光信号再生システムにおける光受信機の役割

光信号再生システムは、長距離通信ネットワークのバックボーンを形成します。彼らは、光パルスの品質を復元し、繊維伝達によって減衰および歪んだ。すべての再生装置の心臓部では、光受信機が、検出、変換、および極端な精度で着信光を清掃しなければならないコンポーネントです。この記事は、信号再生における光受信機の役割を調べ、重要なコンポーネントと性能メトリックを調べ、データ転送の限界を押している新興技術を見てください。

光受信機とは?

光受信機は、変調光光パルスを対応する電気信号に変換する光電装置です。光ファイバの後に最初の電子段階であり、着信データストリームの速度で動作しなければなりません。典型的な受信機は、フォトディテクター]、トランピーダンスアンプ(TIA)、制限アンプ、クロック、データ回復回路、および多くの場合、さらなる決定回路で構成されています。光検出器は、通常、光電対比信号を出力する。特定の光信号を出力する、または光電対比信号を出力する。

受信機の第一次ジョブは、正確に光パルスに符号化された情報を表示することです。現代のデジタルシステムでは、これは、騒音、分散、および長い繊維スパン上に蓄積する減衰にもかかわらず、論理「0」と「1」のレベルの区別を意味します。適切に設計された受信機なしで、最も洗練された変調フォーマットでさえ、誤った通信を維持することはできません。

信号再生における光受信機の役割

3R(再照合、再シェイピング、リタイミング)再生システムでは、光受信機は最初の2つのステップを実行します。光学信号の着信、弱い、そして、おそらく歪んだ、電気領域に変換されます。そこで、それは標準的な電圧レベル(再電化)に増幅され、ノイズを除去し、波形(再形成)を再形成するフィルタと決定回路を通過します。最後に、時計回路は、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、再発、および再発、再発、再発、再発、再発、および再発、再発、および再発、再発、および再発、および再発、再発、および再発、および再発、再発、再発、および再発、および再発、および再発、再発、再発、再発、および再発、および再発、および再発、再発、再発、

検出と変換

独自の変調率をキャプチャするために、フォトデテクターは十分な帯域幅と応答性を持たなければなりません。高速システム(例えば、100 Gbpsまたは400 Gbps)では、50 GHzを超える帯域幅を持つPINフォトダイオードは共通です。変換効率は、受信機の感度に直接影響します。ターゲットビットエラー比(BER)を達成するために必要な最小光学電力。

騒音フィルタリングと増幅

変換後、電気信号は、アンプから熱ノイズ、検出器からノイズを撮影し、繊維の断続的な干渉ノイズを含んだ。変調周波数に調整されたバンドパスフィルタは、帯域外ノイズを除去する。アンプは、できるだけ少ないノイズを追加しながら信号をブーストします。 TIAの騒音図は、全体的な感度を制限する重要なパラメータです。

意思決定回路とタイミング回復

決定回路は、しきい値の電圧に対してフィルタされた信号を比較します。よく回復されたクロックは、視線図の最も広い開口部で、サンプリングが最適な瞬間に起こることを保証します。タイミングのジッタは最小化されなければなりません。過度のジッタは、特に密接な波長分割多重化(DWDM)システムで、複数のチャネルが密接にパックされます。

光学受信機の主要コンポーネント

フォトデテクター

フォトデテクターは、フォトンを電子ホールペアに変換します。 PINフォトダイオード]は、高速でリニアリティが向上しますが、内部のゲインをモデストします。 []アバランチェフォトダイオード(APDs)[は、内部乗算利益を提供し、10〜15dBまでの感度を向上させますが、より高いバイアス電圧を必要とし、より高いノイズが要求され、コディオディを検出するために使用される。

トランピーダンスアンプ(TIA)

TIAは、フォトダイオードの後に最初のアンプステージです。これは、低騒音と高帯域幅の電圧(ミリボルトのハンデ)に、光電流(通常、いくつかのマイクロアンプ)を変換します。現代のTIAは、飽和することなく、入力電力レベルを変化させる自動ゲイン制御を頻繁に含まれています。

アンプとフィルタの制限

限界のアンプは、信号を固定振幅に飽和させ、決定回路を混乱させる可能性がある振幅変化を取り除きます。パッシブまたはアクティブフィルタは、信号スペクトルを形づけ、帯域のノイズを拒絶します。一部の受信機は、高周波数ノイズを削減しながら、パルス形状を維持するために、]ローパスベッセルフィルタを統合しています。

クロックとデータ復旧(CDR)回路

CDRは、データストリームからタイミングクロックを抽出し、サンプリングの瞬間を合わせます。非回転 - ゼロ(NRZ)フォーマットの場合、フェーズロックループ(PLL)は、データ内の遷移にロックします。 P-AM4やQPSKなどの高度な変調のために、より洗練されたタイミング回復アルゴリズムが必要です。

再生における光学レシーバーのパフォーマンスメトリック

デザイナーは、再生品質に直接影響する複数の重要なパラメータを使用して、光学受信機を評価します。

感度:]] BER 10〜12(または下)を達成するために必要な最小平均光度。より高い感度は、再ジェネレータ間の長いスパンを可能にします。
[]Bandwidth:]]は、データレートの基本的な周波数コンポーネントを渡すのに十分である必要があります(例えば、NRZの>0.7×ビットレート)。不十分な帯域幅は、インターシムボル干渉(ISI)を引き起こします。
ダイナミックレンジ:]] 受信機がリニア動作を維持している入力光電力の範囲。広いダイナミックレンジは、短いスパンで飽和を防ぎ、長い寿命で十分な感度を保証します。
ノイズフィギュア:]]は、TIAによって発音され、ノイズフィギュアはトータルノイズに加算されます。ノイズの低減は感度を向上させます。
[] 偏光依存:]] 凝集システムでは、受信機は任意の偏光状態を処理しなければなりません。偏光多様性受信機は、偏光を分割し、両方の偏光を処理する。

分散・非線形性の影響

クロマチック分散と非線形ケラー効果歪みパルス。光学再生には分散補償がしばしば含まれていますが、電気受信機は、均等化フィルタを使用して、(])電子分散補償(EDC)[]を実行することもできます。 EDCは、追加の光学ハードウェアなしで直接検出システムの範囲を拡張します。

再生で使用される光学受信機のタイプ

直接検出レシーバー

これらは、光信号の強度だけを検知する最も単純なものです。それらは、従来の2.5 Gbpsおよび10 Gbpsシステムおよび受動光学ネットワーク(PON)で一般的に使用されます。より高い速度のために、直接検出は、色素分散症に苦し、EDCまたは分散処理繊維のに依存します。

凝集した受信機

コヒーレントレシーバーは、現地の発振器(LO)レーザーで着信信号をミックスし、フェーズと振幅の回復を可能にします。これにより、よりスペクトル効率が高く、16〜QAMや64〜QAMなどの変調フォーマットをサポートしています。凝集検出とデジタル信号処理(DSP)を組み合わせることで、光学部品なしでクロマチックで偏光モード分散を補正できます。現代のコヒーレントレシーバーは、サブマリンケーブルと長距離リンクに不可欠です。 100Gbpsを超えると、100Gbpsを超えるリンクを超えるリンク。

統合されたフォトニック受信機

シリコンフォトニクスとインジウムリン化(InP)プラットフォームは、フォトデテクター、モジュレータ、さらにはDSP回路を1つのチップに統合します。これらの統合受信機は、電力消費量とフットプリントを削減し、信頼性を向上させます。データセンターの相互接続とメトロネットワークの主要ブイネータです。

再生のための光学レシーバー設計の挑戦

熱ノイズ対ショットノイズ:[]])低入力電力で、TIAの発熱ノイズ、感度を制限します。 APDは、過剰なノイズをするのに役立ちます。高度な受信機は、ノイズフィルタリングアルゴリズムでポストアンプを使用します。
帯域幅制限:]] 波長800Gbpsのデータを転送するので、離散したコンポーネントは、帯域幅と低騒音の両方を維持するのに役立ちます。 Photonic‐electronic co-design が必要です。
ジッタとタイミング:[]] ジッタは、再生成器を介して蓄積します。各受信機のCDRは、低侵入性ジッタと高ジッタ許容値でなければなりません。コヒーレント受信機のLOからの相ノイズは、別の課題です。
パワー消費量:]高速受信機とDSPチップは10ワットの消費をすることができます。データセンターネットワークをスケーリングするためにエネルギー効率が重要です。

光学レシーバ技術の未来の動向

適応型エクアライゼーションのための機械学習

DSP-ベースの受信機は、リアルタイムで繊維の状態を変更するように適応する機械学習アルゴリズムを組み込むために始まります。ニューラルネットワークは、決定のしきい値とイコライザータップを最適化し、非線形歪み下における複数の倍率の順序でBERを改善することができます。

ニキスト・サブキャリアーとコヒーレント

スペクトル効率を高めるために、将来の再ジェネレータは、Nyquist-pulsedサブキャリアを高注文QAMと組み合わせて使用します。受信機は、高密度の星座を処理するために、より高いリニアリティとアナログ対デジタルコンバータ(ADCs)を高速化する必要があります。

マイクロトランスファー‐プリントフォトダイオード

新しいパッケージング技術により、小さなフォトダイオードはシリコンPICに直接印刷され、100GHzを超えるパラシティックキャパシタンスを減らし、帯域幅を改善することができます。これにより、1.6 Tbpsチャンネルが使用可能です。

電子監視による全光学再生

シンプルな光学ゲートが粗い再生を行なうハイブリッド方式の研究ポイントや、電子受信機は微細な‐結晶再形成とリミットを処理します。超-長尺リンクのパフォーマンスを維持しながら、消費電力を下げることができます。

コンテンツ

光受信機は、受動的な変換要素から遠くにあります。それらは、アクティブでインテリジェントな意思決定コンポーネントであり、信号再生システムのパフォーマンスを定義しています。謙虚なPINフォトダイオードから、リアルタイムDSPを備えた洗練されたコヒーレント受信機まで、あらゆる部分は速度、騒音、および電力のために最適化されなければなりません。ネットワークがterabit-per-secondレートに向かってプッシュするにつれて、光受信機は技術革新の焦点を残します。その役割と制限を理解することは、現代の光学インフラストラクチャを設計または操作するために不可欠です。

更に読みたい場合は、受信機のパフォーマンス要件の ] IEEE 802.3 Ethernet 規格と []] の実用導入ガイドラインのを参照してください。