמם, יכול לספק רווח מבוזר עם עונש נמוך יותר.

עיצוב מחדש (2R)

עיצוב מחדש משפר את יחס הכחדת האות ומצמצמצם רעש מפוספס. A 2R regenerator משתמש שער אופטי לא ליניארי לאפליה בין רמות לוגיקה, עובר הדופקים אינטנסיביים תוך דיכוי רעש נמוך-רגישות. Common Reshaping טכניקות כוללות הסתה ב SOAs, לא לילאות לא ליניאריות מראות, ומאך Z-Za interferometers עם אלמנטים לא ליניאריים.

Retiming (3R)

תגמול מחזיר את עמדות הדופק המקורי ביחס לשעון, ביטול התזמון ג'ייטר שהוצג על ידי פיזור ואי-לינאריות. 3Rהתחדשות דורש מעגל שחזור שעון ואחריו שער אופטי ששעות-חזור ו- re-shapes את האות. בפועל, 3 התחדשות מבצעים לעתים קרובות המרה אופטית-ל-חשמלית-ל-ל-אופטית, אבל כל 3R טכניקות אופטיות הן תחום פעיל של מחקר.

תכונות אופטיות: The Workhorses of 1R Regeneration

מגבר אופטי הם הצורה הנפוצה ביותר של חידוש ברשתות פרוסות.הם מספקים רווח מבוזר לאורך תוחלת הסיבים, ביעילות פיצוי על אובדן ללא צורך המרה אלקטרונית.הבנת המאפיינים שלהם היא קריטית לתכנון רשת.

Erbium-Doped סיבים Amplifiers

EDFAs הם הבחירה הסטנדרטית עבור מערכות WDM ארוכות טווח. הם מציעים רווח גבוה (20–40 dB), מספר רעש נמוך (~ 4-5 dB), ורווח שטוח מעל C-band. על ידי קידוד EDFAs כל 80-100 ק"מ, קישור יכול לארוך אלפי קילומטרים.

רמן Amplifier

ראמן מגבר משתמש בלייזר משאבה בעוצמה גבוהה שהושק לתוך סיבי השידור כדי לספק רווח באמצעות פיזור Raman מועשר. כי הרווח מתרחש בתוך סיבי השידור עצמו, הדמות הרעש הוא נמוך יותר מזה של אדסנס. Raman יכול לשמש כמשלים ל- EDFAs כדי לשפר את יחס האות אופטי ל-לא-מס במערכות עם תקציבים הדוקים.

תכונות: Semiconductor Optical Amplifiers

SOAS הם קומפקטי, מגברים חד-משמעיים הפועלים על טווח גל רחב טווח.עם זאת, הם סובלים מרעש גבוה יותר, רגישות לקיטוב, ועיוותים לא ליניאריים בהשוואה ל- EDFAs. למרות חסרונות אלה, SOAs משמשים ברשתות מטרו, החלפת אופטית, וכאבני בניין עבור 2R ו 3R עקב התגובה המהירה שלהם לא ליניארית.

Regenerator Types and Architectures

רשתות מודרניות מעסיקות מגוון של ארכיטקטורות מחדש בהתאם למטרות הביצוע והעלות הנדרשות.השולחן מתחת לסכזז את הסוגים העיקריים:

  • (ב) [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0)2R Regenerator: Amplifies and reshapes the Sign, הסרת רעש מפוספס.
  • (ב) [ה]:0 [3R Regenerator] (מחדש מלא: ⁇ FLT] 1 Amplifies, reshapes, ו-Retimes.זהו הסוג היחיד שמשחזר במלואו אות מוזנח.
  • (FLT:0) Hybrid Regenerator:FreaLT:1) משלבים חילקו את ראמן עם דיסקרטי EDFAs ו- 2R/3R אופציונלית נמצאו בעיצובים מתקדמים של כבל צוללות כגון אלה המשתמשים בזיהוי קוהרנטי.

בפועל, הפתרון הנמוך ביותר עבור נתיבים ארציים רבים הוא להשתמש ב- EDFA- רק amplification (1R) עם פיזור מודולים פיצוי, להסתמך על עיבוד האות הדיגיטלי של המקלט כדי לטפל ליקויים השוהים.עבור יחסי צוללות אולטרה-ארוכות-האול, התחדשות מלאה של 3R בנקודות ביניים (לעתים קרובות באמצעות אואואונרים על פני החזרי הים) הוא הכרחי כדי לשמור על איכות מעל 10,000 קילומטרים.

רשת חתירה: יישום מעשי

חידוש אותות אופטי מאפשר לרשתות לעגל מרחקים שלא יהיה אפשרי עם הדגימה פשוטה. שני תחומים מרכזיים של יישום הם כבלים צוללות טרנסקרו-אטלנטיות ורשתות אחוריות ארציות.

מערכות כבלים

כבלי צוללות מודרניים משתמשים שרשרת של חזרות מבוסס EDFA בחלל כל 60-90 ק"מ כל חוזר מגבר את כל הערוצים המרובעים של גלי אורך הגל במקביל.עם זיהוי קוהרנטי ופורמטי מודולציה מתקדמים, מערכות אלה יכולות להשיג יכולות של מעל 20 Tbps לצמד סיבים ברחבי האוקיינוס האטלנטי.חלק מהכבלים כוללים 3Rהתחדשות בתחנות נחיתה או סניף שבו הם אותות שונים של צריכת הצוללות: 1R.

רשתות ארוכות-הולכות

ב- ⁇ אחוריים ארציים, נקודות חידוש ממוקמות בדרך כלל כל 500-1,000 ק"מ, בהתאם לשיעור הנתונים ואיכות הסיבים. עיצוב טיפוסי משתמש ב- EDFA אורכו של 80 ק"מ, עם מודולים פיצויי פיזור המוכנסים באופן זמני. באתרי התחדשות, אוואוונרטור ממיר את האות לפורמט חשמלי, לנקות אותו, ומחזיר אותו באופן אופטי על פני הגישה הבאה.

מרכז המידע אינטרק

חיבורים של מרכז נתונים בעלי עוצמה גבוהה דורשים לעתים קרובות הרחבות של 100-300 ק"מ, בעוד EDFAs מספיק עבור קישורים DCI רבים, הדור הבא 800 Gbps ו-1.6 מערכות Tbps לדחוף את הגבולות של יחס אות אופטי לרעש. במקרים אלה, 2Rהתחדשות באמצעות מכשירים מבוססי SOA או coling מתקדם יכול להאריך ללא המורכבות של 3R מלא.

איכות אות עבור מערכות High-Bit-Rate

איכות אותות מוגדרת על ידי מדדים כגון שיעור שגיאה bit, גורם איכות (Q-factor), ויחס אות אופטי ל-noise. Regeneration משפר את המדדים האלה על ידי פגיעה מיטיבה ישירות.היתרונות בולטים במיוחד עבור פורמטים מודולציה מסדר גבוה כמו 16-QAM, 64-QAM, וקבוצת כוכבים בצורת הסתברות, שהם רגישים יותר לעיוותים ועיוותים.

חידוש 3R מקטין את רצפת השגיאה הקטנה השונית על ידי תגמול הדופק לעמדות הנכונות שלהם. במערכות באמצעות זיהוי קוהרנטי עם שוויון דיגיטלי, השוויצר יכול לפצות על פיזור ליניארי אבל לא יכול להסיר לחלוטין רעש בשלב לא ליניארי או עיוותים אמפיריים.הוספת 2R או 3R בנקודות ביניים יכול לשפר באופן משמעותי את קצב המרחק לפני תיקון נכשל.

לדוגמה, קישור 100 Gbps DP-QPSK עם אדפרציה EDFA-רק יכול להיות טווח של 2,000 ק"מ עם 20% מ"ר מעל ראש.הצגת מחדש של 3R יחיד באמצע הדרך יכול להאריך את ההגעה ל-4,000 ק"מ או יותר, תוך מתן אות נקי יותר עבור נקודות במורד הזרם.זה סחר בין עלות ומרחק מושג הוא שיקול רשת מרכזי.

אתגרים בהתחדשות אופטית

למרות היתרונות שלה, התחדשות אופטית מציגה מספר אתגרים שיש לטפל בהם עבור פריסה יעילה עלות.

איור Noise ו-OSNR Degradation

כל מגבר מוסיף רעש, אשר מקטין את ה- OSNR לאורך הקישור.ב-קעידה של EDFAs, מערכת ההפעלהNR מצטברת על פי הנוסחה: OSNR total= 1 / ( ⁇ 1 /OSNR i) דמות הרעש של כל מגבר משפיע ישירות על ה-Ul-noise Raman amplifiers ו- EDFAs עם רעש מתקדם הם קריטי עבור מערכות ביצועים גבוהים.

כוח וסאונד

אוו 3R regenerators לצרוך כוח משמעותי בשל אלקטרוניקה מהירה לייזרים.בכבלי צוללות, כל וואט של כוח חוזר מוסיף לטעון התרמית של כבל ומפחית את האמינות.

עלויות ומורכבות

מלא 3R regenerators יקרים, במיוחד כאשר תמיכה באורכי גל מרובים.מערכת באורך 40 גלית ידרוש 40 כרטיסי regenerator נפרדים באתר מסוים. מפעילי רשת חייבים לאזן את העלות של חידוש נגד העלות של פריסת סיבים חדשים או יותר טרנזבולרים מתקדמים יותר. לעתים קרובות, שילוב של Raman amplification ו coherent DSP יכול להפריך את הצורך של חידוש.

שילוב ו Scalability

שילוב פונקציות מרובות של חידושים לתוך מעגל משולב פוטוני יחיד הוא מטרה עיקרית. ⁇ הנוכחי PICs יכול לשלב מודולרים, גלאיים, ומגברים, אבל ייצור גבוה של כל מעגלי 3R אופטי נשאר אתגר מחקר. פתרונות התחדשות סקאלה מטושטשת עבור רשתות עתידיות עם מאות ערוצי WDM ידרוש התקדמות משמעותית באינטגרציה פוטונית.

טכנולוגיות מתפתחות ודרכים מחקר

העתיד של חידוש אותות אופטיים הוא עיבוד אופטי, אופטימיזציה למידת מכונה, ועיצובים מתקדמים של מגבר.החידושים האלה מבטיחים להוריד את העלות, להפחית את צריכת החשמל, להגדיל את יכולת.

התחדשות 3R

כל הדור 3R אופטי נמנע מאנרגיה של המרה של OEO על ידי ביצוע שחזור שעון ותגובה ישירות בתחום אופטי.טכניקות באמצעות לייזרים מחוספסים עצמית, מראות לא לינאריים, וזמניים זעירים ליתיום ניבביט גל הוצגו ב 40 Gbps ו -100 Gbps.

מגברים של שלב-Sensitive Amplifiers

מגברים רגישים בשלב יכולים להגביר אות אופטי עם דמות רעש מתחת למגבלת 3 dB הקוונטים של מגברים רגישים בשלב כמו EDFAs. pSA מבוסס regenerative מגבר יש פוטנציאל לשפר דרמטית את OSNR בקישורים ארוך-haul.מחקר הוא מתמשך להפוך את PSAs מעשי עבור מערכות WDM, באמצעות niobthalally או סיבים לא ליניארית מאוד.

Machine Learning for Fitive Regeneration

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לייעל פרמטרים של חידוש בזמן אמת, להסתגל לשינויים בתנאי קישור כגון גיל סיבים, טמפרטורה, עומס תנועה.לדוגמה, רשת עצבית עמוקה יכולה לחזות את הרמה האופטימלית של כוח משאבה Raman או פיזור פיצוי למזער BER. גישות אלה משולבים בקרים ברשת המוגדרים תוכנה עבור תחבורה אופטית הדור הבא.

phonics for Compact Regenerators

תצלומים ופלטפורמות אינפראידיות של אלומיניום מאפשרים שילוב של פונקציות אופטיות מרובות -lasers, Modulators, מגברים וגלאולים - על שבב יחיד. A משולב לחלוטין 3R regenerator על שבב יהיה להפחית באופן דרמטי את הגודל והעלות, מה שהופך את ההתחדשות קיימא עבור מטרו ורשתות גישה.

מסקנה

חידוש אותות אופטיים נשאר אבן הפינה של התקשורת המודרנית, המאפשרת זרימה בלתי מופרעת של נתונים על פני יבשות ואוקיאנוסים. על ידי אספקת העצמה, פיזור, ולא ליניאריות, חידוש מרחיב את טווח הקישורים אופטיים ושומר על איכות האות הגבוהה הנדרשת עבור יישומים רגישים ברשת, כמו גם עלות חיוני של רשתות אופטית להמשיך לפתח מחדש של יעילות רשת.