Coherent Optik Alıcıların Temelleri

Coherent optik alıcılar, elde edilen sinyal ile karıştırılması için uzun mesafeli ve metro optik ağlarını dönüştürdüler.Bu karıştırma, dört girişim bileşeni (yalnızca ışık yoğunluğuna güvenen doğrudan farklı), eşanlı alıcılar, elde edilen elektrik sinyalleri ile karıştırılmış ve işleme işlemi (LO) lazerler ile birlikte yapılır.

Eşdeğer algılamanın temel avantajı, dört kişilik bir aradaki modülasyon formatlarını destekleme yeteneğidir.Ayrıca, eşanlamlı alıcılar frekans tercihlerini sağlar, aynı zamanda yüksek çözünürlükte (WDM) sayısal alanda sayısal filtreler kullanarak çok karmaşık hale gelir.Bu formatlar, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (WDM) ve yüksek çözünürlükte 10 binicilikte (WDM) sağlar.

Modern koherent sistemleri genellikle iki veya iki veyangen kutuplu sinyallerin bağımsız olarak aktarıldığı bir çift-polarizasyon (DP) konfigürasyonunu benimsemeli ve bu kutuplaşmaları kutuplaştırmalı ve optik hibritler kullanarak ayırmalıdır, sonra onları DSP'de birlikte işlemeye devam edin.Bu DP mimarisi, ek ⁇ bant genişliğini gerektirmeden, 100 Gbps ve daha yüksek kanal oranları için gerekli hale getirmeli.

Coherent Alıcının Temel Bileşenleri

Optik Hibrit Optik Hibrit

Optik hibrit, alınan sinyali LO ışık ile birleştiren merkezi bileşendir. Ortak bir uygulama 0°, 90°, 180° ve iki kutuplu alıcının iki kutuplu bileşenleri arasında, iki kutuplaşma için, hassas bir faz ve LO) ve dört çıktı vardır.

Optik hibritler ücretsiz uzay optikleri, fiber çiftleri veya entegre fotonik devreleri kullanarak uygulanabilir. Yüksek hızlı sistemler için ()> 100 Gbaud[D) ve genel hassasiyet.

Dengeli Photodiodes

Optik hibritin her çıkışı, dengeli bir fotodetektör çifti tarafından yönlendirilir. Dengeli algılama, LO lazerin yoğunluk dalgalanmalarından gelen ortak mod gürültüsünü iptal eder, önemli ölçüde göreceli yoğunluk gürültüye dayanır (RIN).Her çiftdeki iki fotodiodlar, yüksek ortak mod reddedilme oranını (CMRR) korumak için uygun olarak tasarlanmıştır.

Foto akımları transimpedans yükselticileri tarafından gerilimlere dönüştürülür (TIAs), düşük çözünürlükte (ve daha fazla sayıda hata oranı için (örneğin, TIA'nın gürültü rakam ve bant genişliği kritik parametrelerdir; gerekli olan değerleri elde etmek için optimize edilmelidirler.

Yerel Oscillator (LO) Lazer

LO lazerinin dar bir çizgi genişlikte olması gerekir (tipik velt; QPSK için 100 kHz, velt; yüksek rütbeli QAM) birkaç gigahertz içinde birkaç seslendirme işlemine ayarlanmalıdır.

Dijital Signal Processing (DSP) Zinciri

Eş zamanlı bir alıcıdaki DSP ünitesi, sayısal I/Q sinyallerinden gelen bu tür algoritmaları geri almak için bir dizi algoritma gerçekleştiriyor: A tipik DSP akışı içerir:

  1. [FONT:0]Front-end düzeltmesi: Fotodiodların ve TIAs'nin frekans yanıtını ve optik hibritden I/Q dengesizliki için telafi etmek.
  2. [FONT:0)Clock kurtarma:[Dönetici: [Dönetici:0) ·[Dönetici: [Dönetici: · 1 ), · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
  3. [FONT:0) Kromat (CD) tazminatı: Sabit veya uyarlanabilir bir dürtü cevabı (FIR) fiberdeki bir CD'yi tersine çevirmek için filtre. CD tazminatı önemli hesaplama kaynakları kullanabilir; uzun mesafeli bağlantılar için, frekans-bölge eşitleme (FDE) genellikle verimlilik için kullanılır.
  4. [FONT=0)Polarizasyon demultiplexing: Sürekli modulus algoritması (CMA) veya karar-yönemli en azından kareler (DDLMS) iki sinyal kutuplaşmalarını ayırmaktadır. Bu algoritmaların ayrıca fiber tarafından neden olan kutuplaşma rotasyonunu da takip eder.
  5. [FONT:0]Frequency dengeleme tahmin ve düzeltme: LO lazer frekansı sinyal taşıyıcısına göre değişir, dönen bir takımyıldıza neden olur. DSP bu dengelemeyi tahmin eder (sıcak Fourier dönüşümü gibi yöntemler) ve takımyıldızı doğru konuma geri döndürür.
  6. [FONT=0)Carrier faz kurtarma: [Dönetici: [Dönetici: 0] Viterbi-Viterbi faz estimatörü (QPSK için) veya kör faz araması (QAM için) yüksek sipariş için QAM, maksimum olasılık tahminleri gibi algoritmaları kullanarak daha ileri teknikler kullanılır.
  7. [FONT:0]Symbol kararı ve dekoding: Gerileştirilmiş semboller bir dilim veya yumuşak-decision demapper kullanarak haritalanır ve geri hata düzeltmesi (FEC) geri kalan hataları düzeltir.

DSP'nin karmaşıklığı, modülasyon formatı ve veri oranına bağlıdır. 800 Gbps ve ötesinde, gerekli hesaplama gücü büyük bir tasarım meydan okuması haline gelir, özel ASICs ve gelişmiş CMOS süreçlerinin benimsenmesini azaltmaktadır.

TasarımDüşündürmeler ve Zorluklar

Gürültü Kaynağı ve Hassasiyet

Eşdeğer bir alıcının performansı en sonunda gürültü ile sınırlıdır. baskın gürültü kaynakları şunları içerir:

  • [FONT:0]Shot gürültü: Fotodiodes'daki ışığın kuantum doğasından kaynaklanan bir gürültüyü sadece kısmen iptal eder; sinyal kolu da yüksek LO gücü ile katkıda bulunur, alıcı gürültünün hükmeddiği kuantum sınırına yaklaşabilir.
  • [FONT:0] ⁇ gürültü: [DÜDÜT:1] TIA ve sonraki elektronik devreler tarafından yapılan ve yeterli LO gücü kullanarak azaltılabilir (sonsuz tespit için)
  • [[Düzg:0)Laser faz gürültü:[Dönem:[Dönem: 0,4] Causes sembolü rotasyonu ve taşıyıcı kurtarma gerektirir. Faz gürültüsi değişkenleri, sembolü ve modulation düzen ile artar, lazer hattında kısıtlamalar sağlar.
  • [FONT:0)Relative yoğunluk gürültü (RIN): Dengeli algılama tarafından bastırılmış, ancak ikamet eden RIN özellikle düşük frekanslarda hassaslığı bozabilir.
  • DSP zincirinde analog dönüştürücüler tarafından tanıtılıyor. Yüksek çözünürlüklü ADCs (tipik olarak% 6-8 bit) bu gürültüyü minileştirmek için gereklidir.

Alıcı duyarlılığı (bir hedef için güç aldı) doğrudan optik sinyal-to-noise oranı (OSNR) girişte.In coherent alıcılar için, hassasiyet genellikle OSNR (in dB/0.1 nm) açısından ifade edilir. İyi tasarlanmış bir alıcı, karma ekleme performansına, e.g., yaklaşık 12.6 dB için DRM 10-3-3[F)

High Band genişlik ve Linearity

Sembol oranları 100 Gbaud'un ötesine geçiyorken, alıcının optik ve elektrik bant genişliği 60-70 GHz'i ciddi intersymbol müdahalesinden kaçınmak için aşmalıdır.Bu, yüksek performanslı ve düşük grup gecikmeli diskoksiyon ile fotodiodları gerektirir. Gelişmiş paketleme teknikleri, tür dönüşümlü bağlantı ve 3D entegrasyonun tasarımı gibi, bu da yüksek sipariş QAM için kritiktir.

Polarizasyon Yönetimi

Çift-polarizasyon alıcıları kesin kutuplaşma bölmesi ve hizalama gerektirir. kutupizasyon kirişi bölme (PBS) yüksek yok edici oranına sahip olmalıdır (&g; 25 dB) iki kutupluluklar arasındaki geçişleri önlemek için, kutuplama ve bölme genellikle monolitik olarak silikon fotonikte entegre edilir, ancak performans DSP'de değişir, kutuplaşma demultiplex algoritmalar veya fiber virajlar nedeniyle hızlı kutuplaşma.

Gelişmiş Modulation Formats and Alıcı Influence

Yüksek sipariş QAM formatları (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM) ⁇ verimliliğini artırmak ancak 64-QAM için gerekli olan OSNR, aynı Baud oranıyla yaklaşık 8 dB daha yüksektir.Rebistik şekillendirme (PS) bu formatları desteklemek için kullanılan daha karmaşık hale gelir.

Tümleşik Fotonikler ve Coherent Alıcılar

Boyut, güç ve maliyet, koherent alıcıların optik bileşenleri giderek fotonik entegre devrelere entegre edilir (PICs). Silikon fotonikleri, gelecek vaat eden bir platform sunar, çünkü CMOS üretiminden yararlanır, yüksek hacimli üretime düşük maliyetle entegre edilir.

Indium phosphide (InP) PICs, lazer modülatörü entegre edebilir ve tek bir çip üzerinde alıcı, yüksek uç uygulamalar için üstün performans sağlar. 800 Gbps'de çalışan monolithic InP coherent alıcılarının son gösterileri, daha düşük ekleme kaybı için bu yaklaşımın viability gösterir ([Dönder:0< 2 )

Ağ trafiği büyüdükçe, eş alıcı alıcılar daha yüksek veri oranları, daha düşük güç tüketimi ve daha dirençli mimarileri desteklemeli. Bazı ortaya çıkan eğilimler koherent alıcı tasarımının geleceğini şekillendiriyor:

  • [FONT:0) Dijital alt uzayıcı çokluxing (DSCM): ), tek bir taşıyıcı yerine, sinyal birden fazla alt taşıyıcıya bölünür, DSP karmaşıklığa dayanıklı hale gelir ve DSP karmaşıklığını basitleştirmektir.
  • [FONT=0]Kramers-Kronig (KK) alıcıları: Bir son programda, hem çok basit hem de fazı kurtarmak için güçlü bir yerel osilatör ile, fotodiodes ve hibridlerin sayısını azaltır. KK alıcılar kısa ve orta-kullanıcı bağlantıları için daha düşük maliyet ve güç tüketimi vaat ederler, bazı OSNR performanslarını ticaret ederler.
  • DSP için Makine Öğrenmesi: [DFLT:1] Neural ağları doğrusal olmayanlık masyonları, kanal tahminleri ve hatta sembol algılaması için araştırılıyor. Örneğin, bir recurrent sinir ağı Viterbi-Viterbi faz estimatörünü değiştirebilir ve faz gürültülerine daha iyi tolerans elde edebilir.
  • [FONT:0] C+L bandında tespit: Alıcı bant genişliğini 100 nm üzerinde örtmek için uzatın (1565 nm) ve L-band (1565-1625 nm) gruplardaki çeşitli dağıtım ve doğrusal olmayan etkilerde artış gösterir.
  • [FONT:0)Ultra-fine frekansı ayarlayıp kilitlenme: Future alıcılar, LO'yi yoğun bir şekilde yönlendirmek için, yüksek çözünürlükte çoklu frekans aralığına (DWDM) destek olmak için, 6.25 GHz kanalıyla birlikte, hızlı frekans kilit döngüler ve dijital besleme teknikleri gerekli olacaktır.
  • [FONT:0)Enerji verimli analog işleme:[DFLT:1] Bazı fonksiyonlar (örneğin, dağıtım tazminatı) ADC'den önce fotonik filtreler veya elektronik kazmalar kullanılarak analog alanda yapılabilir, potansiyel olarak DSP güç tüketimini azaltır.

Yeni malzemelere, iki boyutlu yarı iletkenler ve plazmonik modüller gibi, sonunda ultra-kompakt, düşük güç koherent alıcılara olanak sağlayabilir. Şimdilik endüstri, CMOS-kon-konuşsuz PICs'ı PC-64 QAM kullanarak kanal başına 200 Gbaud inşa etmeye odaklanır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Eş zamanlı iletişim sistemleri için optik alıcılar tasarlamak, en az geç olan karmaşık bir mühendislik meydan okumasıdır ve yoğun multi kanal alıcıları, TIAs ve DSP algoritmalarının sınırlarını zorlar. Alıcı yüksek bant genişliğiyle baskı altında tutmalı, her iki yıl boyunca modülasyon formatlarını bastırmalıdır. Tümleşik fotonik teknolojileri maliyetlerin düşürülmesi ve yoğun multi kanal alıcıların kapatılmasına olanak sağlarken, DSP teknikleri kullanılabilir hassasiyet ve erişilebilirlik limitlerini zorlayabilir ve ulaşır.

Daha fazla okuma için temel metinleri tutarlı algılama üzerinde araştırmayı düşünün ([Dönetici:0))): Silikon fotoniklerinde ([Dönetici) ve son gelişmeler ([Dönetici)[Dörtüncü)[Döneticiler[Dönemli)[Dönemli)[Düzüğün [Döneticileri[Düzüğünler[Döneticileri[Düzüğünler)[Döneticileri[Döner).