Чому Вибір довжини хвилі приводів оптичний ресивер продуктивність

У сучасних оптичних мережах зв'язку вибір робочої довжини хвилі є фундаментальним параметром дизайну, який безпосередньо визначає чутливість ресивера, толерантність до шуму та загальний рівень системи. Як трафік з хмарних обчислень, потокового відео та зв'язків центру даних продовжує перезапустити, інженери повинні розуміти, як вибір довжини хвилі впливає на кожен етап прийому сигналів - від фотодетектора квантової ефективності до біт-error-rate (BER) поверхів. Ця стаття досліджує фізичні механізми, що зв'язуються довжини хвилі до ресивера, відгуки стандартних оптичних смуг, і забезпечує дієвий керівництва для системних дизайнерів.

Фізика довжини хвилі – Реабілітаційний зв’язок

Фоторепортажність та ефективність квантових технологій

На серці будь-якого оптичного ресивера є фотодетектором, який перетворює інцидентні фотони в електричний струм. Датчик відчувальну здатність (пампери на ват) є сильною функцією довжини хвилі. Для pin фотодіодів і /avanche photodiodes (APDs)], чуйність оптичного випромінювання підвищується з довжиною хвилі до відрізу, визначеним напівпровідним точним зв'язком, але при цьому характерний піковий сигнал

Темний струм і взуття шуму

Темний струм— струм витоку через фотодіод у відсутності світла— також хвилею-залежності. У більш довгохвильових датчиках (наприклад, ті, призначені для L-діапазону), темний струм, як правило, повинен бути вище через вузькі бандапа матеріали, які можуть деградувати чутливість ресивера. Додатково ударний шум] масштаби з загальним струмом (фото-поточний + темний струм). Вибір довжини хвилі, що балансує високу чутливість з низьким темним струмом, тому критично важливо для досягнення низького прийому.

Стандартні діапазони довжини хвиль та їх вплив на приймачі

Оптичні клітковини, що проводяться в декількох діапазонах хвиль, кожен з різною загартуванням, дисперсією та нелінійними характеристиками. Таблиця нижче підбиває найбільш поширені смуги та їх типовий вплив на продуктивність ресивера.

850 нм (O-Band для мультимоду)

Використовується в першу чергу з вертично-кавітаючою поверхнею-випускання лазерів (VCSELs) в короткочасних багатомодових посиланнях (центрах даних, локальних мереж). У 850 нм втрата волокна становить близько 3 dB / км і модальних обмежень дисперсії досягають близько 300 м. Отримувачі повинні обробляти більш оптичну потужність для компенсування загартування, часто призводять до збільшення термальний шум]. Користь є низькою вартістю компонентів і простотою інтеграції.

1310 нм (O-Band)

Ця довжина хвилі сидить біля нульової точки дисперсії стандартного одномодового волокна (SMF). Під час загартування помірна (≈0.35 dB/км), ресивера переваги від мінімальної хроматичної дисперсії, що зменшує міжсимпбол втручання при помірних частотах даних (до 10 Gbps). Для більш високих швидкостей (100 Gbps і за її межами), ресісія компенсація все ще потрібна. 1310 нм прихильно до середніх реагових метро і мереж доступу, де дисперсійно-чутливі ресивери можуть працювати без зовнішньої компенсації.

1550 нм (C-Band)

Підсилювач ERbium-doped Fiber (EDFA) amplification band робить 1550 нм робочим horse для довгогаульних і підводних систем. Затемнення краплі до ≈0.2 dB / км, що дозволяє оптичним підсилювачам пропускати тисячі кілометрів. Отримувачі 1550 нм мають найнижчий рівень втрати сигналу, що дозволяє дуже високу чутливість (до −30 дБм для когерентних ресиверів). Однак в 1550 нм (≈17 ps / нм·км) повинні бути керовані, як правило, з використанням диспергування волокна або цифрової рівноправності в coband[FLT]

L‐Band (1565–1625 нм)

L‐band розширює вживаний спектр за межами C-діапазону, що дозволяє щільний хвилевід-диверсійний багаторазовий (DWDM) з більшими каналами. Ресивери для L‐діапазону повинні контензувати з більш високою втратою волокна і сильніше four-wave mixing (FWM)] завдяки дисперсійним відмінностям. Спеціалізовані фотодіоди з розширеними шарами поглинання InGaAs використовуються, часто експонують трохи меншу чутливість і більш темний струм. Тим не менш, L‐band є важливим для систем, які вимагають ультрависокої здатності.

Хвиля довжини-депендент шуму Механізми

Підсилювач Spontaneous Emission (ASE) шум

У посилених системах шум ASE від EDFAs накопичується по посилці. Шумовий показник оптичного підсилювача змінюється по спектру набору. Довжина хвиль біля піку EDFA наростання (≈1530–1560 нм) низький рівень шуму, який безпосередньо покращує коефіцієнт оптичного сигналу приймача (OSNR). Вибір каналу в межах плоско-гайнової області підсилювача може зменшити штраф від ASE-індукованих помилок.

Нелінійні порушення

Вибір довжини хвилі впливає на нелінійні ефекти, такі як , самофазні модуляції (SPM), ] / поперечно-фазний модуляція (XPM)], і FWM]]. У системах DWDM, канали, що продемонстровані біля довжини хвилі нульового розсіювання (≈1310 нм) страждають більше від FWM, тоді як більша довжина хвилі (C‐band) мають досить високу локальну дисперсія для пригнічення FWлокації, нелінія, що нелінія, що нелінія, що використовує цифровий баланс (D

Практичні торгово-оффи в вибір довжини хвилі хвиль

Концентрати швидкості та пропускної здатності даних

Для високих частот символу (≥56 ГБ), пропускна здатність ресивера 3 dB повинна бути достатньою для захоплення сигналу без спотворень. На більш тривалих довжинах хвиль, запобіжник фотодіоду може бути нижчим (до того, щоб збільшити ширину відписів), збільшення ліміту смуги пропускної здатності. Однак час транзиту фотогенераторів також збільшується з глибина поглинання. Державний-арт одно-турні-перехідні-кар'єри (UTC) фотодіоди] досягти >100 Ггц пропускною спроможністю по C‐ і L‐дібами, але вимагають точного епітаксичного дизайну для кожного.

Когерентний проти прямого виявлення

] ресивери, вибір довжини хвилі впливає на локальний коливач (LO) лазерний фазовий шум і вирівнювання поляризації. Довжина хвилі LO повинна відповідати сигналу протягом декількох сотень МГц, що стає важче, коли довжина сигналу дрифти. Розширені алгоритми оцінки цифрової фази можуть перенести більше довжини хвилі неправильного, але системний запас все ще деградується, якщо довжина хвилі блукає за межі діапазону тюнінгу LO. Для прямого керма приймачів (наприклад, OOK для PONs), вимоги до стійкості хвиль є більш низькими, але обмеження від хроматичної дисперсіяності 15

Доступність та доступність компонентів

Стандартизація на однохвильовій смугі спрощує інвентаризацію, але може змусити субоптимічну продуктивність. Наприклад, за допомогою 1550 нм в короткочасних посиланнях центру даних є дорогою через необхідність охолодження лазерних діодів і EDFAs. Зовні, за допомогою 850 нм для довгого ремонту неможливо через високу втрату. Системні дизайнери повинні зважати вартість хвильових джерел, детекторів і підсилювачів проти продуктивності.

Розширення висоти хвилі Палет: S‐Band, U‐Band, і за межами

Поточні дослідження досліджують S‐band (1460–1530 нм) і U‐band (1625–1675 нм) для розблокування додаткових потужностей. Для ресиверів ці смуги представляють проблеми: фотодіоди часто мають меншу чутливість (до того, щоб поглинання-шарові обмеження), а темний струм може стати порядок більшої величини. Так з розвитком гібридні фотодетектори (наприклад, інтеграція SiGe і InGaAs) і розширені шуморозривні ланцюги, ці смуги можуть незабаром бути придатними для ультра-розширювальні системи

Висновки: Практичні рекомендації для оптимізації довжини хвиль

Вибір оптимальної довжини хвилі для оптичного ресивера далеко від одностороннього рішення. Наступний контрольний список може допомогти системам архітекторів зробити поінформовані торгові марки:

  • Для короткого ‐reach (<1 km): Використовуйте 850 нм з низькою вартістю VCSELs і шпильками фотодіодів. Тримайте отримувати потужність, щоб подолати тепловий шум.
  • Для середнього ‐reach (1–40 км): 1310 нм пропонує низьку дисперсію та відмінну чутливість без дисперсії. Прямі приймачі виявлення прості та економічно ефективні.
  • Для довгого ‐haul (>100 км): 1550 нм (C‐band) з EDFA-приріст і когерентним виявленням забезпечує найвищу чутливість і досягне. Використовуйте компенсацію дисперсії або DSP для управління хроматичним дисперсією.
  • Для надвисокої ємності: Розширення] до L‐band і в кінцевому підсумку S‐band. Моніторинг ресивера темно-точна і ASE шумові штрафи. Розглянемо використання APD для підвищення чутливості до до довжини хвиль.

Вибухобезпечний ріст 5G, інтернет речей, штучний інтелект вимагає навіть більш високих показників даних. В результаті вибір довжини хвилі буде залишатися кутовим елементом оптичного приймача, який заслуговує на ретельне вивчення та оптимізації на рівні. Інженери, які опанують між довжиною хвилі, шумом ресивера та нелінійними порушеннями, будуть добре обладнані для побудови міцних, високоефективних мереж на наступний декап.

Попередня посилання