Introduzione: Perché le perdi polarizzazione-dipendenti

Nei moderni sistemi di comunicazione ottica, in particolare quelli che operano a 100 Gb/s e oltre, le prestazioni del ricevitore ottico non sono più limitate solo da rumore additivo o dispersione cromatica. Un sottile ma pervasivo difetto conosciuto come perdita di polarizzazione-dipendente (PDL)]]] è emerso come fattore critico che può degradare la sensibilità del ricevitore, aumentare i tassi di errore di bit, e ridurre i tassi di riduzione dei dati di errore di riduzione dei dati

Questo articolo fornisce un'analisi approfondita di PDL: le sue origini fisiche, gli effetti quantitativi sulle prestazioni dei ricevitori e un'indagine completa sulle tecniche di mitigazione che vanno dalla selezione dei componenti all'elaborazione avanzata dei segnali digitali.

Che cosa è la polarizzazione-dependent Loss?

La perdita di polarizzazione-dipendente è proprietà di un dispositivo ottico o di una fibra in cui la perdita di inserimento varia con lo stato di polarizzazione (SOP) della luce trasmessa.

Il comportamento di SOP-Dyal-Dyal-A-D-A-S-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

È importante distinguere PDL dalla dispersione della modalità di polarizzazione (PMD). PMD causa l'allargamento del polso a causa della birefringence, mentre PDL provoca variazioni di ampiezza. Tuttavia, i due difetti sono accoppiati in sistemi reali: PDL può convertire PMD in distorsione del segnale aggiuntivo e viceversa, soprattutto quando il PMD è grande.

Impatto sulle prestazioni del ricevitore

La presenza di PDL in un collegamento ottico compromette direttamente la qualità del segnale che arriva al ricevitore. Gli effetti sono più pronunciati in [ ricevitori coerenti[] che utilizzano formati di modulazione a doppia polarizzazione come DP-QPSK e DP-16QAM.

Degradazione del rapporto segnale-rumore

PDL provoca una variazione della potenza ottica ricevuta come deriva del segnale SOP. Quando la perdita è elevata per una particolare polarizzazione, il corrispondente tributario in un segnale polarizzazione-multiplexed soffre una diminuzione del rapporto segnale-to-noise (OSNR). Questo squilibrio riduce il Q-factor complessivo e può portare ad una penalità non uguale sui componenti I e Q.

Tasso di errore del bit

Poiché PDL è un difetto lineare non-ergodico (la penalità dipende dal SOP istantaneo), può causare un piano di errore irreducibile. Quando l'attenuazione indotta da PDL si allinea al segnale SOP per un periodo sostenuto, il ricevitore vede una dissolvenza di ampiezza del segnale. Se la dissolvenza è abbastanza profonda, il codice di errore in avanti (FEC) non può verificarsi tutti gli errori, con conseguente un errore di margine.

Chiusura occhi e sensibilità Penalty

Nei ricevitori di rilevamento diretto, PDL si manifesta come una fluttuazione nell'apertura dell'occhio come varia il SOP. La soglia di decisione del ricevitore, impostata per una potenza media, diventa suboptimale durante le fade indotte dalla polarizzazione, aumentando il tasso di errore del bit. La penalità è spesso espressa come una penalità di potenza—la potenza aggiuntiva necessaria per mantenere lo stesso BER come in un collegamento senza PDL.

Impatto sul ricevitore coherente DSP

Gli algoritmi standard come l'algoritmo di modulus costante (CMA) o LMS decisori ritengono che il canale sia privo di perdite, tranne che per una rotazione unitaria di polarizzazione. PDL introduce un fenomeno non unitario (la matrice del canale diventa non ortogonale), che costringe l'equalizzatore ad adattarsi sia alla rotazione che alla perdita parziale.

Fattori che contribuiscono a PDL in sistemi ottici

PDL nasce da molti meccanismi fisici all'interno del collegamento ottico. I più comuni contributori includono:

  • Brefringence fibra:[ Sebbene la fibra monomodale standard abbia un PDL estremamente basso (tipicamente <0.01 dB/km), lo stress della fibra, le curve e i gradienti della temperatura possono indurre piccole quantità di birefringence che portano alla dispersione e alla perdita di polarizzazione-dipendenti.
  • Imperfezioni complete:[] Isolatori ottici, circolatori, interruttori a lunghezza d'onda (WSS), modulatori e filtri possono esporre PDL che vanno da 0,1 dB a 0,5 dB per dispositivo. Il PDL è spesso causato da progettazione asimmetrica della guida d'onda, disallineamento di divisori di polarizzazione del fascio, o di riflettività angolare-dependent.
  • Connessione del contatto e della giunzione:[ Un connettore fisico leggermente angolato (APC) o una giuntura di fusione scarsamente allineata possono creare una piccola perdita di inserimento dipendente dalla polarizzazione, specialmente quando i nuclei di fibra hanno simmetria non circolare.
  • Sforzi termici e ambientali:[[] Le fluttuazioni della temperatura ambiente causano l'espansione termica e le variazioni della birefringenza delle fibre, modulando il vettore PDL. Le vibrazioni meccaniche possono anche alterare dinamicamente l'allineamento SOP rispetto agli assi PDL.
  • Dipendenza di lunghezza d'onda:[[] PDL in componenti come AWG e interleavers spesso varia attraverso la larghezza di banda ottica.
  • Guadagna dipendente dalla polarizzazione negli amplificatori:[ Sebbene gli amplificatori in fibra erbio-doped abbiano amplificatori ottici PDL molto bassi, gli amplificatori ottici semiconduttori (SOAs) possono presentare un significativo guadagno dipendente dalla polarizzazione (PDG), che si comporta in modo simile a PDL ma con variazioni di guadagno invece di perdita.

Il PDL cumulativo in un link è spesso stimato utilizzando un metodo root-sum-square per componenti indipendenti, ma questo è valido solo se gli assi PDL sono orientati casualmente. In pratica, un'attenta progettazione del sistema assume una distribuzione PDL peggiore (ad esempio, 1-2 dB per un collegamento 1000 km) e budget un margine OSNR appropriato.

Tecniche di mitigazione per la perdita di polarizzazione-dipendente

Gli ingegneri hanno sviluppato una gamma di tecniche hardware e software per ridurre l'impatto di PDL, che possono essere classificate in quattro strategie principali: controllo a livello di componente, diversità di ricevitore, controllo ottico adattativo e compensazione digitale.

1. Selezione e progettazione dei componenti

I moderni produttori producono isolatori, circolatori e modulatori con PDL sotto 0,1 dB. Per la fibra, utilizzando fibre di bassa biofrascenza specializzate (ad esempio, fibre di nucleo di silice puro) o fibra di spuntura può ridurre la sensibilità di polarizzazione del mezzo di trasmissione.

2. Ricevitori di diversità di polarizzazione

Un classico approccio di mitigazione è il ricevitore di diversità di polarizzazione]. In tale schema, il segnale in entrata è diviso in due stati di polarizzazione ortogonale utilizzando uno splitter di polarizzazione (PBS). Ogni polarizzazione viene rilevata indipendentemente da un fotodetector separato, e i due segnali elettrici vengono combinati dopo il rilevamento (per il rilevamento diretto) o dopo l'attenuazione coerente del segnale (per i ricevitori).

3. Controllo di polarizzazione adattivo

Per i collegamenti in cui il PDL è tempo-varying (a causa di temperatura o stress), un adaptive controller di polarizzazione[ può essere posizionato all'ingresso del ricevitore. Questi dispositivi utilizzano spremitori piezo-elettrici, rotatori Faraday, o celle di cristallo liquide per regolare attivamente il SOP in modo che si allinea con l'asse di perdita bassa del ricevitore ottico.

4. Compensazione digitale del processo di elaborazione dei segnali

I ricevitori coerenti offrono uno strumento potente: il DSP può equalizzare il canale non unitario creato da PDL. L'equalizzatore standard 2×2 della farfalla in un ricevitore coerente è progettato per compensare il MIMO arbitrario (multiple-input multiple-output) matrici del canale.

Più recentemente, le tecniche di machine learning (ad esempio, reti neurali ricorrenti o di potenziamento) sono state esplorate per il monitoraggio e la equalizzazione in tempo reale della polarizzazione, che possono adattarsi ad ambienti non stazionari più velocemente dei metodi tradizionali basati su gradienti, rendendole adatte a sistemi con PDL in rapida evoluzione.

5. Margine di progettazione di sistema-scivolo

Nonostante la migliore mitigazione, alcuni PDL residui sono inevitabili. I progettisti di sistema destinano un margine PDL] nel bilancio energetico, tipicamente 1-2 dB per i collegamenti a lungo raggio. Questo margine è derivato da modelli statistici di accumulo PDL (ad esempio, distribuzione Maxwelliana) e la disponibilità del sistema richiesta (ad esempio, 99,999%).

Avanzate tendenze mitigazione e futuro

La ricerca nella mitigazione PDL continua ad evolversi, e diverse indicazioni promettenti sono descritte di seguito.

Imparare la macchina per la tracciatura della polarizzazione

I sistemi coerenti spingono oltre 800 Gb/s per lunghezza d'onda, aumentano il tasso di simbolo e le fluttuazioni SOP diventano più veloci. Gli equalizzatori tradizionali basati su gradienti possono lottare per convergere. I modelli di apprendimento delle macchine, in particolare le piccole reti neurali ricorrenti, possono imparare le dinamiche temporali dell'evoluzione della polarizzazione e prevedere i rubinetti di equalizzazione ottimali.

Design in fibra di velluto

Queste fibre appositamente progettate, come ] fibre di bassa biodiffusione con simmetria circolare quasi perfetta, mostrano PDL a basso tenore di 0,002 dB/km. Fibra di schiuma[]], dove l'asse di birefringence viene ruotato durante il sorteggio, collega mediamente la fibra di PDL lungo il lungo il lungo periodo di lunghezza

Soluzioni fotografiche integrate

La fotonica di Silicon offre l'opportunità di integrare i circuiti di polarizzazione della diversità su un unico chip. Co-designing della PBS, l'ibrida coerente e i fotodiodi, PDL può essere minimizzata attraverso una precisa litografia.

Nelle comunicazioni ottiche (FSO) libere, PDL può essere introdotto da turbolenze atmosferiche e gocce di umidità. I sistemi ottici adattivi che correggono le aberrazioni ondulari possono anche mitigare le perdite di polarizzazione-dipendenti.

Conclusioni

La perdita dipendente dalla polarizzazione è un'insufficienza sottile ma critica nei moderni sistemi di comunicazione ottica. Il suo impatto sulle prestazioni del ricevitore, che vanno dal degrado dell'OSNR ai piani di errore, non può essere ignorato in quanto i tassi di dati aumentano e i margini di collegamento si stringono. Fortunatamente, è disponibile un arsenale completo delle tecniche di mitigazione: selezione dei componenti accurata, architettura della diversità di polarizzazione, controller ottici adattativi e sofisticato DSP.

Guardando avanti, la convergenza di machine learning, la fabbricazione di fibre avanzate e fotonici integrati promette di sopprimere ulteriormente PDL e spianare la strada per reti ultra-alta capacità superiore a 1 Tb/s per canale.

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