Эволюция оптических приемопередатчиков в сетях 5g
Введение
Быстрое развертывание сетей 5G коренным образом изменило телекоммуникации, обещая беспрецедентные скорости передачи данных, сверхнизкую задержку и массовое подключение устройств. В основе этой трансформации лежит критический, но часто упускаемый из виду компонент: оптический приемник. В качестве шлюза между волоконно-оптическими кабелями и электронной обработкой оптические приемники должны непрерывно развиваться, чтобы удовлетворить растущие требования инфраструктуры 5G. В этой статье прослеживается эволюция технологий оптических приемников, от ранних фотоприемников до передовых когерентных интеграций, и рассматривается их ключевая роль в обеспечении высокой емкости, низкой задержки, которая требуется 5G.
Исторический фон оптических приемников
Путешествие оптических приемников началось в середине 20-го века с появлением волоконно-оптической связи. Ранние системы использовали простые P-N переходные фотодиоды с ограниченной полосой пропускания, достаточной только для низкоскоростной телефонии и ранних каналов передачи данных. По мере расширения волоконно-оптических сетей в 1980-х и 1990-х годах потребность в более высоких скоростях передачи данных приводила к развитию PIN-фотодиодов и аванашных фотодиодов (APD) . PIN-диоды предлагали более быстрое время отклика, в то время как APD обеспечивали внутренний прирост, что делало их идеальными для дальних линий связи, где ослабление сигнала было серьезным.
Переход от прямого обнаружения к когерентного обнаружения в 2000-х годах ознаменовал собой большой скачок. Когерентные приемники, которые смешивают входящий оптический сигнал с локальным осциллятором, резко улучшили чувствительность и спектральную эффективность. Эта технология стала необходимой для систем мультиплексирования с разделением длины волны (WDM), которые сформировали основу Интернета. К моменту появления сетей 4G LTE оптические приемники созрели в интегрированные модули, способные обрабатывать 10–100 Гбит/с на канал. Однако требования 5G ввели новые проблемы, которые потребовали дальнейших инноваций.
Ключевые технологии в оптических приемниках для 5G
Фотодиоды: элемент основного ощущения
Современные оптические приемники 5G по-прежнему в значительной степени полагаются на два типа фотодиодов: PIN-фотодиоды и , а также на аванш-фотодиоды (APD) . PIN-диоды предпочитаются для коротко- и среднедосягаемых каналов связи из-за их простой структуры, высокой скорости и низкого уровня шума. Напротив, APD обеспечивают значительно более высокую чувствительность из-за внутреннего умножения, что делает их незаменимыми для сетей дальнего следования и доступа, где мощность сигнала ограничена.APD-структуры, такие как раздельное поглощение, классификация, заряд и умножение (SAGCM), выдвинули полосы пропускания за пределы 40 ГГц при сохранении низкого избыточного шума - критически важно для обработки высокочастотных сигналов 5G и расширенных форматов модуляции, таких как 64-QAM и 256-QAM.
Другим новым типом фотодиода является uni-traveling-carrier (UTC) photodiode , который достигает сверхвысокой полосы пропускания (превышая 100 ГГц) за счет разделения электрона и переноса дырок. Фотодиоды UTC особенно перспективны для передних магистральных линий 5G mmWave, где частоты сигналов достигают десятков гигагерц. Их высокая линейность и мощность насыщения также делают их подходящими для аналоговых приложений RoF (радио-над-волокном), ключевой архитектурный выбор для распределенных антенных систем 5G.
Усилители трансимпеданса и интегральные схемы
После того, как фотодиод преобразует оптическую мощность в слабый фототок, усилитель трансимпеданса (TIA) должен усиливать этот сигнал до обнаруживаемого уровня напряжения. В оптических модулях 5G TIA часто упакованы с фотодиодами, чтобы минимизировать паразитную емкость и индуктивность, обеспечивая целостность сигнала с высокой скоростью передачи данных. Расширенные процессы BiCMOS с кремниевым германием (SiGe) позволяют TIA достигать полосы пропускания более 50 ГГц при потреблении только милливатт мощности - критическое соображение для плотных развертываний узла 5G, где управление тепловой энергией является сложной задачей.
Дальнейшая интеграция распространяется на часы и схемы восстановления данных (CDR) и цифровые сигнальные процессоры (DSP) . Современные оптические модули 5G включают эти функции в единую монолитную или гибридную интегральную схему, резко уменьшая размер и мощность. Например, когерентные модули приемника объединяют локальный осцилляторный лазер, 90-градусный оптический гибрид, сбалансированные фотодиоды и высокоскоростные ADC с DSP все на одной фотонной интегральной схеме (PIC). Этот уровень интеграции необходим для удовлетворения форм-фактора и ограничений стоимости инфраструктуры 5G, особенно в небольших ячейках и централизованных сетях радиодоступа (C-RAN).
Когерентное обнаружение и обработка цифровых сигналов
В то время как прямое обнаружение остается распространенным в недорогих и недорогих 5G-ссылках, миграция к когерентному обнаружению ускоряется. Когерентные приемники захватывают как амплитуду, так и фазу оптического носителя, позволяя использовать расширенные форматы модуляции (например, DP-16QAM, DP-64QAM), которые упаковывают больше битов на символ. В сочетании с мощными DSP-алгоритмами для компенсации хроматической дисперсии, демультиплексирования поляризации и восстановления фазы носителя когерентные приемники могут достигать емкости 400 Гбит/с и 800 Гбит/с на длину волны - намного превышающую потребности большинства обратных ссылок 5G сегодня.
Роль DSP в оптических приемниках 5G невозможно переоценить. При использовании гибких поднесущих интервалов 5G (15, 30, 60, 120 кГц) и многочисленных форм сигналов приемник DSP должен обрабатывать широкий спектр характеристик сигнала. Передовые методы, такие как компенсация нелинейности и вероятностное формирование созвездий , развертываются для расширения пределов пропускной способности волокон. Эти инновации DSP непосредственно приносят пользу сетям 5G за счет сокращения количества требуемых длин волн и расширения охвата, упрощая сетевую архитектуру.
Кремниевая фотоника: сдвиг парадигмы
Одним из наиболее эффективных достижений в технологии оптических приемников был рост кремниевой фотоники. Используя зрелые процессы изготовления CMOS, кремниевая фотоника позволяет интегрировать оптические компоненты — включая фотодиоды, модуляторы, мультиплексоры и даже лазеры — в один кремниевый чип. Для 5G это превращается в компактные, маломощные и экономически эффективные оптические приемопередатчики, которые могут быть массово произведены в масштабе. Многие оптические модули 5G теперь используют кремниевые фотонные приемники, которые достигают производительности, сопоставимой с устаревшими материалами III-V, при этом резко снижая сложность упаковки.
Кремниевые фотонные приемники обычно используют германиевые фотодиоды , интегрированные на кремниевых волноводах. Эти фотодиоды Ge-on-Si предлагают высокую отзывчивость и пропускную способность до 50-60 ГГц, подходящие как для прямого обнаружения, так и для когерентных систем. Кроме того, кремниевая фотоника облегчает интеграцию волноизбирательных фильтров , поляризующих лучевых сплиттеров и оптических гибридов непосредственно на PIC, устраняя многие дискретные компоненты. Для приложений мультиплексирования с плотным разделением длины волны (DWDM) 5G эта интеграция резко снижает площадь и энергопотребление - критическое преимущество для удаленной радиоголовки (RRH) и развертывания сотового участка.
Масштабируемость кремниевой фотоники также согласуется с тенденцией открытых оптических сетей в 5G, где операторы ищут совместимые решения с несколькими поставщиками. Стандарты, такие как OpenROADM и OIF (Optical Internetworking Forum) , охватывают кремниевые фотонные приемники в качестве ключевого средства для дезагрегированных транспортных сетей 5G. Снижая барьер для входа для новых поставщиков, кремниевая фотоника способствует инновациям и снижает затраты, непосредственно принося пользу операторам сетей 5G и, в конечном итоге, конечным пользователям.
Влияние на производительность сети 5G
Расширенная мобильная широкополосная связь (eMBB)
Для случаев использования eMBB - подумайте о потоковом видео сверхвысокой четкости, виртуальной реальности и фиксированном беспроводном доступе - оптические приемники должны поддерживать пиковые скорости передачи данных, превышающие 10 Гбит/с на пользователя. Современные когерентные приемники с DSP, работающие как над однорежимными, так и над многоядерными волокнами, позволили использовать эти скорости в линиях фронтального и бэк-перехода. Например, оптические модули 400G ZR + на основе когерентного обнаружения могут обеспечить многотерабитную емкость более 100+ км, образуя основу слоев среднего и обратного хода 5G. Эта емкость необходима для транспортировки агрегированного трафика из сотен небольших ячеек без перегрузки.
Ультранадежные низкозадержанные коммуникации (URLLC)
Услуги URLLC, такие как автономное вождение и промышленная автоматизация, требуют сквозной задержки ниже 1 мс. Оптические приемники способствуют этому, позволяя цифровой обработке с низкой задержкой и быстрое преобразование A/D . Интегрированные схемы приемника с высокой пропускной способностью TIA и маломощными DSP могут достигать субмикросекундной задержки в оптическом слое, в то время как расширенные форматы модуляции с минимальной коррекцией ошибок вперед (FEC) дополнительно уменьшают задержки. Прямые приемники обнаружения с их более простой архитектурой и отсутствием задержки DSP иногда предпочтительны для URLLC в пределах одного и того же сотового сайта. Возможность оптического приемника динамически переключаться между прямыми и когерентными режимами обнаружения является новой функцией, которую сетевые операторы изучают для удовлетворения строгих бюджетов задержки.
Массивные коммуникации машинного типа (mMTC)
mMTC, включая датчики IoT и интеллектуальные счетчики, обычно генерирует небольшие всплески данных от миллионов устройств. Здесь чувствительность и энергоэффективность оптического приемника имеют первостепенное значение. Приемники на основе APD с высоким коэффициентом усиления позволяют использовать недорогие передатчики со слабыми лазерами на краю, снижая общее энергопотребление сети. Кроме того, приемники в режиме разрыва, способные быстро регулировать коэффициент усиления и порог на основе пакетов, необходимы для высокодинамичных моделей трафика mMTC. Эти приемники адаптированы для обработки закрытого типа связи IoT, сводя к минимуму мощность бездействия и максимизируя срок службы батареи для узлов датчиков.
Последние инновации и будущие тенденции
Ультрабыстрые и малошумные архитектуры приемников
Продолжаются исследования сверхнадежных малошумных оптических приемников, которые могут поддерживать следующее поколение 5G-продвинутых и 6G. Проекты, использующие сверхпроводящие нанопроводные однофотонные детекторы (SNSPDs), продемонстрировали почти квантово-ограниченную чувствительность, хотя их криогенные требования к охлаждению в настоящее время ограничивают практическое развертывание. Более близкие перспективы включают фотонные кристаллические волноводы и слот-волновые модуляторы, которые уменьшают тепловой шум и улучшают чувствительность. Цифровые когерентные приемники с DSP на основе машинного обучения также находятся на горизонте, предлагая адаптивное выравнивание и смягчение нелинейности, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям волокна в реальном времени.
Интеграция с mmWave и THz Frontends
По мере того, как 5G расширяется в миллиметровые волны (mmWave) полосы и будущие частоты 6G нацелены на суб-THz, оптические приемники должны преодолеть разрыв между фотонными и электронными доменами. Фотонная генерация сигналов и прием - где оптический носитель точно модулирован, а затем преобразован в электрический сигнал - позволяет высокочастотную работу за пределами досягаемости обычной электроники. Оптические приемники с интегрированными фотонными смесителями или оптоэлектронные преобразователи могут напрямую преобразовывать сигналы mmWave в базовую полосу, устраняя несколько радиочастотных стадий и уменьшая искажение сигнала. Этот подход тестируется в прототипах передней части 5G mmWave и, как ожидается, станет коммерчески жизнеспособным в течение следующих нескольких лет.
Расширенная упаковка и термоуправление
Тенденция к более высокой интеграции требует инновационных упаковочных решений. 3D гетерогенная интеграция , укладка фотонных кристаллов на электронных чипах CMOS с использованием микро-насосов или медных столбов, набирает тягу. Это уменьшает длину соединения, улучшая целостность сигнала и уменьшая мощность. Ко-упакованная оптика (CPO) — где оптические двигатели и коммутаторы ASIC имеют один и тот же пакет — исследуются для основных сетей 5G для преодоления узкого места пропускной способности I / O. Тепловое управление этими высокоинтегрированными приемниками имеет решающее значение; методы, такие как микрофлюидное охлаждение и на чипе термоэлектрические охладители разрабатываются для поддержания производительности в наружном оборудовании 5G.
Проблемы и решения
Несмотря на значительный прогресс, остаются несколько проблем.Стоимость является основной проблемой: в то время как кремниевая фотоника снижает затраты на единицу для больших объемов, начальные затраты на NRE (неповторяющиеся инженерные) высоки, замедляя принятие для небольших операторов. Потребление энергии DSP в когерентных приемниках может превышать ожидания, особенно в удаленных радиоприемниках с ограниченным бюджетом мощности. Развивающиеся низкоэнергетические архитектуры DSP и аналоговые когерентные методы направлены на решение этой проблемы.Экологическая устойчивость — экстремальные температуры, влажность и вибрация — могут ухудшать производительность приемника. Геретически герметичная упаковка и передовые антирефлекторные покрытия помогают стабилизировать производительность в широком диапазоне температур (от −40 °C до +85 °C), необходимые для наружного оборудования 5G.
Другая проблема заключается в совместимости между модулями оптического приемника с несколькими поставщиками и блоками 5G базовой полосы. Органы стандартов, такие как Оптическая транспортная сеть (OTN) и ITU-T, работают над пересмотром G.709 и G.698.2 для размещения взрывного высокофлуктуационного трафика 5G. Кроме того, инициативы с открытым исходным кодом для алгоритмов DSP снижают барьер для системных интеграторов для оптимизации производительности приемника для конкретных развертываний 5G.
Дорога впереди: оптические приемники для 5G-продвинутых и 6G
В перспективе технологии оптических приемников будут продолжать развиваться в тандеме с сетевыми требованиями. 5G-Advanced (3GPP Release 18+) будет повышать скорость восходящей линии связи, требуя приемников с еще большей чувствительностью и динамическим диапазоном. 6G , ожидаемый около 2030 года, потребует Tb/s на линию связи и задержку до 0,1 мс, вероятно, используя интегрированные фотонные схемы с тысячами элементов на одном чипе. Квантовые оптические приемники и полностью может стать практичным, полностью удалив электронику с пути передачи данных. На данный момент эволюционный путь полупроводниковой фотоники, передовой DSP и совместной упаковки обеспечивает четкую дорожную карту для инноваций в области оптических приемников, которая будет поддерживать полный потенциал 5G и заложит основу для следующего поколения беспроводн
Заключение
Эволюция технологий оптических приемников была центральной для успеха сетей 5G. От простых фотодиодов до сложных когерентных приемников со встроенной кремниевой фотоникой, каждое продвижение непосредственно способствовало более высоким скоростям передачи данных, более низкой задержке и большей связности, которые определяют 5G. По мере того, как отрасль движется к 5G-Advanced и за его пределами, оптические приемники останутся основой волоконно-оптической инфраструктуры, которая лежит в основе беспроводной связи. Охватывая инновации в материалах, интеграции и цифровой обработке, сетевые операторы могут обеспечить, чтобы оптический интерфейс шел в ногу с неустанным ростом трафика и потребностей в обслуживании, в конечном итоге обеспечивая более подключенный и отзывчивый мир.