ऑप्टिकल सिग्नल पुनर्जनन प्रणाली में ऑप्टिकल रिसीवर की भूमिका

ऑप्टिकल सिग्नल पुनर्जनन प्रणाली लंबे समय तक, उच्च गति संचार नेटवर्क की रीढ़ बनाती है। वे ऑप्टिकल पल्स की गुणवत्ता को बहाल करते हैं जो फाइबर ट्रांसमिशन द्वारा क्षीणित और विकृत हो गए हैं। हर पुनर्जन्म के दिल में ऑप्टिकल रिसीवर निहित है - एक घटक जिसे चरम परिशुद्धता के साथ आने वाली रोशनी का पता लगाना, बदलना और साफ करना चाहिए। यह लेख सिग्नल पुनर्जनन में ऑप्टिकल रिसीवर की भूमिका की जांच करता है, उनके प्रमुख घटकों और प्रदर्शन मीट्रिक का पता लगाता है, और उभरती हुई प्रौद्योगिकियों को देखता है जो डेटा ट्रांसमिशन की सीमा को धक्का दे रहे हैं।

ऑप्टिकल रिसीवर क्या है?

एक ऑप्टिकल रिसीवर एक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण है जो मॉड्युलेट्ड लाइट पल्स को एक संबंधित विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। यह ऑप्टिकल फाइबर के बाद पहला इलेक्ट्रॉनिक चरण है और आने वाले डेटा स्ट्रीम की गति पर काम करना चाहिए। एक विशिष्ट रिसीवर में एक photodetector, एक ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायर (TIA), एम्पलीफायरों को सीमित करता है, घड़ी और डेटा रिकवरी सर्किटरी, और अक्सर एक निर्णय सर्किट होता है। फोटोडेटा - आमतौर पर एक पिन फोटोडायोड या एवलांचे फोटोडायोड (APD) - घटना ऑप्टिकल पावर के लिए एक फोटोकोरेंट को उत्पन्न करता है।

रिसीवर का प्राथमिक काम प्रकाश दालों में सही ढंग से कोडित जानकारी की व्याख्या करना है। आधुनिक डिजिटल प्रणालियों में इसका मतलब है कि "0" और "1" स्तरों के बीच शोर, फैलाव और क्षीणन के बावजूद अलग करना जो लंबे फाइबर स्पैनों पर जमा हो। ठीक से डिजाइन किए गए रिसीवर के बिना, यहां तक कि सबसे परिष्कृत मॉड्यूलेशन प्रारूप त्रुटि-मुक्त संचार को बनाए नहीं रख सकते हैं।

सिग्नल पुनर्जनन में ऑप्टिकल रिसीवर की भूमिका

3R (Re-amplification, Re-shaping, Re-timing) पुनर्जन्म प्रणाली में, ऑप्टिकल रिसीवर पहले दो चरणों का प्रदर्शन करता है। आने वाले ऑप्टिकल सिग्नल-पहले कमजोर और संभवतः विकृत- विद्युत डोमेन में परिवर्तित हो जाता है। वहां, यह एक मानक वोल्टेज स्तर (re-amplification) को बढ़ा दिया गया है और एक फिल्टर और निर्णय सर्किट के माध्यम से पारित किया गया है जो शोर को हटा देता है और तरंगों को फिर से आकार देता है (re-shaping)। अंत में, एक घड़ी वसूली सर्किट समय की जानकारी को निकालता है, जिससे पुनर्जन्म को स्वच्छ, सिंक्रनाइज़ पल्स ट्रेन को आउटपुट करने में सक्षम बनाया जा सकता है।

जांच और रूपांतरण

फोटोडेटेक्टर के पास मूल मॉडुलन दर को पकड़ने के लिए पर्याप्त बैंडविड्थ और प्रतिक्रिया होना चाहिए। उच्च गति प्रणालियों (जैसे 100 जीबीपीएस या 400 जीबीपीएस) के लिए, 50 गीगाहर्ट्ज से अधिक बैंडविड्थ वाले पिन फोटोडायोड सामान्य हैं। रूपांतरण क्षमता सीधे रिसीवर की संवेदनशीलता को प्रभावित करती है - न्यूनतम ऑप्टिकल शक्ति को लक्ष्य बिट-फायर अनुपात (बीईआर) प्राप्त करने के लिए आवश्यक है।

शोर फ़िल्टरिंग और प्रवर्धन

रूपांतरण के बाद, विद्युत संकेत में एम्पलीफायर से थर्मल शोर, डिटेक्टर से शोर को गोली मारता है और फाइबर से अवशिष्ट अंतर-समग्र शोर शामिल है। एक बैंडपास फिल्टर को मॉडुलन आवृत्ति के अनुरूप आउट-ऑफ-बैंड शोर को हटा देता है। एम्पलीफायर संभव के रूप में कम शोर जोड़ने के दौरान संकेत को बढ़ाता है; टीआईए का शोर आंकड़ा एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है जो समग्र संवेदनशीलता को सीमित करता है।

निर्णय सर्किट और टाइमिंग रिकवरी

निर्णय सर्किट एक सीमा वोल्टेज के खिलाफ फिल्टर सिग्नल की तुलना करता है। एक अच्छी तरह से खुला घड़ी यह सुनिश्चित करता है कि नमूना इष्टतम तत्काल-आंख आरेख के सबसे व्यापक उद्घाटन पर होता है। समय jitter को कम किया जाना चाहिए, क्योंकि अत्यधिक जिटर बिट त्रुटियों की ओर जाता है, विशेष रूप से घने तरंग दैर्ध्य-डिविविजन मल्टीप्लेक्सिंग (DWDM) प्रणालियों में जहां एकाधिक चैनल एक साथ पैक किए जाते हैं।

एक ऑप्टिकल रिसीवर के प्रमुख घटक

फोटो

फोटोडेटा आने वाले फोटॉन को इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े में परिवर्तित करता है। PIN photodiodes उच्च गति और रैखिकता प्रदान करते हैं लेकिन मामूली आंतरिक लाभ। Avalanche photodiodes (APDs) ]] आंतरिक गुणन लाभ प्रदान करते हैं, 10-15 डीबी तक संवेदनशीलता में सुधार करते हैं, लेकिन उच्च पूर्वाग्रह वोल्टेज की आवश्यकता होती है और उच्च शोर होता है। सुसंगत पहचान प्रणाली के लिए, संतुलित फोटोडायोड आम-मोड शोर को रद्द करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।

ट्रांसिमेडेंस एम्पलीफायर (TIA)

TIA photodiode के बाद पहला एम्पलीफायर चरण है। यह कम शोर और उच्च बैंडविड्थ के साथ एक वोल्टेज (मिलिवोल्ट के सैकड़ों) में एक प्रकार का फोटोक्रिकेट (आमतौर पर कुछ माइक्रोएम्प्स) को परिवर्तित करता है। आधुनिक TIAs अक्सर स्वचालित लाभ नियंत्रण शामिल हैं जो अलग-अलग इनपुट पावर स्तरों को बिना संतृप्त किए संभालते हैं।

एम्पलीफायर और फ़िल्टर को सीमित करना

एक सीमित एम्पलीफायर संकेत को एक निश्चित आयाम में संतृप्त करता है, जो आयाम भिन्नता को हटा देता है जो निर्णय सर्किट को भ्रमित कर सकता है। निष्क्रिय या सक्रिय फिल्टर सिग्नल स्पेक्ट्रम को आकार देते हैं और बैंड शोर को बाहर निकालते हैं। कुछ रिसीवर एक ] कम-पास बेसेल फ़िल्टर को एकीकृत करते हैं ताकि उच्च आवृत्ति शोर को कम करते समय पल्स आकार को संरक्षित किया जा सके।

क्लॉक एंड डाटा रिकवरी (CDR) सर्किट

CDR डेटा स्ट्रीम से टाइमिंग क्लॉक निकालता है और नमूना तत्काल संरेखित करता है। गैर-वापसी-टू-zero (NRZ) प्रारूपों के लिए, डेटा में संक्रमण पर एक चरण-लॉक लूप (PLL) लॉक करता है। PAM-4 या QPSK जैसे उन्नत मॉडुलन के लिए, अधिक परिष्कृत टाइमिंग रिकवरी एल्गोरिदम की आवश्यकता होती है।

पुनर्जन्म में ऑप्टिकल रिसीवर के लिए प्रदर्शन मीट्रिक

डिजाइनर कई प्रमुख मापदंडों का उपयोग करके ऑप्टिकल रिसीवर का मूल्यांकन करते हैं जो सीधे पुनर्जनन गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं:

• ]Sensitivity:] 10-12 (या कम) के BER को प्राप्त करने के लिए न्यूनतम औसत ऑप्टिकल शक्ति की आवश्यकता है। उच्च संवेदनशीलता पुनर्जन्मियों के बीच लंबे समय तक स्पैन की अनुमति देती है।
• Bandwidth: डेटा दर के बुनियादी आवृत्ति घटकों को पारित करने के लिए पर्याप्त होना चाहिए (उदाहरण के लिए,>0.7 × एन.आर.जेड के लिए बिट दर)। अपर्याप्त बैंडविड्थ अंतर-सिमबोल हस्तक्षेप (ISI) का कारण बनता है।
• Dynamic रेंज: इनपुट ऑप्टिकल पावर की सीमा जिस पर रिसीवर रैखिक संचालन को बनाए रखता है। एक विस्तृत गतिशील रेंज लघु अवधि में संतृप्ति को रोकता है और लंबी अवधि में पर्याप्त संवेदनशीलता सुनिश्चित करता है।
• Noise चित्र: TIA द्वारा प्रभुत्व, शोर आंकड़ा कुल शोर को जोड़ता है। कम शोर आंकड़ा संवेदनशीलता में सुधार करता है।
• ]Polarization निर्भरता: सुसंगत प्रणालियों में, रिसीवर को मनमाने ढंग से ध्रुवीकरण राज्यों को संभालना चाहिए। ध्रुवीकरण विविधता रिसीवर ध्रुवीकरण और ध्रुवीकरण दोनों प्रक्रिया को विभाजित करता है।

फैलाव और गैर-रेखीयता का प्रभाव

क्रोमेटिक फैलाव और गैर-रैखिक केर प्रभाव नाड़ी को विरूपण करते हैं। जबकि ऑप्टिकल पुनर्जनन में अक्सर फैलाव मुआवजा शामिल होता है, विद्युत रिसीवर भी समानीकरण फिल्टर का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनिक फैलाव मुआवजा (EDC) का प्रदर्शन कर सकता है। EDC अतिरिक्त ऑप्टिकल हार्डवेयर के बिना प्रत्यक्ष-डिटेक्शन सिस्टम की पहुंच को बढ़ाता है।

पुनर्जन्म में प्रयुक्त ऑप्टिकल रिसीवर के प्रकार

प्रत्यक्ष -Detection रिसीवर

ये सरल हैं, केवल ऑप्टिकल सिग्नल की तीव्रता का पता लगाता है। वे आमतौर पर विरासत 2.5 जीबीपीएस और 10 जीबीपीएस सिस्टम और निष्क्रिय ऑप्टिकल नेटवर्क (पीओएन) में उपयोग किए जाते हैं। उच्च दरों के लिए, प्रत्यक्ष पता लगाने से क्रोमेटिक फैलाव होता है और ईडीसी या फैलाव-compensating फाइबर पर निर्भर करता है।

सुसंगत रिसीवर

सुसंगत रिसीवर एक स्थानीय दोलक (LO) लेजर के साथ आने वाले संकेत को मिलाते हैं, जिससे चरण और आयाम की वसूली को सक्षम बनाया जा सकता है। यह उच्च वर्णक्रमीय दक्षता की अनुमति देता है और 16-QAM और 64-QAM जैसे मॉडुलन प्रारूपों का समर्थन करता है। डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (DSP) के साथ संयुक्त सुसंगत पहचान ऑप्टिकल घटकों के बिना क्रोमेटिक और ध्रुवीकरण-मोड फैलाव के लिए क्षतिपूर्ति कर सकती है। आधुनिक सुसंगत रिसीवर पनडुब्बी केबलों और 100 Gbps पर लंबी-हाउल स्थलीय लिंक के लिए आवश्यक हैं।

एकीकृत फोटोनिक रिसीवर

सिलिकॉन फोटोनिक्स और इंडियम फॉस्फेटाइड (इनपी) प्लेटफॉर्म एक चिप पर फोटो डिटेक्टरों, मॉड्यूलेटरों और यहां तक कि डीएसपी सर्किट को एकीकृत करते हैं। ये एकीकृत रिसीवर विश्वसनीयता में सुधार करते समय बिजली की खपत और पदचिह्न को कम करते हैं। वे डेटा सेंटर इंटरकनेक्ट और मेट्रो नेटवर्क के लिए प्रमुख सक्षम हैं।

पुनर्जन्म के लिए ऑप्टिकल रिसीवर डिजाइन में चुनौतियां

• ]Thermal शोर बनाम शॉट शोर: कम इनपुट शक्तियों पर, TIA से थर्मल शोर हावी, संवेदनशीलता को सीमित करता है। APDs मदद लेकिन अतिरिक्त शोर पेश करते हैं। उन्नत रिसीवर डिजाइन शोर-फिल्टरिंग एल्गोरिदम के साथ पोस्ट-एम्प्लीफिकेशन का उपयोग करते हैं।
• Bandwidth सीमा: चूंकि डेटा दरें प्रति तरंग दैर्ध्य 800 Gbps तक पहुंचती हैं, इसलिए उच्च बैंडविड्थ और कम शोर को बनाए रखने के लिए असतत घटक संघर्ष करते हैं। फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक सह-डिज़ाइन की आवश्यकता है।
• Jitter and Time: Jitter regenerators के माध्यम से जमा होता है। प्रत्येक रिसीवर के CDR में कम आंतरिक जिटर और उच्च जिटर सहिष्णुता होना चाहिए। Lovererent रिसीवर में चरण शोर एक और चुनौती है।
• ]पावर कंज्यूशन: हाई-स्पीड रिसीवर और डीएसपी चिप्स वाट के दसियों का उपभोग कर सकते हैं। ऊर्जा दक्षता डेटा सेंटर नेटवर्क को स्केल करने के लिए महत्वपूर्ण है।

ऑप्टिकल रिसीवर प्रौद्योगिकी में भविष्य के रुझान

अनुकूली समीकरण के लिए मशीन लर्निंग

डीएसपी आधारित रिसीवर मशीन-लर्निंग एल्गोरिदम को शामिल करना शुरू कर रहे हैं जो वास्तविक समय में फाइबर की स्थिति को बदलने के अनुकूल हैं। तंत्रिका नेटवर्क निर्णय सीमा और तुल्यकारक नल को अनुकूलित कर सकते हैं, गैर-लाइनर विरूपण के तहत परिमाण के कई आदेशों से बीईआर को सुधार सकते हैं।

Nyquist Subcarriers

वर्णक्रमीय दक्षता बढ़ाने के लिए भविष्य के पुनर्जन्मकर्ता उच्च-आदेश QAM के साथ संयुक्त Nyquist-pulsed subcarriers का उपयोग करेंगे। रिसीवर को घने नक्षत्रों को संभालने के लिए उच्च रैखिकता और तेज एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (ADCs) की आवश्यकता होगी।

माइक्रो-ट्रांसफर-मुद्रित फोटोडायोड

नई पैकेजिंग तकनीकें सिलिकॉन पीआईसी पर सीधे मुद्रित होने की अनुमति देती हैं, परजीवी कैपेसिटेंस को कम करती हैं और 100 गीगाहर्ट्ज से परे बैंडविड्थ में सुधार करती हैं। यह 1.6 टीबीपीएस चैनलों को सक्षम कर सकता है।

इलेक्ट्रॉनिक ओवरसाइट के साथ सभी ऑप्टिकल पुनर्जनन

कुछ शोध बिंदुओं को संकर योजनाओं के लिए जहां सरल ऑप्टिकल गेट मोटे पुनर्जनन करते हैं, और इलेक्ट्रॉनिक रिसीवर ठीक-ग्रेन किए गए रीशेपिंग और रिटिमिंग को संभालते हैं। यह अल्ट्रा-लंबे-हाउल लिंक के लिए प्रदर्शन को बनाए रखते हुए बिजली की खपत को कम कर सकता है।

निष्कर्ष

ऑप्टिकल रिसीवर निष्क्रिय रूपांतरण तत्वों से दूर हैं; वे सक्रिय, बुद्धिमान निर्णय लेने वाले घटक हैं जो सिग्नल पुनर्जनन प्रणालियों के प्रदर्शन को परिभाषित करते हैं। वास्तविक समय के साथ परिष्कृत सुसंगत रिसीवर के लिए विनम्र पिन फोटोडायोड से, हर हिस्से को गति, शोर और शक्ति के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए। चूंकि नेटवर्क टेराबिट-प्रति सेकंड दरों और परे की ओर धक्का देते हैं, ऑप्टिकल रिसीवर नवाचार का एक केंद्र बिंदु बने रहेंगे। इसकी भूमिका और सीमाओं को समझना किसी भी डिजाइन या आधुनिक ऑप्टिकल संचार बुनियादी ढांचे के संचालन के लिए आवश्यक है।

आगे पढ़ने के लिए, व्यावहारिक तैनाती दिशानिर्देशों के लिए IEEE 802.3 ईथरनेट मानकों को रिसीवर प्रदर्शन आवश्यकताओं के लिए परामर्श करें, और फाइबर ऑप्टिक एसोसिएशन ]] व्यावहारिक तैनाती दिशानिर्देशों के लिए।