De ce Wavelelength Selection conduce performanța receptorului optic

În rețelele optice moderne de comunicații, alegerea lungimii de undă de operare este un parametru de proiectare fundamental care determină direct sensibilitatea receptorului, toleranța la zgomot și nivelul general al sistemului. Ca trafic de la cloud computing, streaming video și centre de date interconectează continuă să crească, inginerii trebuie să înțeleagă modul în care selecția lungimilor de undă influențează fiecare etapă de recepție a semnalului. De la eficiența cuantică fotodetector la etajele bit-error. Acest articol explorează mecanismele fizice care leagă lungimea de undă cu performanța receptorului, analizează benzile optice standard și oferă îndrumări utile pentru proiectanții de sistem.

Fizica wave-ului ian-Activitatea Receiver

Responsivitatea fotodetectorului și eficiența cuantică

La inima oricărui receptor optic este un fotodetector care transformă fotoni incidenti într-un curent electric. Substratul responsivitatea (amperi per watt) este o funcție puternică de lungime de undă. Pentru fotodiodele pin și fotodiodele de avalanșă (APD), responsabilitatea crește cu lungimea de undă până la o separare determinată de banda de semiconductori. De exemplu, o fotodiodă tipică InGaAs are o responsabilitate maximă în apropierea 1550 nm (2012/0,9 A/W) dar scade brusc peste 1650 nm. Folosind o lungime de undă de undă în apropierea responsabilitatei maxime maximizează curentul de semnal primit pentru o putere optică dată, îmbunătățind raportul semnal-to-zoare (SNR).

Curentul închis și zgomotul tras

Curentul de scurgere închis care curge prin fotodiod în absența luminii este, de asemenea, dependent de lungimile de undă. În detectoarele de lungime mai lungă (de exemplu, cele concepute pentru banda L), curentul închis tinde să fie mai mare din cauza materialelor mai înguste, care pot degrada sensibilitatea receptorului. În plus, ]zgomotul de foc cu curentul total (foto-curent + curent închis). Selectarea unei lungimi de undă care echilibrează responsabilitate ridicată cu curentul închis este, prin urmare, critică pentru obținerea unei recepții cu zgomot redus.

Bandele standard de lungime a valurilor și impactul lor asupra metricelor receptoarelor

Comunicaţiile optice cu fibre sunt organizate în mai multe benzi de lungime de undă, fiecare cu caracteristici distincte de atenuare, dispersie şi neliniare. Tabelul de mai jos rezumă cele mai comune benzi şi impactul lor tipic asupra performanţei receptoarelor.

850 nm (O-Band pentru Multimode)

Utilizat în principal cu lasere cu emisie de suprafață verticală (VCSELs)[ în legături multimode scurte (centre de date, rețele locale). La 850 nm, pierderea de fibre este de aproximativ 3 dB/km și limitele de dispersie modală ajung la aproximativ 300 m. Primitorii trebuie să gestioneze o putere optică mai mare pentru a compensa atenuarea, ceea ce duce adesea la creșterea zgomotului termic. Beneficiul este costul redus al componentei și ușurința integrării.

1310 nm (O-Band)

Această lungime de undă se află lângă punctul de dispersare zero al fibrei standard monomod (MFS). În timp ce reducerea este moderată (2012-3,5 dB/km), receptorul beneficiază de dispersie cromatică minimă, care reduce interferența intersimbol la rate moderate de date (până la 10 Gbps). Pentru viteze mai mari (100 Gbps și dincolo de acestea), este încă necesară compensarea dispersiei. 1310 nm este favorizat pentru metroul cu grad mediu de realimentare și rețelele de acces unde receptoarele sensibile la dispersie pot funcționa fără compensare externă.

1550 nm (C-Band)

Banda de amplificare a fibrelor dopate cu Erbiu (EDFA) face din 1550 nm calul de lucru pentru sistemele de mare viteză și submarine. Atenuarea scade la

L-Band (1565

Banda L extinde spectrul utilizabil dincolo de banda C, permiţând multiplexarea densă a lungimii de undă (DWDM) cu mai multe canale. Primitorii pentru banda L trebuie să se confrunte cu o pierdere mai mare de fibre şi mai puternică amestecarea cu patru unde (FWM) din cauza diferenţelor de dispersie. Se folosesc fotodiode specializate cu straturi de absorbţie InGaA extinse, care prezintă adesea o responsabilitate uşor mai scăzută şi curentul închis mai mare. Cu toate acestea, banda L este esenţială pentru sistemele care cer o capacitate ultra-înaltă.

Mecanisme de zgomot de lungime de undă

Emisie spontană amplificatoare (ASE) Zgomot

În sistemele amplificate, zgomotul ASE de la EDFA se acumulează de-a lungul legăturii. Figura de zgomot a unui amplificator optic variază în spectrul de câștig. Lungimile de undă în apropierea vârfului de câștig EDFA (

Impairments neliniare

Secvența de selecție a lungimilor de undă influențează efecte neliniare precum modularea autofazei (SPM)[, modularea prin fază transversală (XPM) și FWM[.În sistemele DWDM, canalele spațiate în apropierea lungimii de undă a dispersării zero (2012/1310 nm) suferă mai mult de FWM, în timp ce lungimile de undă mai lungi (C-band) au o dispersie locală suficientă pentru a suprima FWM. Pentru receptoarele coerente care utilizează prelucrarea semnalului digital (DSP), penalitatea de la neliniaritate este dependentă de lungime de undă; puterea optimă de lansare și alocarea canalelor trebuie să echilibreze zgomotul neliniar împotriva zgomotului ASE.

Trade-offs practice în selecție de lungime de undă

Constrângerile privind rata datelor și banda

Pentru vitezele mari de simbol (≥56 GBd), banda de bandă a receptorului de 3 dB trebuie să fie suficientă pentru a capta semnalul fără distorsiuni. La lungimile de undă mai lungi, capacitatea fotodiodelor poate fi mai mică (datorită unor lăţimi mai mari de depleţie), crescându-se limita de lăţime de bandă. Totuşi, timpul de tranzit al transportatorilor fotogeneraţi creşte şi cu adâncime de absorbţie.

Coerent versus Detectare directă

În receptoare coerente, selectarea lungimii de undă afectează zgomotul de fază laser (LO) și alinierea la polarizare. LO trebuie să se potrivească semnalului în termen de câteva sute MHz, care devine mai greu atunci când lungimea de undă a semnalului. Algoritmii avansați de estimare a fazei digitale pot tolera o mai mare neconcordanță de lungimi de undă, dar marja de sistem este încă degradată dacă lungimea de undă se deplasează în afara intervalului de tuning LO. Pentru receptoarele de detectare directă (de exemplu, OOK pentru PON-uri), cerințele de stabilitate a lungimii de undă sunt mai mici, dar pedeapsa de la dispersia cromatică la 1550 nm ajunge.

Costuri și disponibilitate componente

Standardizarea pe o singură bandă de lungime de undă simplifică inventarul, dar poate forța performanța suboptim. De exemplu, utilizarea 1550 nm în link-uri de date de scurtă distanță este scumpă din cauza necesității de diode laser răcite și EDFAs. Dimpotrivă, utilizarea 850 nm pentru lung-haul este imposibilă din cauza pierderii mari. Designerii de sistem trebuie să cântărească costul surselor, detectoarelor și amplificatoarelor specifice lungimii de undă față de câștigurile de performanță.

Extinderea Paleta de lungime a valului: S-Band, U-Band, și dincolo de

Cercetările actuale explorează banda S (1 ) şi banda U ( − 16 ? 1675 nm) pentru a debloca capacitatea suplimentară. Pentru receptoare, aceste benzi prezintă provocări: fotodetectoarele foto-bride au adesea o responsabilitate mai scăzută (datorită constrângerilor de absorbţie) şi curentul întunecat poate fi un ordin de magnitudine mai mare. Totuşi, odată cu dezvoltarea sistemelor [[ FT:0]] fotodetectoare hibride[ [[ FT:1]] (de exemplu, integrarea SiGe şi a circuitelor avansate de reducere a zgomotului, aceste benzi pot fi viabile în curând pentru sisteme de disimentare spaţio-division-multipliclexate (SDM).

Concluzie: Orientări practice pentru optimizarea lungimii de undă

Selectarea lungimii optime de undă pentru un receptor optic este departe de a fi o singură dimensiune-potrivi-toate decizia. Următoarea listă de verificare poate ajuta arhitecții de sistem face compromisuri în cunoștință de cauză:

  • Pentru scurtcircuit <1 km): Utilizați 850 nm cu VCSEL-uri low-cost și fotodiode pini. Păstrați primit putere mare pentru a depăși zgomotul termic.
  • Pentru mediile de actiune (1
  • Pentru un hul lung (>100 km): 1550 nm (C-banda) cu câștig EDFA și detectare coerentă oferă cea mai mare sensibilitate și îndemânare. Utilizați compensare de dispersie sau DSP pentru a gestiona dispersia cromatică.
  • Pentru o capacitate ultra-înaltă: Extindeți la banda L și eventual la banda S. Monitorizați curentul închis și sancțiunile privind zgomotul ASE. Luați în considerare utilizarea APD pentru a spori sensibilitatea la lungimi de undă mai lungi.

Creșterea explozivă a 5G, Internetul obiectelor și inteligența artificială vor necesita rate de date și mai mari. Prin urmare, selecția lungimii de undă va rămâne o piatră de temelie a designului optic receptor ?One care merită un studiu și optimizare atentă la nivelul link-ului. Inginerii care stăpânesc interacțiunea dintre lungimile de undă, zgomotul receptorului și deficiențe neliniare vor fi bine echipate pentru a construi rețele robuste, de înaltă performanță pentru următorul deceniu.

Referințe externe