Introduzione: Il ruolo della fase nella comunicazione ottica coerenti

I sistemi di comunicazione ottico coerenti sono diventati la spina dorsale delle moderne reti di dati ad alta velocità, consentendo l’allineamento di centinaia di gigabit al secondo su distanze transoceaniche. A differenza dei sistemi di rilevamento diretto modulato (IM/DD), i sistemi coerenti codificano le informazioni nella fase, l’ampiezza e la polarizzazione della luce.

Fondamenti della fase nei sistemi coerenti

In un ricevitore ottico coerente, il segnale ottico in entrata è mescolato con un laser oscillatore locale utilizzando un ibrido ottico a 90°, che produce quattro segnali elettrici che rappresentano i componenti in-fase (I) e quadrature (Q) di entrambe le polarizzazioni.

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Cause di Fase Mismatch

Il malfunzionamento di fase deriva da molteplici fenomeni fisici, che possono essere ampiamente classificati in effetti indotti dal laser, perturbazioni ambientali e limitazioni di progettazione del sistema.

Laser Fase Rumore e Frequenza

Ogni laser mostra il rumore di fase a causa di eventi di emissione spontanea, causando fluttuazioni di fase casuali caratterizzate dalla larghezza di linea laser. Per i laser a cavity esterni comuni (ECL) utilizzati in sistemi coerenti, le reti variano da 100 kHz fino a pochi kHz. Inoltre, gli effetti termici e di invecchiamento causano derivazioni di frequenza lenta sia del trasmettitore che del laser oscillatore locale.

Temperatura e Stress Variazioni nel Fibra

La fibra ottica è sensibile ai cambiamenti di temperatura e allo stress meccanico. L'indice di rifrazione dei cambiamenti di vetro con temperatura (≈ 1.1×10[-5] per °C per fibra monomodale standard).

Non linearità della fibra

A potenze di lancio elevate, l'effetto Kerr induce cambiamenti di fase dipendente dall'intensità (modulazione autofase, SPM; modulazione trasversale, XPM) e miscelazione a quattro onde (FWM), che causano entrambe distorsioni di fase deterministiche che variano con il modello di dati e il rumore di fase stocastico dalle interazioni canali-canale in multisala distazione di lunghezza d'onda (WDM).

Imperfezioni componenti

Gli ibridi, i modulatori e i fotodetechitori introducono tutti gli offset statici o dinamici della fase. Ad esempio, un ibrido di 90° con i rapporti di scissione imperfetti o uno squilibrio nel ritardo di fase tra i due bracci produce un offset di fase fisso (]φ]0]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] che riduce gli errori di fase di deriva

Impatto quantitativo sulle prestazioni del sistema

La gravità della fase di errore dipende dal formato di modulazione, dalla velocità di baud e dalle caratteristiche della disfunzione.

Degradazione del tasso di errore del bit

Per un dato formato di modulazione, il BER teorico deriva dalla distanza euclidea tra i punti di costellazione. Il mismatch di fase ruota la costellazione ricevuta rispetto ai confini delle decisioni.

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Tuttavia, con un errore di fase φ]e], la distanza efficace dalla corretta regione di decisione riduce, aumentando il SER. Per M-QAM, l'effetto è più complesso perché sia l'ampiezza che gli errori di fase importano.

Riduzione del rapporto segnale/rumore

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ΔSNR (dB) ≈ –10 log10(1 – σθ2 / 2)]

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Impatto sulla modulazione e i supercanale ad alto tenore d'ordine

I sistemi moderni utilizzano sempre più tolleranze di errore di costellazione probabilistica (PCS) e formati densi di modulazione come 256-QAM. Questi formati hanno tolleranze di errore di fase molto strette. Ad esempio, una costellazione di 256-QAM ha una distanza minima di rumore euclidea che è solo circa il 5% della magnitudine media del simbolo.

Considerare un collegamento traspacifico a fibra che spazia da 10.000 km con una dispersione-gestita. In un tale sistema, utilizzando QPSK, un budget di fase tipica potrebbe consentire un errore di fase RMS totale di 8° prima di raggiungere il limite FEC di decisione difficile (BER 3.8×10-3]]). Con lo stesso progetto di collegamento e la stessa fase di R4°M, l'aggiornamento a 16 QMS

Strategie di mitigazione

Gli ingegneri hanno sviluppato un approccio multistrato per combattere la fase di errore, combinando progettazione hardware, elaborazione digitale del segnale (DSP), e controllo del feedback.

Recupero avanzato di Digital Carrier (DCR)

I moderni ricevitori coerenti impiegano blocchi di recupero vettori basati su DSP che stimano e compensano sia il rumore di frequenza che quello di fase.

  • Viterbi & Viterbi (V&V) per M-PSK:[ Per QPSK, i simboli ricevuti vengono sollevati alla quarta potenza per rimuovere la modulazione dei dati, poi filtrati e valutati in fase.
  • Cuscite bloccate a fase (DD): Dopo l'acquisizione della frequenza iniziale, un DD-PLL utilizza le precedenti decisioni del simbolo per aggiornare la stima della fase. La larghezza di banda PLL può essere adattatamente adattata per monitorare il rumore della fase laser, rifiutando le fluttuazioni veloci da disagi non lineari.
  • Stima di massima probabilità (ML) stima: Per gli estimatori QAM di alto ordine, ciechi o pilota-aided ML forniscono una migliore precisione. I piloti possono essere inseriti periodicamente (ad esempio, ogni 256 simboli) e utilizzati per stimare una rampa di fase.
  • Filtro di Kalman:[ Per il rumore di fase di tempo-varing con statistiche sconosciute, un filtro Kalman esteso (EKF) può valutare congiuntamente la fase e la frequenza di offset con un monitoraggio ottimale.

Stabilizzazione del ciclo di fase-Locked Loop (PLL)

Oltre al DSP, i PLL hardware possono essere utilizzati per bloccare la frequenza laser LO al segnale in arrivo. Ad esempio, un loop ottico a fase bloccata (OPLL) utilizza una parte del segnale ricevuto come riferimento e si alimenta nuovamente alla porta di regolazione di frequenza del laser LO.

Laser con larghezza di riga ultra-Narrow

[LT] Il sistema di distribuzione del laser [6] [1] consente di ottenere una larghezza di linea inferiore a 1 kHz, mentre i laser integrati di fotonici di silicio stanno facendo progressi verso il recupero di linee di sotto-10 kHz.

Controllo temperatura e ambientale

I transceiver coerenti nelle reti a lungo raggio operano spesso in ambienti a temperatura controllata (di solito 25°C ± 1°C). I recinti a fibra ottica riscaldata o la stabilizzazione termica attiva delle campate possono ridurre la deriva della fase lenta. Per i cavi sottomarini a profondità, la temperatura dell'acqua a profondità è notevolmente costante (≈ 2–4°C), che semplifica il controllo ambientale.

Mitigazione della non linearità

Per ridurre il rumore di fase non lineare esistono diverse strategie:

  • La potenza di lancio inferiore (rimborso della potenza) riduce SPM e XPM ma riduce anche l'OSNR. Un equilibrio si trova attraverso l'ottimizzazione della potenza per massimizzare la soglia non lineare.
  • La backpropagation digitale (DBP) che utilizza il metodo Fourier a due passi (SSFM) può compensare i cambiamenti di fase non lineari deterministici se si conoscono le caratteristiche del collegamento.
  • La compensazione non lineare tramite coniugazione di fase al punto centrale del collegamento (ad esempio, utilizzando un'onda gemellata con una fase coniugata) può annullare la distorsione sia da SPM che da XPM.
  • La modellazione della costellazione probabilistica riduce la potenza media del segnale, che abbassa il rumore di fase non lineare per la stessa energia media del simbolo, dimostrata per estendere la portata del 10-20%.

Formati e Codifica Robusti

La scelta di un formato di modulazione con una maggiore tolleranza al rumore di fase può essere una soluzione pragmatica. Ad esempio, 8-PSK è più tollerante agli errori di fase di 8-QAM per la stessa efficienza spettrale. In alternativa, utilizzando un codice di correzione di errore in avanti più forte (FEC) con decisione morbida (SD-FEC) può tollerare una maggiore soglia di BER, requisiti di errore di fase di facile rilassamento.

Tecniche di misura e caratterizzazione

Per diagnosticare la fase di errore nel campo, gli ingegneri utilizzano:

  • L'altezza del vettore dell'errore (EVM):] Una metrica standard che combina l'ampiezza e gli errori di fase. Per sistemi coerenti, l'EVM viene misurato dopo il recupero del vettore e include il rumore di fase residuo. Un EVM del 12% per 16-QAM corrisponde ad un errore di fase di circa 3–4° RMS.
  • Densità spettrale di potenza del rumore di accumulo (PSD):] Misurata utilizzando un oscilloscopio in tempo reale ad alta velocità e un ricevitore coerente. Il PSD della fase recuperata fornisce una panoramica della sorgente (ad esempio, bianca dalla larghezza di linea laser contro 1/f dalla deriva termica).
  • BER vs. OSNR curve di cascata:[[] Confrontando le curve misurate alla teoria rivela la pena di errore di fase. Ad esempio, una penalità 1 dB OSNR a un BER di 10-2]] può essere spesso tracciata a un eccessivo rumore di fase.

Tendenze future nella gestione delle fasi

Poiché i sistemi coerenti si evolvono verso i tassi di dati più elevati e la modulazione più sofisticata, la gestione del malessere di fase diventerà ancora più critica.

  • Ricupero del vettore basato sull'apprendimento della macchina:[ Le reti neurali possono essere addestrate per prevedere il rumore di fase da campioni ricevuti e simboli recuperati, potenzialmente superando i filtri tradizionali Kalman in ambienti rapidamente variabili.
  • Impiegazione fotonica:[] I transceiver fotonici coerenti silicio sono ora commerciali. I progressi nella riduzione della larghezza di linea laser su chip utilizzando il feedback da una cavità di riferimento nitride silicio possono raggiungere le larghezze di linea sub-10 kHz in una piccola impronta.
  • Monitoraggio di fase distribuito:[] Utilizzando transceiver coerenti come sensori per rilevare le vibrazioni delle fibre e le variazioni di temperatura, la rete può adattativamente regolare i parametri DSP per combattere la malfunzionamento della fase in tempo reale.
  • QAM di ordinazione superiore con modellazione probabilistica:[[ 1024-QAM è stato dimostrato nelle impostazioni del laboratorio ma richiede errori di fase inferiori al 1° RMS.

Conclusioni

La sua origine è il rumore di fase laser, le variazioni ambientali e le non linearità delle fibre, ognuna con le scale di tempo distinte e le proprietà statistiche. L'impatto sulle prestazioni del sistema è misurabile: SNR degradato, BER elevato e ridotto la portata, soprattutto per i formati di riduzione dell'impugnazione di alto ordine. Tuttavia, una combinazione di elaborazione avanzata del segnale digitale - tra i miglioramenti di fase per il recupero del vettore, il filtro Kalmanar

Per ulteriori informazioni, vedere l'indagine completa sulle comunicazioni ottiche coerenti da K. Kikuchi (2016, IEEE JSTQE)] e i recenti risultati sulla trasmissione 1024-QAM da M. Secondini et al. (2019, Report scientifici).