Signal Modulation Formats on Optical Alıcı Design Choices

Optik iletişim sistemleri küresel veri taşımacılığının arka kemiği haline geldi, her şeyi yüksek frekanslı ticaret verilerinin taşınması için internet trafiğinden taşıyor.Bu sistemlerin kalbinde kritik bir tasarım kararı yatıyor: sinyal modulation formatı seçimi.Bu seçim izolasyonda mevcut değildir; doğrudan mimari, karmaşıklık, maliyet ve alıcının performansı, bilgi paylaşımının nasıl kodlanmış olduğunu ve alıcı tasarımı için gerekli koşulları sırayla ayarlar.

Optik İletişimde Temel Modülasyon Biçimleri

Modulation formatları optik sinyal versquo'ya nasıl veri kodladıkları ile geniş bir şekilde kategorize edilebilir; amplitüd, faz veya her ikisi de. doğru seçim, ⁇ verimliliği (bits per second per Hertz), optik sinyal-to-noise oranı (OSNR) gereksinimlerine tolerans, fiber bozulmalara ve alıcıya toleransa bağlıdır.

On-Off Keying (OOK)

OOK, mantıksal veldquo'yı temsil eden en basit optik modülasyon formatıdır;1” ışık mevcut ve mantıksal veldquo;0” doğrudan algılama için kullanılan.Gerekli ve düşük maliyetle, OOK sınırlı spektral verimliliği (~0.8/s/Hz) ve daha yüksek bir USB (DML) için dışsal bir tolerans gerektirir, Ompedans için bir fotodiode.

Diferansiyel Faz Geçiş Anahtarlama (DPSK)

DPSK, ardışık semboller arasındaki faz farkıyla ilgili verileri şifreliyor. A “0” aynı zamanda herhangi bir aşamada değişiklik olmadığı ve bir “1” faz değişiklikleri }} (veya geri dönme) tarafından yapılan değişiklikler, alıcı duyarlılığında 3 dB'ye aynı şekilde yükseltilmeli, çünkü karar, mutlak amplitüdülsüzlük için daha yüksek çözünürlükte artışlara dayanıyor. DPSK alıcıları, gecikmeli bir geçici interferometre (DLI) ile ilgili olarak, faz değişikliklerinin doğrulanması için bir artış sağlar.

Quadrature Faz Shift Keying (QPSK) ve Polarizasyon Multixed QPSK (PDM-QPSK)

QPSK, dört faz eyaletlerini kullanarak sembolün iki parçasını (180, 90°, 180°, 2 °) kendi başına QPSK, 2 b /s /Hz'nin verimli bir şekilde verimli hale getirir ve 100 Gb / uzun süredir tek yönlü sistemlerle geldi.

Quadrature Amplality Modulation (QAM)

QAM hem amplitüd hem de fazda veri kullanıyor. 16QAM, her bir I ve Q'de 4 bitim ve QAM ile aynı anda 4 b /s /Hz ve 6 b /s /Hz ve 6 b /s /Hz'yi tek kutuplaşma için iletiyor, bu sayının 8 b / s / 10'u daha iyi bir şekilde tamamlayabilir (QAM)

Modulation Formats Karşılaştırma

Aşağıdaki tablo (konceptual) ortak formatlarda anahtar ticaretlerini özetliyor:

  • [FONT:0)OOK: [Dönetici: [Dönetici: 0.0 b /s /Hz), en düşük karmaşıklık, doğrudan algılama, zayıf dağıtım toleransı.
  • [FONTSK: [DFLT:1] Spectral verimlilik -1 b /s /Hz, orta karmaşık karmaşıklık (DLI + dengeli PD), 3 dB duyarlılığı OOK'un üzerinde daha iyi nonlinear tolerans kazanır.
  • [FONT:0]QPSK (single pol.): [Dönetici: 2) 2 b/s/Hz, eşan algılama gerekli, uzun süre iyi OSNR toleransı.
  • [FONTM-QPSK: [Dönetici: 4 b /s /Hz, 100G için standart, DSP ile tam eş alıcı gerektirir.
  • [FONTM-16QAM: [Dönetici: 8 b / s /Hz, 200 / 400G için kullanılan daha yüksek OSNR, daha karmaşık DSP, daha yüksek ADC kararı gerektirir.
  • [FONTM-64QAM: [Dönetici: 0,2|D) 12 b /s /Hz, güçlü DSP ile kısa erişim ve metro uygulamaları için ve ileri hata düzeltmesi, dar hat üstü lazerler.

Modulation Choice Drives Alıcı Mimarisi Nasıl Alılır

Alıcı mimarisi iki geniş aileye ayrılabilir: doğrudan algılama ve tutarlı algılama. modulation format hangi ailenin mümkün olduğunu ve bunun içinde, gerekli olan belirli alt sorumluluklar.

Doğrudan algılama Alıcıları

Doğrudan algılama alıcıları en basit ve en ucuzdur. Bir fotodiode (PIN veya avalanche fotodiode, APD) ile eş zamanlı olarak optik güç doğrudan bir fotoğrafta tespit edilen bir sinyal için iyi çalışır ve ayrıca, Emel Dağılımsal bir dağıtım ve kutuplaşma zincirinin genellikle bir TIA'yı, sınırlı bir amplifikatörü ve CDR'yi içerir.

Doğrudan algılamada fotodector Choices

PIN fotodiodes düşük maliyet, yüksek lineerlik ve geniş bant sunar, ancak sınırlı hassasiyet. APDs, 5-10 dB tarafından daha yüksek gürültü pahasına (aşırı gürültü faktörü) ve daha düşük bant genişliğine göre daha fazla hassasiyet sağlar. 100 Gb /s OOK için, APDs genellikle ulaşmak için kullanılır.

Coherent Tespit Alıcıları

Coherent algılama optik sinyalin tam elektrik alanını geri döndürür - amplitüd, faz ve kutuplaşma - gelen sinyali yerel osilatör lazer ile karıştırarak. Bu, faz ve amplifikasyon formatlarının kullanımını sağlar (QPSK, QAM, vb.) ve fiber bozulmaların dijital tazminatını sağlar.

  • [FONT=0)Local Oscillator (LO): [Dönder: 1) Kombine karıştıran bir referans sinyali veren dar satır üstü lazer.The LO frekansı genellikle birkaç yüzölçücü içindedir.
  • [FONT=0)90 ° Optik Hybrid:[Dönetici:[Dönder:) Gelen sinyali ve LO'yi 0°, 90°, 180° ve 20.5'in faz farklarıyla dört optik alana ayıran pasif bir cihaz, her iki kutuplulaştırma için I ve Q bileşenleri etkili bir şekilde çıkarın.
  • [FONT:0)Balanced Photodetectors:[DD 1] Dört Dengeli PD çift (Pozisyonlu alıcıda toplam sekiz fotoğraf) hibritin optik çıktılarını elektrik sinyallerine dönüştürür. Dengeli algılama, LO'dan ortak mod yoğunluk gürültüyü iptal eder ve alıcı duyarlılığı artırır.
  • [FOC'ler: [FONT:0)Analog-to Digital-Gbaud sinyalleri (ADC'ler): [Döneticileri: [Döneticileri: xI, XQ, YI, YQ) yüksek hızlı ADCs tarafından örneklenmiştir. 64-Gbaud sinyalleri (400G/800G) için, ADC'ler 90 GSa / 6-8 bit kararı ile örnek olmalıdır.
  • [FONT=0) Dijital Sinyal Süreç veya (DSP): Bir ASIC veya FPGA, kronolojik dağıtım tazminatını gerçekleştiren, PMD tazminat, frekans dengelemesi, taşıyıcı aşaması kurtarma, sembolü algılama ve ileri hata düzeltmesi.

DSP Fonksiyonlları Modulation Format tarafından Sürücü

Modulation format, DSP'nin sofistikasyonuna dikilir. QPSK için, DSP, taşıyıcı kurtarma için basit bir karar yönlendirme aşamasına sahip fazı ayarlı döngüler kullanabilir.For 16-QAM, daha sık iki aşamalı taşıyıcı kurtarma (CMA) gibi daha sağlam kör algoritmaları içerir.

Performans TicaretiOffs and Design Thinkations

modulation ve alıcı mimarisinin doğru kombinasyonunu seçmek, çeşitli rekabet faktörlerini dengelemek için gereklidir:

Hassasiyet vs. Kompleksity

OOK'dan DPSK'ya taşınmak, gecikme Interferometre ve dengeli bir algılama pahasına 3 dB tarafından duyarlılığı artırmakta ve daha fazla sayıda OSNR'nin gerektirdiği gibi, daha pahalı optik yükselteçler ve alıcılara da kolaylık sağlayabilir.

Spectral Verimlilik vs. OSNR Hoşgörü

Spectral verimlilik, yüksek performanslı yükselteçlerin maliyetinin 12 b/s/Hz'yi daha yüksek kapasiteye karşı daha yüksek bir FEC (yaklaşık% 6 FEC $) ile karşılaştırılır.

Güç Tüketimi

Coherent alıcılar ve DSP'nin desteklerini önemli bir güç haline getiriyorlar. 400G koherent takılabilir modül (CFP2-DCO gibi) 12-20 W, DSP hesaplarını% 60-70 için tercih edilebilir (ADC kararı ve örnek oranı büyük katkıda bulunuyor; daha yüksek sipariş QAM artık daha yüksek ENOB ve dolayısıyla daha fazla silikon alan ve güç merkezi bağlantılarında güç bütçeleri olgunlaşır.

Maliyet ve Entegrasyon

Doğrudan algılama alıcıları tek bir çipte entegre edilebilir (PD+TIA). Coherent alıcılar birden fazla optik bileşen (LO lazer, hibrit, dört dengeli PDs), genellikle bir eşanlı alıcının optik altlarında (C-ROSA) kullanılabilir.

SonrakiGeneration Systems için Gelişmiş Modulation Formats for Next-Generation Systems

Daha yüksek veri oranları için sürekli talep, alıcı tasarımının sınırlarını zorlayan gelişmiş modulation formatlarının gelişimini teşvik etti.

100G / 200G-PSK için PDMQPSK

PDMQPSK uzun süredir işhors kalıyor 100G taşımacılığı. Gürültü ve doğrusal olmayanlıkların, olgun eş alıcı teknoloji ile birlikte, 200G için güvenli bir seçim yapın, PDM-16QAM yaygın, baud oranını (32 Gbaud vs 64 Gbaud) korumak için.

Probabilistic Constellation Shaping (devasyon)

PCS, takımyıldızların dağılımını Gaussian dağıtımını şekillendiren, doğrusal olmayan tolerans ve OSNR marjını belirli bir veri oranı için 0,5-1 dB'yi gerektiren bir tekniktir. PCS-64QAM 400G /800G denizaltı kabloları ile dağıtılır.

YüksekOrder QAM for Short-Reach Interconnects

Veri merkezi interconnects (DCI) ve metro ağları, gürültü ve döngüyü yönetmek için yeterince kısadır. 64-QAM ve hatta 256-QAM, 1.6 Tb /s ve ötesinde araştırmalıdır. Bu formatlar aşırı lineer olmayanlar ve alıcılara talep eder ve düşük maliyetli DSP'ler gürültü ve döngüleri yönetebilmeleri için yeterlidir.

Optik Alıcı Tasarımlarında Pratik Değerlendirmeler

Teorik bağlantı bütçesinin ötesinde, gerçek dünya alıcı tasarımı birçok mühendislik uzlaşmasını içerir.

Photodetector Technologies

Doğrudan algılama için, hem PIN hem de APD fotodiodes mevcuttur. APDs daha yüksek hassasiyet sağlar ancak sınırlı bant genişliği (tipik velt;30 GHz) ve aşırı gürültüyü azaltmak için.Evresiz algılama için, fotodiodes yüksek bant genişliği ile lineer bir rejimde çalışmalıdır (> 64 Gbaud için 40 GHz).

ADC Gereksinimler

ADC kritik bir şişenck. 64 Gbaud PDM-16QAM için, ADC, 80-90 GSa /s'i en az 5.5 en iyi şekilde en iyi şekilde şarj eden, ADC'ler için güç dağılımı kanal başına 1-2 W.

DSP ASIC vs. FPGA

Erken koherent prototipleri FPGA'lar kullanılırken, üretim sistemleri, Gb /s için sipariş edilen özel DSP ASIC'leri kullanır, DSP algoritmaları da dahil olmak üzere, zaman kurtarma, taşıyıcı kurtarma ve FEC - genellikle belirli bir modülasyon formatı için sabitlenir.

Çevre Robustness

Coherent alıcılar, LO lazer ve hibrid için istikrarlı sıcaklık kontrolü gerektirir. Açık veya uzaktan dağıtımlarda, termal yönetim önemli bir tasarım meydan okumasıdır. Doğrudan algılama alıcıları sıcaklık varyasyonları için daha sağlamdır, onları dış bitki uygulamaları için cazip hale getirir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Signal modulation formatının seçimi, DPSK ve son derece uyumlu QPSK /QAM gibi en etkili faktördür, 100G (PDM-16-QAM) ile yüksek çözünürlükte bir şekilde yapılanma ve hızlayıcısı ile yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan bir şekilde yapılır.

Daha fazla okuma için, bkz.FLT:0)Wikipedia on Quadrature Amplitude Modulation), [[Düzücük Alıcı) ve [[Phase-Shift Keying).