光信号のエンコーディングとデコードプロセスは、光ファイバ伝送システムの運用限界を定義します。ネットワークトラフィックは、Petabit-per-second容量に向け、電気ビットを光に変換し、再び戻って、グローバルインフラストラクチャの経済的かつ技術的な実行可能性を予測する効率性をスケールアップします。エンジニアやネットワークのアーキテクチャについては、これらの原則を理解することは、到達、容量、および信頼性を最大化するシステムの設計に不可欠です。

符号化: ビットをフォトニック州にマッピング

エンコーディングは、デジタル電気ビットストリームを変調した光波形に翻訳するプロセスです。 選択したエンコーディングスキームは、スペクトル効率(b / s / Hzで測定)として知られている、帯域幅の単位あたりの情報密度を直接決定します。 スペクトル効率、消費電力、ノイズの免除の間の取引オフは、特定のアプリケーションのための変調フォーマットの選択を導きます。

強度の調節:オンオフのキーおよびNRZ

最も単純なエンコーディングフォーマットは、バイナリ1が高光電力レベルとバイナリ0に対応するオンオフキー(OOK)です。 実際には、これは、レーザーがビット全体にわたって残っている非リターンツーゼロ(NRZ)ラインコードを使用して実装されています。 OOK / NRZの利点は、トランシーバーの単純性です。 これは、直接調整されたレーザーまたは外部の変調器と、単一の波長を制限するだけです。 Gbpsは、通常、単一のレベルの制限速度に制限されます。

多重レベル符号化:パルス振幅変調(PAM4)

比例して帯域幅を増加させることなくビットレートを増加させるために、PAM4 エンコーディングは4つの異なる振幅レベルを使用して、各送信されたシンボルに2ビットをマッピングします。例えば、ビット「00」は、最も低い電力レベルにマップする可能性があります。一方、11は、最も高い地図をマッピングします。 PAM4は、IEEE 802.3bs 400 GbE規格のファンデーションで、ショートリーチリンク(2-10 km)。 シンボルごとのビットを倍増幅することにより、PAM4は50 Gbpsまたは100 Gbps / Gbpsの電子信号を5GHz以上、より高域幅する信号を5GHz以上で、より近い信号に変換します。

相とQuadratureの変調(凝集エンコーディング)

長距離および地下鉄ネットワークでは、エンコーディングは、スペクトル効率を最大化するために、光キャリアのフェーズを利用しなければなりません。Quadrature Phase Shift Keying(QPSK)は、四つの状態(0°、90°、180°、270°)の光学フェーズをシフトすることにより、シンボルごとに2ビットをエンコードします。 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)に移動すると、振幅と相変化を組み合わせることで、シンボルごとに4ビットのエンコードがエンコードされます。 これらのフォーマットは、Mach-modifier(QM)のメトリックは、より高音速変速(QM)の形式を入力します。

デュアル・ポーラライゼーション(DP)の符号化

容量のスケーリングのための重要な技術は、単モード繊維で光の2つの正当性偏光状態を悪用する二重偏光エンコーディングです。 独立してXとY偏光の両方でデータをエンコーディングすることにより、スペクトルの効率は、追加の光学帯域幅を必要としずに倍増します。 標準のコヒーレントトランシーバーは、DP-QPSK(4ビット/symbol)またはDP-16QAM(8ビット/シンボル)を使用します。 正確には、デジタル信号を補正し、デジタル信号を補正する必要があります。

凝集した変調フォーマットに関する詳細な技術プライマーは、[Cisco/Acacia 凝集光学白書]]は、I/Q 変調と二重偏光アーキテクチャの詳細な説明を提供します。

解読: 受信機の処理鎖

デコーディングはエンコーディングの逆ですが、伝達中に導入された物理的な障害によるかなり複雑です。 受信機は、電気ビットに戻って変換する前に、整合信号の正確なフェーズ、周波数、偏光、およびタイミングを回復しなければなりません。

直接検出対. 凝集検出

OOKとPAM4で使用した直接検出は、フォトダイオードを使用して、着信光の瞬間的な電力を測定します。 このアプローチは、シンプルで低電力、安価ですが、すべてのフェーズ情報を破棄します。 相変調信号に必要な凝集検出、90度の光学ハイブリッドで、着信信号を合わせます。 この混合プロセスは、フェーズ補正信号のフル電気分野を回復し、両方の信号(Impular Ratio)とアナログ補正機能(Impular)を両立する。

アナログ・ツー・デジタル変換とDSP

凝集した受信機のアナログ信号は、80 GSa/s で 200 GSa/s で動作する超高速 ADCs によってデジタル化されます。 数値化されたサンプルは、以下のコア機能を実行している専用の DSP ASIC に供給します。

  • [Chromatic分散補償(CDC):]])バルク周波数ドメインフィルタは、数千のビット期間にわたってパルスを発症することができる繊維の蓄積されたクロマチック分散を反転します。
  • []偏光分散:[適応性時間ドメインイコライザ(一定の係数アルゴリズムや決定指向LMSなどのアルゴリズムを使用して)は、XとY偏光トリビュータを分離し、偏光モード分散(PMD)を補正します。
  • [Carrier Recovery:] フェーズおよび周波数推定ループは、送信機およびLOレーザーの周波数オフセットおよび相ノイズを削除します。 Viterbi-Viterbiフェーズ推定器などのアルゴリズムは、QPSK信号の基準です。
  • []Symbol 検出とデコード:[] 処理されたシンボルはビットにマッピングされ、エラー修正(FEC) のデコードが適用されます。

転送エラー修正(FEC)デコード

FECは、エンコーディング/デコードプロセスの不可欠な部分です。 送信機では、構造化された冗長性がデータストリームに追加されます。 受信機では、FECデコーダは、ノイズと歪みによって導入されたビットエラーを特定し、正しいビットエラーを識別するために、この冗長性を使用します。 現代の光学ネットワークは、強力な軟式減衰FEC(SD-FEC)コードを利用しています。 SD-FECは、マルチビットの信頼性メトリック(ログ的な比率)をADCから使用し、重要なエラーコードを10〜12〜12に変える(EC)、異なる)を交換可能にします。

システム設計、予算、規格のリンク

エンコーディングスキームの選択は、システムリンク予算に直接影響します。 エンジニアは、対象の事前FECビットエラーレート(BER)で指定されたモジュレーションフォーマットで、必要なOSNRを計算しなければなりません。

OSNRとリーチ計算

より高順序の変調フォーマット(例えば、DP-64QAM)はより低い順序のフォーマット(例えば、DP-QPSK)と比較されるあるBERを達成するためにより高いOSNRを要求します。光学アンプ(EDFAs)はOSNRを離れた間劣化させる騒音(ASE)を加えます。従って、スペクトル効率および伝達範囲間の直接トレード・オフがあります。

  • [DP-QPSK:[]〜12 dB OSNRが必要です。 範囲は、通常、サブマリンシステムで数千キロです。
  • [DP-16QAM:]〜18 dB OSNRが必要です。 リーチは、通常、メトロと長距離の数百キロです。
  • PAM4(ダイレクト・スタディ):低OSNRの許容は、長距離にわたって一貫性のあるフォーマットと比較して、低電力と遅延による短距離(<10 km)で非常に効率的な。

相互運用性のための規格

相互運用性は、特定のエンコーディング、デコード、およびFECパラメーターを定義する標準ボディによって強化されます。

  • [IEEE 802.3bs (400GbE):[] ショートリーチ(SR8、DR4、FR8)および長距離(LR8)光学インターフェイスのためのPAM4エンコーディングを定義します。
  • [OIF 400ZR:[]は、DCI(80-120 km)の共同 DP-QPSK/DP-16QAM の実装を定義します。 これは、複数のベンダーの相互運用性を確保するために、変調形式、DSP関数、およびoFEC を指定します。
  • [ITU-T G.709:[ 長距離伝送のための光学輸送ネットワーク(OTN)マッピングとFEC規格(例えば、G.975.1)を定義します。

プラグイン可能なコヒーレントオプティクスに関する現在の仕様については、 []OIF 400ZR 実装契約]は、決定的な参考です。

光通信の統合と将来の方向

これらの高度なエンコーディングとデコードプロセスの実装は、光通信統合技術に依存しています。シリコンフォトニクス(SiPh)とインジウムフォスフェド(InP)プラットフォームは、モジュレータ、フォトダイオード、波長のマルチクサの統合をコンパクトでパワー効率の高いモジュールにすることができます。次世代の光学インターフェイスは、800 Gbpsと1.6 Tbps/波長にプッシュされます。

800Gと1.6T進化

これらのレートを達成するために、業界はいくつかの並列トラックを追っています。

  • []より高額な金額:[]] より、シンボルレートを〜60-90 GBaud〜200 + GBaudに増加させるには、高速電子とフォトニクスが必要です。
  • [高度な変調:[]]タイムドメインハイブリッドQAMと確率的星形成(PCS)は、エンコーディングフォーマットを正確なチャンネル条件に適応させ、リンクバイリンクベースでスループットを最大化します。
  • [Co-Packaged Optics(CPO):[]]] スイッチASICと直接統合して、非常に高いインタフェース速度で電力消費と電気損失を削減します(1.6T +)。
  • DSPの機械学習:[]] 神経ネットワークは、非線形補正と最適化された解読のために探求され、従来のDSPアルゴリズムよりも高いパフォーマンスをロックする可能性があります。

コンテンツ

光学信号のエンコーディングとデコード技術は、帯域幅の不安定な要求を満たすために急速に進化しています。 OOKの単純性から、SD-FECと定形DP-256QAMの複雑さまで、エンコーディングスキームの選択は、光ファイバシステムの基本的な性能の封筒を定義します。 エンジニアは、効率的な、高容量ネットワークの設計に、変調形式、DSP複雑性、システムリーチの間の取引オフをマスターしなければなりません。 光学および将来のネットワークのコアのエンコーディングの原則は、将来のネットワークのコアを欠かせません。