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क्यों वेवलेंथ चयन ऑप्टिकल रिसीवर प्रदर्शन ड्राइव
आधुनिक ऑप्टिकल संचार नेटवर्क में, ऑपरेटिंग तरंग दैर्ध्य का विकल्प एक मूलभूत डिज़ाइन पैरामीटर है जो सीधे रिसीवर संवेदनशीलता, शोर सहिष्णुता और समग्र सिस्टम पहुंच को निर्धारित करता है। क्लाउड कंप्यूटिंग, स्ट्रीमिंग वीडियो और डेटा सेंटर इंटरकनेक्ट्स से यातायात के रूप में, इंजीनियरों को यह समझना होगा कि कैसे तरंगदैर्ध्य चयन संकेत के हर चरण को प्रभावित करता है - फोटोडेटेक्टर क्वांटम दक्षता से बिट-error-रेट (BER) फर्श तक। यह लेख भौतिक तंत्र को रिसीवर प्रदर्शन के लिए तरंगदैर्ध्य जोड़ने का अन्वेषण करता है, मानक ऑप्टिकल बैंड की समीक्षा करता है, और सिस्टम डिजाइनरों के लिए कार्रवाई योग्य मार्गदर्शन प्रदान करता है।
तरंगदैर्ध्य-Receiver इंटरेक्शन की भौतिकी
Photodetector Responsivity और क्वांटम क्षमता
किसी भी ऑप्टिकल रिसीवर के दिल में एक फोटोडाटर है जो घटना को विद्युत धारा में परिवर्तित करता है। डिटेक्टर का responsivity (amperes per watt) तरंगदैर्ध्य का एक मजबूत कार्य है। pin photodiodes] और [FLT: NRto-pone]] के लिए एक विशिष्ट संकेत (ApDs) गति को बढ़ाने के लिए, एक प्रतिक्रियाशीलता को एक अर्धचालक बैंडगैप द्वारा निर्धारित एक कटऑफ तक तरंगदैर्ध्य के साथ बढ़ जाती है। उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट InGaAsdiode के पास गति गति गति को अधिकतम करने के लिए (50 )
डार्क करंट और शॉट शोर
डार्क करंट - प्रकाश की अनुपस्थिति में फोटोडायोड के माध्यम से बहने वाली रिसाव वर्तमान - तरंग दैर्ध्य-निर्भर भी है। लंबे समय तक तरंगदैर्ध्य डिटेक्टरों में (जैसे, जो एल-बैंड के लिए डिज़ाइन किया गया), अंधेरे वर्तमान संकीर्ण बैंडगैप सामग्री के कारण उच्च होता है, जो रिसीवर संवेदनशीलता को कम कर सकता है। इसके अतिरिक्त, shot noise] कुल वर्तमान (फोटो-वर्तमान + अंधेरे वर्तमान) के साथ पैमाने। एक तरंग दैर्ध्य का चयन करना जो कम अंधेरे वर्तमान के साथ उच्च प्रतिक्रियाशीलता को संतुलित करता है, इसलिए कम शोर स्वागत प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।
मानक तरंगदैर्ध्य बैंड और रिसीवर मैट्रिक पर उनका प्रभाव
ऑप्टिकल फाइबर संचार कई तरंगदैर्ध्य बैंड में आयोजित किए जाते हैं, प्रत्येक में विशिष्ट क्षीणन, फैलाव और गैर-रैखिक विशेषताओं के साथ। नीचे की तालिका सबसे आम बैंड और रिसीवर प्रदर्शन पर उनका विशिष्ट प्रभाव संक्षेप में प्रस्तुत करती है।
850 एनएम (मल्टीमोड के लिए ओ-बैंड)
मुख्य रूप से ] के साथ प्रयोग किया जाता है, लघु पहुंच बहुपद्वति लिंक (डाटा केन्द्रों, स्थानीय क्षेत्र नेटवर्क) में ] लंबवत-क्षमता सतह उत्सर्जक लेज़रों (VCSEL) के साथ प्रयोग किया जाता है। 850 एनएम पर, फाइबर हानि लगभग 3 डीबी / किमी और मोडल फैलाव सीमा लगभग 300 मीटर तक पहुंच जाती है। रिसीवर को उच्च ऑप्टिकल शक्ति को ध्यान में रखते हुए, अक्सर बढ़े ]] थर्मल शोर ]]]] वर्चस्व के लिए नेतृत्व किया जाना चाहिए। लाभ कम घटक लागत और एकीकरण की आसानी है।
1310 एनएम (ओ-बैंड)
यह तरंग दैर्ध्य मानक एकल मोड फाइबर (SMF) के शून्य फैलाव बिंदु के पास बैठता है। जबकि क्षीणन मध्यम (≈0.35 dB / किमी) है, रिसीवर न्यूनतम क्रोमेटिक फैलाव से लाभ उठाता है, जो मध्यम डेटा दरों (10 Gbps तक) पर अंतरिमबोल हस्तक्षेप को कम करता है। उच्च गति (100 Gbps और उससे अधिक) के लिए, फैलाव मुआवजा अभी भी आवश्यक है। 1310 एनएम मध्यम पहुंच मेट्रो और एक्सेस नेटवर्क के लिए अनुकूल है जहां फैलाव-संवेदनशील रिसीवर बाहरी मुआवजा के बिना काम कर सकते हैं।
1550 एनएम (सी-बैंड)
एर्बियम-डॉप फाइबर एम्पलीफायर (EDFA) प्रवर्धन बैंड 1550 एनएम को लंबे समय तक और पनडुब्बी प्रणालियों के लिए वर्कहॉर्स बनाता है। ≈0.2 डीबी / किमी की उम्र में क्षीणन, जिससे ऑप्टिकल एम्पलीफायरों को हजारों किलोमीटर तक फैलने में सक्षम बनाया गया। 1550 एनएम पर प्राप्तकर्ता सबसे कम संकेत हानि का अनुभव करते हैं, जिससे बहुत अधिक संवेदनशीलता (समझने वाले रिसीवर के लिए 30 dBm से नीचे) की अनुमति मिलती है। हालांकि, ]chromatic फैलाव 1550 एनएम पर (≈17 ps / एनएम · किमी) को प्रबंधित किया जाना चाहिए, आम तौर पर फैलाव-संगत फाइबर या डिजिटल संयोजक के रूप से 3 क्षिप्तन का उपयोग करना]।
एल-बैंड (1565-1625 एनएम)
L-band C-band से परे उपयोग करने योग्य स्पेक्ट्रम का विस्तार करता है, जिससे अधिक चैनलों के साथ घने तरंग दैर्ध्य-डिविजन मल्टीप्लेक्सिंग (DWDM) की अनुमति मिलती है। L-band के लिए रिसीवर को उच्च फाइबर हानि और मजबूत ]four-wave मिश्रण (FWM) के साथ विशेष फोटोडायोड का उपयोग किया जाता है, अक्सर थोड़ा कम प्रतिक्रिया और उच्च अंधेरे वर्तमान प्रदर्शित करता है। फिर भी, L-बैंड अल्ट्रा-उच्च क्षमता की मांग करने वाले सिस्टम के लिए आवश्यक है।
तरंगदैर्ध्य-निर्धारण शोर तंत्र
एम्पलीफायर सहज उत्सर्जन (ASE) शोर
प्रवर्धित प्रणालियों में, EDFA से ASE शोर लिंक के साथ जमा हो जाता है। ऑप्टिकल एम्पलीफायर का शोर आंकड़ा लाभ स्पेक्ट्रम में भिन्न होता है। EDFA लाभ शिखर (≈1530-1560 एनएम) के पास तरंगदैर्ध्य कम शोर आंकड़ा का अनुभव करते हैं, जो सीधे रिसीवर के ऑप्टिकल संकेत-टू-शोर अनुपात (OSNR) को बेहतर बनाता है। एम्पलीफायर के फ्लैट-गेन क्षेत्र के भीतर एक चैनल का चयन करने से ASE-प्रेरित बिट त्रुटियों से दंड कम हो सकता है।
गैर-रेखीय हानि
तरंगदैर्ध्य चयन गैर-रेखीय प्रभाव जैसे ] स्वयं चरण मॉड्यूलेशन (SPM) , ]cross चरण मॉड्यूलेशन (XPM) , और FWM]]]]. DWDM सिस्टम में, चैनलों को शून्य फैलाव तरंगदैर्ध्य (≈1310 एनएम) के पास स्थान दिया गया है, जबकि लंबे तरंगदैर्ध्य (C-बैंड) में FWM को दबाने के लिए पर्याप्त स्थानीय फैलाव है। डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (Sp-अवधित्व के लिए) गैर-रेखावणुत्व के लिए, अति-परमानांतरणुतिथनात्मक ऊर्जा प्रवाहित होना चाहिए।
वेवलेंथ चयन में प्रैक्टिकल ट्रेड-ऑफ
डेटा दर और बैंडविड्थ बाधाएं
उच्च प्रतीक दरों (≥56 जीबीडी) के लिए, रिसीवर की 3 डीबी बैंडविड्थ विरूपण के बिना संकेत पर कब्जा करने के लिए पर्याप्त होना चाहिए। लंबे तरंग दैर्ध्य में, फोटोडायोड समाई कम हो सकती है (बड़े डिप्लेशन चौड़ाई के कारण), बैंडविड्थ सीमा में वृद्धि। हालांकि, फोटोजेनेटेड वाहक के पारगमन समय भी अवशोषण गहराई के साथ बढ़ जाती है। स्टेट ऑफ-द-आर्ट uni-traveling-carrier (UTC) photodiodes C- और L-बैंड के पार>100 गीगा बैंडविड्थ प्राप्त करते हैं लेकिन प्रत्येक बैंड के लिए सटीक epitaxial डिजाइन की आवश्यकता होती है।
सुसंगत बनाम प्रत्यक्ष जांच
]]coherent रिसीवर में, तरंग दैर्ध्य चयन स्थानीय दोलन (LO) लेजर चरण शोर और ध्रुवीकरण संरेखण को प्रभावित करता है। लो तरंग दैर्ध्य को कुछ सौ मेगाहर्ट्ज के भीतर संकेत से मेल खाना चाहिए, जो सिग्नल तरंगदैर्ध्य drifts के दौरान कठिन हो जाता है। उन्नत डिजिटल चरण अनुमान एल्गोरिदम अधिक तरंगदैर्ध्य धुंध को सहन कर सकते हैं, लेकिन सिस्टम मार्जिन अभी भी गिरावट में है अगर LO की ट्यूनिंग रेंज के बाहर घूमता है। प्रत्यक्ष-डिटेक्शन रिसीवर (जैसे, OOK फॉर PONs), तरंगदैर्ध्य स्थिरता आवश्यकताओं को ढीला कर दिया जाता है, लेकिन 1550nm तक की सीमा से तरंगदैर्घ्यतापूर्ण फैलाव की सीमा तक की कमी को कम किया जाता है।
लागत और घटक उपलब्धता
एक तरंग दैर्ध्य बैंड पर मानकीकरण सूची को सरल बनाता है लेकिन यह सबोप्टिमियल प्रदर्शन को मजबूर कर सकता है। उदाहरण के लिए, लघु पहुंच डेटा केंद्र लिंक में 1550 एनएम का उपयोग करना ठंडा लेजर डायोड और EDFAs की आवश्यकता के कारण महंगा है। इसके विपरीत, लंबे समय तक हटने के लिए 850 एनएम का उपयोग करना उच्च नुकसान के कारण असंभव है। सिस्टम डिजाइनरों को प्रदर्शन लाभ के खिलाफ तरंग दैर्ध्य-विशिष्ट स्रोतों, डिटेक्टरों और एम्पलीफायरों की लागत का वजन होना चाहिए।
तरंग दैर्ध्य पैलेट का विस्तार: S-Band, U-Band, Beyond
वर्तमान अनुसंधान एस-बैंड (1460-1530 एनएम) और यू-बैंड (1625-1675 एनएम) की अतिरिक्त क्षमता को अनलॉक करने के लिए खोज करता है। रिसीवर के लिए, इन बैंडों ने चुनौतियों को प्रस्तुत किया: फोटोडायोडों में अक्सर कम प्रतिक्रियाशीलता (अवशोषित-परत बाधा के कारण), और अंधेरे वर्तमान परिमाण का आदेश उच्च हो सकता है। फिर भी hybrid photodetectors] (जैसे, SiGe और InGaAs को एकीकृत करना) और उन्नत शोर-सम्पर्क सर्किट के विकास के साथ, ये बैंड जल्द ही अति-तरह वाले सिस्टम (DM-उच्च-क्षम) के लिए व्यवहार्य हो सकते हैं।
निष्कर्ष: वेवलेंथ ऑप्टिमाइज़ेशन के लिए व्यावहारिक दिशानिर्देश
ऑप्टिकल रिसीवर के लिए इष्टतम तरंग दैर्ध्य का चयन एक आकार के फिट्स-सभी निर्णय से दूर है। निम्नलिखित चेकलिस्ट सिस्टम आर्किटेक्ट्स को सूचित व्यापार-बंद करने में मदद कर सकता है:
- <1 km):<1 km):<1 km):]<1 km):]]<1 km): कम लागत वाले VCSEL और पिन फोटोडायोड के साथ 850 एनएम का प्रयोग करें।
- मध्यम पहुंच (1-40 किमी) के लिए: 1310 एनएम फैलाव मुआवजे के बिना कम फैलाव और उत्कृष्ट संवेदनशीलता प्रदान करता है। डायरेक्ट-डिटेक्शन रिसीवर सरल और लागत प्रभावी हैं।
- ]] 1550 एनएम (C-बैंड) EDFA लाभ और सुसंगत पहचान के साथ उच्चतम संवेदनशीलता और पहुंच प्रदान करता है। क्रोमेटिक फैलाव का प्रबंधन करने के लिए फैलाव मुआवजा या DSP का उपयोग करें।
- ]]L-band और अंततः S-band. मॉनिटर रिसीवर अंधेरे वर्तमान और ASE शोर penalties. अब तरंग दैर्ध्य पर संवेदनशीलता को बढ़ावा देने के लिए APDs का उपयोग करने पर विचार करें।
5G, इंटरनेट ऑफ थिंग्स और कृत्रिम बुद्धि के विस्फोटक विकास से डेटा की दर भी अधिक होगी। नतीजतन, तरंग दैर्ध्य चयन ऑप्टिकल रिसीवर डिज़ाइन का एक कोने का पत्थर बनेगा - एक जो लिंक-स्तर पर सावधानीपूर्वक अध्ययन और अनुकूलन के योग्य है। इंजीनियर जो तरंग दैर्ध्य, रिसीवर शोर और गैर-रैखिक हानि के बीच अंतर-खेल में मास्टर होते हैं, अगले दशक के लिए मजबूत, उच्च प्रदर्शन नेटवर्क बनाने के लिए अच्छी तरह से सुसज्जित होंगे।
]External references]