Проектирование оптических приемников для когерентных оптических систем связи

Основы когерентных оптических приемников

Когерентные оптические приемники преобразовали дальнемагистральные и метрополитеновые оптические сети, позволив извлекать как амплитуду, так и фазовую информацию из поступающего оптического сигнала. В отличие от традиционных приемников прямого обнаружения, которые полагаются исключительно на интенсивность света, когерентные приемники используют локальный осциллятор (LO) лазер для смешивания с принятым сигналом. Это смешивание, выполняемое в оптическом гибриде, производит четыре интерференционных компонента (в фазе I и квадратуре Q для двух поляризаций), которые обнаруживаются сбалансированными фотодиодами. Полученные электрические сигналы затем оцифровываются и обрабатываются цифровой обработкой сигнала (DSP) для восстановления переданных данных.

Ключевым преимуществом когерентного детектирования является его способность поддерживать расширенные форматы модуляции, такие как квадратурная фазовая смещения (QPSK), 16-арная квадратурная амплитудная модуляция (16-QAM) и 64-QAM. Эти форматы кодируют несколько бит на символ, резко повышая спектральную эффективность. Кроме того, когерентные приемники обеспечивают частотную селективность, позволяя демультиплексировать каналы с разделением длин волн (WDM) в электрической области с использованием цифровых фильтров, устраняя необходимость в громоздких оптических фильтрах. Локальный осциллятор также обеспечивает усиление, улучшая чувствительность приемника и позволяя передавать расстояния, превышающие 10 000 км, с помощью эрбиевых волоконных усилителей (EDFA) и передовых методов компенсации.

Современные когерентные системы обычно принимают конфигурацию с двойной поляризацией (DP), где два ортогонально поляризованных сигнала передаются независимо. Приемник должен разделить эти поляризации с помощью поляризационного лучевого сплиттера и оптических гибридов, а затем обрабатывать их совместно в DSP. Эта архитектура DP удваивает скорость передачи данных без необходимости дополнительной спектральной полосы пропускания, что делает ее необходимой для 100 Гбит/с и более высоких скоростей каналов.

Основные компоненты когерентного приемника

Оптический гибрид

Оптический гибрид является центральным компонентом, который объединяет принятый сигнал со светом LO. Общей реализацией является 90-градусный оптический гибрид, который производит четыре выхода, соответствующие фазовым и четырехугольным компонентам обеих поляризаций. Для одного поляризационного приемника гибрид обычно имеет два входа (сигнал и LO) и четыре выхода с разностью фаз 0°, 90°, 180° и 270° между сигналом и LO. В приемниках с двойной поляризацией используются два оптических гибрида, по одному для каждой поляризации, требующей точного выравнивания фазы и амплитуды.

Оптические гибриды могут быть реализованы с использованием оптики свободного пространства, волоконных спаривателей или интегрированных фотонных схем. Для высокоскоростных систем (]> 100 Gbaud), интегрированная кремниевая фотоника или платформ из фосфида индия предлагают компактные конструкции с низкой потерей, с отличной стабильностью фазы. Потеря вставки гибрида и фазовая ошибка напрямую влияют на отношение сигнала к шуму приемника (SNR) и общую чувствительность.

Сбалансированные фотодиоды

Каждый выход оптического гибрида направлен на сбалансированную пару фотоприемников. Сбалансированное обнаружение отменяет шум общего режима от флуктуаций интенсивности лазера LO, значительно подавляя шум относительной интенсивности (RIN). Два фотодиода в каждой паре предназначены для обеспечения согласованной чувствительности и емкости для поддержания высокого коэффициента отторжения общего режима (CMRR) по полосе пропускания сигнала. Типичные фотодиоды, используемые в когерентных приемниках, основаны на структурах PIN или avalanche , но для большинства когерентных приложений предпочтительны PIN-фотодиоды из-за их линейности и низкого избыточного шума.

Фототок преобразуется в напряжения с помощью усилителей трансимпеданса (TIAs), которые обеспечивают усиление низкого шума и широкую полосу пропускания (> 50 ГГц для систем следующего поколения). Шумовое число и полоса пропускания TIA являются критическими параметрами; они должны быть оптимизированы для достижения требуемой оптической чувствительности приемника , обычно измеряемой в дБм для заданной частоты битовых ошибок (BER).

Локальный осциллятор (LO) лазер

Лазер LO должен иметь узкую ширину линии (обычно < 100 кГц для QPSK, < 10 кГц для QAM более высокого порядка), чтобы минимизировать фазовый шум. Распределенные лазеры обратной связи (DFB) являются общими для форматов более низкого порядка, в то время как внешние полостные лазеры (ECL) используются для модуляции более высокого порядка из-за их превосходной стабильности фазы. Длина волны LO должна быть настроена на несколько гигагерц несущей частоты входящего сигнала, что достигается за счет блокировки частоты с использованием петли с блокировкой длины волны или цифровой оценкой смещения частоты в DSP.

Цифровая обработка сигналов (DSP)

Блок DSP в когерентном приемнике выполняет ряд алгоритмов для восстановления передаваемых битов из оцифрованных сигналов I/Q. Типичный поток DSP включает в себя:

  1. Коррекция спереди: Компенсация частотной реакции фотодиодов и TIA, а также дисбаланс I/Q от оптического гибрида.
  2. Восстановление часов: Извлечение времени символа из отобранных данных с использованием алгоритмов, таких как метод Гарднера или Мюллера и Мюллера.
  3. Компенсация хроматической дисперсии (CD): Использование фиксированного или адаптивного конечного импульсного отклика (FIR) фильтра для обращения накопленного CD в волокно.Компенсация CD может потреблять значительные вычислительные ресурсы; для дальнемагистральных ссылок частотно-доменная уравниловка (FDE) часто используется для эффективности.
  4. Демультиплексирование поляризации: Адаптивные алгоритмы, такие как алгоритм постоянного модуля (CMA) или ориентированные на принятие решений наименьшие средние квадраты (DDLMS), разделяют две поляризации сигнала. Эти алгоритмы также отслеживают изменяющееся во времени вращение поляризации, вызванное волокном.
  5. Оценка и коррекция смещения частоты: Частота лазера LO дрейфует относительно несущей сигнала, вызывая вращающееся созвездие. DSP оценивает это смещение (используя методы, такие как быстрый подход преобразования Фурье (FFT)) и вращает созвездие обратно в правильное положение.
  6. Восстановление фазы оператора: Компенсирует лазерный фазовый шум с использованием алгоритмов, таких как оценка фазы Витерби-Витерби (для QPSK) или слепой поиск фазы (для QAM). Для QAM высокого порядка используются более продвинутые методы, такие как оценка максимальной вероятности.
  7. Решение символа и декодирование: Восстановленные символы отображаются на биты с помощью разрезателя или демаппера мягкого решения, а декодирование прямой коррекции ошибок (FEC) исправляет любые оставшиеся ошибки.

Сложность DSP зависит от формата модуляции и скорости передачи данных. При 800 Гбит/с и более требуемая вычислительная мощность становится основной задачей проектирования, стимулируя принятие специализированных ASIC и передовых CMOS-процессов с уменьшенным потреблением энергии.

Дизайн-соображения и проблемы

Источники шума и чувствительность

Производительность когерентного приемника в конечном счете ограничена шумом. Доминирующие источники шума включают:

  • Шум выстрела: Возникающий из квантовой природы света в фотодиодах. Сбалансированное обнаружение отменяет шум выстрела LO лишь частично; также вносит свой вклад сигнальный рычаг. При высокой мощности LO приемник может приблизиться к квантовому пределу, где доминирует шум выстрела.
  • Тепловой шум: Генерируется TIA и последующими электронными схемами. Его можно уменьшить, сконструировав малошумные усилители и используя достаточную мощность LO (поскольку когерентное обнаружение обеспечивает встроенное усиление).
  • Лазерный фазовый шум: Вызывает вращение символа и требует восстановления несущей. Фазовая дисперсия шума увеличивается с частотой символа и порядком модуляции, накладывая ограничения на ширину лазерной линии.
  • Шум относительной интенсивности (RIN): Подавляемый сбалансированным обнаружением, но остаточный RIN все еще может ухудшать чувствительность, особенно на низких частотах.
  • Квантовый шум: Введены аналого-цифровые преобразователи (ADC) в цепочке DSP. Для минимизации этого шума требуются АЦП высокого разрешения (обычно 6-8 бит при 50-100 ГС/с).

Чувствительность приемника (минимальная принятая мощность для целевого BER) непосредственно связана с отношением оптического сигнала к шуму (OSNR) на входе. Для когерентных приемников чувствительность часто выражается в терминах OSNR (в дБ/0,1 нм). Хорошо спроектированный приемник может достигать почти теоретической производительности OSNR, например, около 12,6 дБ для DP-QPSK при БЭР 10-3 (до FEC). Ключевые параметры проектирования, которые влияют на чувствительность, включают потерю гибридной вставки, фотодиодную чувствительность, шум TIA и эффективность алгоритмов DSP.

Высокая пропускная способность и линейность

Поскольку скорость символов превышает 100 Гбо, оптическая и электрическая полоса пропускания приемника должна превышать 60-70 ГГц, чтобы избежать серьезных интерсимволических помех. Для этого требуются фотодиоды с небольшой активной областью (низкая емкость) и TIA с высокой пропускной способностью и низкой пульсацией групповой задержки. Передовые методы упаковки, такие как склеивание с флип-чипом и 3D-интеграция, помогают минимизировать паразитов. Линейность также имеет решающее значение для QAM высокого порядка; нелинейное искажение от фотодиода или TIA приводит к деформации созвездий и увеличению BER. Тщательная конструкция схем смещения и использование пре-искажения в DSP могут смягчить эти эффекты.

Управление поляризацией

Приемники двойной поляризации требуют точного расщепления и выравнивания поляризационного пучка. Расщеплитель поляризации (PBS) должен иметь высокое отношение вымирания (>25 дБ), чтобы избежать перекрестного столкновения между двумя поляризациями. Ротор поляризации и расщеплитель часто монолитно интегрированы в кремниевую фотонику, но производительность варьируется в зависимости от длины волны и температуры. В DSP алгоритм демультиплексирования поляризации отслеживает быстрые изменения поляризации из-за вибраций или изгибов волокон, но передний конец аппаратного обеспечения должен обеспечивать низкое потери, стабильное разделение.

Передовые форматы модуляции и влияние приемника

Более высокие форматы QAM (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM) повышают спектральную эффективность, но требуют значительно более высокой OSNR и более низкого фазового шума. Для 64-QAM требуемая OSNR примерно на 8 дБ выше, чем для QPSK с той же скоростью Бода. Приемник должен быть спроектирован с исключительно низким шумом и высокой линейностью для поддержки этих форматов. Кроме того, ширина лазерной линии LO должна быть чрезвычайно узкой - обычно < 10 кГц для 64-QAM - и восстановление несущей DSP становится более сложным. Вероятностное формирование (PS) - еще один метод, используемый для повышения толерантности к шуму; приемник DSP должен осуществлять декодирование мягкого решения с формованными созвездиями, что увеличивает вычислительную нагрузку, но улучшает охват на несколько децибел.

Интегрированная фотоника и когерентные приемники

Для уменьшения размера, мощности и стоимости оптические компоненты когерентных приемников все чаще интегрируются в фотонные интегральные схемы (PIC). Кремниевая фотоника предлагает перспективную платформу, поскольку она использует производство CMOS, позволяя производить большие объемы по низкой цене. Интегрированные когерентные приемники на кремнии обычно включают PBS, 90-градусные оптические гибриды и германиевые фотодиоды. Однако отсутствие эффективного светового излучения кремния требует, чтобы лазер LO был внешне связан или интегрирован с использованием гибридного соединения III-V.

PIC-приемники на основе фосфида индия (InP) могут интегрировать лазер, модулятор и приемник на одном чипе, обеспечивая превосходную производительность для высокопроизводительных приложений. Недавние демонстрации монолитных когерентных приемников InP, работающих на частоте 800 Гбит/с, показывают жизнеспособность этого подхода для приемопередатчиков следующего поколения. Ключевой задачей для интегрированных приемников является управление оптическими потерями, перекрестным помехой и термостабильностью в широком диапазоне длин волн. Передовые методы упаковки, такие как микрооптика и соединение волоконных массивов, необходимы для достижения низкой потери вставки (] < 2 dB ).

Будущие тенденции и направления исследований

По мере роста сетевого трафика когерентные приемники должны развиваться, чтобы поддерживать более высокие скорости передачи данных, более низкое энергопотребление и более устойчивые архитектуры.

  • Цифровое мультиплексирование поднесущих (DSCM): Вместо одного несущего сигнал разделяется на несколько поднесущих, что повышает устойчивость к нелинейным эффектам и упрощает сложность DSP. Приемники должны обрабатывать несколько параллельных DSP-потоков, что требует продвинутых конструкций ASIC.
  • Приемники Крамер-Крониг (KK): Недавняя схема, использующая один фотодиод с сильным локальным осциллятором для восстановления как амплитуды, так и фазы, сокращая количество фотодиодов и гибридов. Приемники KK обещают более низкую стоимость и энергопотребление для коротко- и среднедостающих звеньев, хотя они и отменяют некоторую производительность OSNR.
  • Машинное обучение для DSP: Нейронные сети исследуются для смягчения нелинейности, оценки канала и даже обнаружения символов. Например, рекуррентная нейронная сеть может заменить фазовый оценщик Витерби-Витерби и достичь лучшей терпимости к фазовому шуму. Однако вычислительные накладные расходы и требования к обучению остаются значительными препятствиями.
  • Когерентное обнаружение в диапазонах C+L: Расширение полосы пропускания приемника для покрытия как C-диапазона (1530-1565 нм), так и L-диапазона (1565-1625 нм) увеличивает общую емкость на волокно. Для этого требуются широкополосные оптические гибриды и фотодиоды с равномерной чувствительностью в диапазоне 100 нм, а также алгоритмы DSP, которые могут обрабатывать различную дисперсию и нелинейные эффекты по диапазонам.
  • Ультратонкая настройка и блокировка частоты: Будущим приемникам необходимо будет зафиксировать LO на входящий сигнал с точностью до МГц для поддержки мультиплексирования с плотным разделением длины волны (DWDM) с интервалом канала 6,25 ГГц.
  • Энергоэффективная аналоговая обработка: Некоторые функции получения (например, компенсация дисперсии) могут быть выполнены в аналоговом домене с использованием фотонных фильтров или электронной оцифровки перед ADC, что потенциально снижает энергопотребление DSP.

Исследования новых материалов, таких как двумерные полупроводники и плазмонные модуляторы, могут в конечном итоге позволить использовать ультракомпактные когерентные приемники малой мощности. На данный момент отрасль сосредоточена на создании CMOS-совместимых PIC с 200 Гбодами, способными развивать скорость 1,6 Тбит/с на канал с использованием DP-64QAM с вероятностным формированием.

Заключение

Проектирование оптических приемников для когерентных систем связи является многогранной инженерной задачей, требующей тщательной оптимизации оптических гибридов, фотодиодов, TIA и алгоритмов DSP. Приемник должен обрабатывать высокие полосы пропускания, подавлять несколько источников шума и обрабатывать сложные форматы модуляции с минимальной задержкой. Интегрированные фотонные технологии снижают затраты и позволяют использовать плотные многоканальные приемники, в то время как передовые методы DSP расширяют пределы достижимой чувствительности и охвата. Поскольку спрос на полосу пропускания продолжает удваиваться каждые два года, согласованная конструкция приемника останется на переднем крае инноваций в области оптической связи.

Для дальнейшего чтения рассмотрите возможность изучения основополагающих текстов по когерентному обнаружению (]IEEE: Когерентные оптические коммуникационные системы, практических руководств по проектированию от Оптического общества (]Optics Express: Интегрированные когерентные приемники) и недавних достижений в области кремниевой фотоники: Фотонические приёмники кремния: Кремниевые фотонные когерентные приемопередатчики.