La sfida crescente delle nonlinearità fibre nelle reti ottiche ad alta velocità

I sistemi di comunicazione ottica ad alta velocità sono la spina dorsale della trasmissione dati moderna, che trasporta tutto dal traffico internet alle transazioni finanziarie e ai carichi di lavoro di calcolo del cloud. Poiché i tassi di dati scalano da 10 Gbps per canale a 400 Gbps, 800 Gbps, e oltre, le richieste di integrità del segnale al ricevitore ottico sono diventati sempre più gravi.

Comprendere le origini fisiche delle nonlineari fibre

Le fibre ottiche presentano un comportamento non lineare principalmente a causa dell'effetto Kerr[, in cui l'indice di rifrazione del vetro silice cambia proporzionalmente all'intensità della luce che lo attraversa. Questo indice di intensità-dipendente, combinato con le lunghe interferenze nelle fibre ottiche, dà luogo a diversi fenomeni non lineari distinti.

L'effetto Kerr e la modalità auto-pausa (SPM)

La modulazione autofase avviene quando il profilo di intensità di un impulso modula la propria fase tramite l'effetto Kerr. Il bordo principale del polso sperimenta un downshift di frequenza, mentre il bordo di traino sperimenta un upshift, che porta a allargamento di prospettiva. In sistemi ad alta velocità, questo allargamento può causare impulsi adiacenti a sovrapposizione nel dominio di frequenza, aumentando i formati di picco inter-si

Modulazione trasversale (XPM)

Nei sistemi multisala (WDM) di divisione d'onda, le variazioni di intensità di un canale possono modulare la fase dei canali di co-propagazione attraverso l'effetto Kerr. Questa modulazione trasversale traduce il rumore di ampiezza o il battito di impulso da una lunghezza d'onda a distorsione di fase su un altro.

Miscelatura a quattro onde (FWM)

La miscelazione a quattro onde è un processo parametrico in cui due o più onde ottiche a frequenze diverse interagiscono per generare nuove frequenze. Nei sistemi WDM con canali altrettanto distanziati, FWM può produrre nuovi toni che cadono direttamente nella banda del segnale, causando gravi cross-talk. L'efficienza di FWM dipende dalla dispersione cromatica della fibra: fibre a bassa dispersione, come la fase G.652, può effettivamente interagire con le onde FWMacerbato

Effetti di scattering stimolati (SBS e SRS)

Lo spargimento di Brillouin stimolato deriva dall'interazione della luce con i fononi acustici nella fibra, creando un'onda di Stokes a propagazione arretrata. Sopra una certa soglia di potenza, SBS può riflettere una frazione significativa della potenza lanciata verso il trasmettitore, affamando il ricevitore dell'energia del segnale e generando rumore.

Impatto sull'integrità del segnale al ricevitore

La manifestazione finale delle non linearità delle fibre è un segnale ottico degradato al circuito di decisione del ricevitore. I difetti non lineari non sono semplicemente rumore additivo; creano distorsioni deterministiche e stocastiche complesse che sono difficili da eguagliare con gli equalizzatori lineari tradizionali.

Distorsione della forma di impulso e del Jitter di tempo

SPM e XPM inducono i cambiamenti di fase di tempo-varying che, quando convertiti in variazioni di intensità per dispersione cromatica, producono distorsione della forma di impulso. I bordi di guida e di trailing di un impulso possono diventare asimmetrici, e la posizione di picco può cambiare nel tempo - un fenomeno noto come che si jitter]].

Chiusura con diagramma e riduzione del tasso di errore

L'effetto cumulativo di tutte le non linearità è una chiusura del diagramma oculare ricevuto. L'apertura verticale dell'occhio si restringe perché il rumore di ampiezza e la traversa riducono la distinzione tra i livelli di logica 1 e 0. La correzione orizzontale si restringe perché il jitter e l'allargamento dell'impulso causano che le transizioni si verificano prima o poi del previsto.

Rumore di fase non lineare nei sistemi coerenti

I moderni ricetrasmettitori ottici ad alta velocità utilizzano un rilevamento coerente con l'elaborazione digitale del segnale (DSP) per demodulare i formati di modulazione avanzata come DP-16QAM. In questi sistemi, la fase di vettore viene tracciata dall'algoritmo di recupero della fase del ricevitore. Tuttavia, il rumore di fase non lineare deriva dall'effetto Kerr combinato con i limiti di emissione spontanea amplificata (ASE) dagli amplificatori inversatori in fibra (EDFAs) di fase di erbium-faserci) — può causare errori di es inversione di es ins ins ins ins ins ins ins ins ins insings ins ins ins ins ins ins ins ins ins ins insinverterlinea.

Cross-Talk in Wavelength-Division Multiplexing

FWM e XPM producono un cross-talk lineare e non lineare che degrada il rapporto segnale-interferenza al ricevitore. Nei sistemi DWDM con 50 GHz di spaziatura canale, i prodotti FWM possono cadere direttamente in un canale vicino di larghezza di banda, che appare come un tono spurioso che non può essere filtrato.

Strategie di migrazione per la conservazione dell'integrità del segnale

Esiste una vasta gamma di tecniche per ridurre l'impatto delle non linearità delle fibre sulle prestazioni del ricevitore. Queste strategie abbracciano lo strato fisico (scelta fibra, potenza di lancio), il design di modulazione (formati, battitura del polso), e il dominio digitale (algoritmo DSP).

Gestione di potenza e dispersione

La più semplice mitigazione è quella di mantenere la potenza di lancio sotto la soglia non lineare, ma questo riduce il rapporto di segnale ottico-noise (OSNR) al ricevitore. È necessario un atto di bilanciamento Gestione della dispersione]] utilizza le scanalature di conversione delle fibre con dispersione positiva e negativa per mantenere la dispersione accumulata vicino a zero, mantenendo alta dispersione di fase locale.

Formati di modifica avanzata

[PQ] i formati di potenza inferiore a quelli medio (PAPR) sono intrinsecamente più resilienti alle nonlinearità del Kerr

Compensazione digitale della non linearità

I ricevitori coerenti permettono di ottenere potenti tecniche di mitigazione digitale. L'offerta di backpropagation digitale (DBP)] modella la propagazione non lineare della fibra inversa, utilizzando la forma d'onda ricevuta per stimare e sottrarre le distorsioni non lineari.

Innovazioni di design in fibra

Le fibre speciali possono ridurre il coefficiente non lineare γ (gamma) aumentando l'area efficace (A ]) o utilizzando strutture assistite dal foro [LTPC]Le grandi fibre di area efficaci (LEAF) hanno A eff valori

Tecniche di ricevitore-side

i fotodiodi avalanche (APD)[FLT1]] invece di diodi PIN possono migliorare la sensibilità del ricevitore, permettendo di ridurre il potere di lancio I filtri ottici] possono rimuovere i prodotti di fase FWM a banda larga, anche se non possono rimuovere

Direzioni e ricerca futuri

Poiché i tassi di dati si avvicinano a 1 Tbps per lunghezza d'onda e sopra, le tecniche di mitigazione tradizionali stanno raggiungendo i loro limiti. La ricerca sta esplorando diversi viali promettenti per spingere oltre il limite di capacità non lineare della fibra monomodale standard.

Imparare la macchina per la mitigazione non lineare

I modelli di apprendimento approfondito, inclusi reti neurali convoluzionali e ricorrenti, sono formati per identificare e cancellare le distorsioni non lineari in tempo reale. Questi modelli possono adattarsi alle diverse condizioni del canale, come cambiamenti nella potenza di lancio o nel tipo di fibra, e possono eseguire algoritmi analitici come DBP a una complessità simile. La sfida è di implementarli in ASIC ad alta velocità che possono tenere il passo con centinaia di moduli di gigabit commerciali al secondo.

Dimensioni multiplexing e fibre di pochi modi

Trasmissione di più modalità spaziali (in fibre a pochi modi) o core multipli (in fibre multicore), la potenza per modalità può essere mantenuta bassa, riducendo l'unità non lineare per canale.

Conclusioni

Le nonlinearità fibre sono una realtà inesatta nei sistemi di comunicazione ottica ad alta velocità, che influenzano direttamente l'integrità del segnale osservata al ricevitore. La modulazione autofase, la modulazione trasversale, la miscelazione a quattro onde e gli effetti di dispersione stimolati contribuiscono a distorsione del polso, jitter di tempo, cross-talk e rumore di fase.

Riferimenti esterni:[