Роль оптичних регенераторів в оптичних системах регенерації сигналів

Оптичні системи регенерації сигналів утворюють задній частині довгого процесу, швидкісних мереж зв'язку. Вони відновлюють якість оптичних імпульсів, які були загартовані і спотворені волоконною трансмісією. На самому серці кожного регенератора лежить оптичний ресивер— компонент, який повинен виявити, конвертувати і очистити вхідне світло з екстремальною точністю. Ця стаття вивчає роль оптичних ресиверів в регенерації сигналу, досліджує свої ключові компоненти і показники продуктивності, і виглядає на з'являються технології, які просушують межі передачі даних.

Що таке оптичний ресивер?

Оптичний ресивер - це оптоелектронний пристрій, який перетворює модульні світлові імпульси в відповідну електричну сигнал. Це перша електронна стадія після оптичного волокна і повинна працювати на швидкості вхідного потоку даних. Типовий ресивер складається з photodetector], підсилювача трансимпедансу (TIA), обмеження підсилювачів, годинника і схеми відновлення даних, і часто схема прийняття. Фотодетектор—зазвичай фотодіод PIN або avalanche photodiode (APD)—генерує фотопоточний пропорційний припадковій оптичній потужності. З цього сигналу перетворює на точну трансмісію.

Основною роботою ресивера є інтерпретація інформації, що зашифрована в імпульсах світла. У сучасних цифрових системах це означає розрізнення логіки «0» і «1» рівнів незважаючи на шум, дисперсія і загартування, що накопичуються над тривалими волокнистими променями. Без правильно розробленого ресивера, навіть найтонші формати модуляції не можуть підтримувати помилки без проблем.

Роль оптичних ресиверів у регенерації сигналу

У 3R (Re‐amplification, Re‐shaping, Re‐timing) регенерація системи, оптичний ресивер виконує перші два кроки. Інкомітивний оптичний сигнал — добре слабкий і можливо спотворений— перетворюється на електричний домен. Там, це посилюється на стандартний рівень напруги (реанімація) і пропускають через фільтр і схема прийняття рішень, що знімають шум і переочищають хвилеподібну форму (re‐shaping). Нарешті, схема відновлення годинника витягує часову інформацію, що дозволяє регенератору для виведення чистого, синхронізованого імпульсного поїзда.

Виявлення та перетворення

Фотодетектор повинен мати достатню пропускну здатність і чуйність для захоплення початкової швидкості модуляції. Для швидкісних систем (наприклад, 100 Гбіт/с або 400 Гбіт/с), PIN-фотодіодів з пропускною здатністю, що перевищує 50 Ггц. Ефективність перетворення безпосередньо впливає на чутливість ресивера - мінімальна оптична потужність, яка необхідна для досягнення цільового співвідношення бітоморів (БЕРЕГ).

Нойс фільтрування та посилення

Після перетворення електричний сигнал містить тепловий шум від підсилювача, ударний шум від детектора, і залишковий міжферометричний шум з волокна. Фільтр смугаду, що налаштовується на частоту модуляції, видаляє зовнішній шум. підсилювач підвищує сигнал, додаючи якомога менше шуму; шумний показник TIA є критичним параметром, який обмежує загальну чутливість.

Відновлення схеми та часу

Схема рішення порівнює відфільтрований сигнал проти пороги напруги. Добре розкрита годинник забезпечує, що вибір відбувається при оптимальному миттєвому — широкому відкритті очної діаграми. Підірваючий Джіттер повинен бути зведений, так як надмірна Джиттер призводить до помилок, особливо в щільних довжинах хвиль, що використовуються в декількох системах, де багато каналів щільно запакуються разом.

Основні компоненти оптичного ресивера

Фоторепортаж

Фотодетектор перетворює вхідні фотонапівні в електронні луночкові пари. PIN фотодіоди] пропонують високу швидкість і лінійність, але скромний внутрішній приріст. Avalanche photodiodes (APDs)] забезпечують внутрішній багатозастосувань, підвищуючи чутливість до 10–15 дБ, але вимагають більш високих напруг і мають більш високий рівень шуму. Для когерентних систем виявлення використовуються збалансовані фотодіоди для скасування загального шуму.

Підсилювачі передачі даних (TIA)

TIA є першим етапом підсилювача після фотодіоду. Він перетворює фотострум (типово кілька мікромапів) напругу (помилки міліелектриків) з низьким шумом і високою пропускною здатністю. Сучасні TIAs часто включають автоматичний контроль за збільшенням потужності, що керують різними рівнями вводу без насичення.

Обмеження підсилювача та фільтра

Обмеження підсилювача насичено відкидає сигнал до фіксованої амплітуди, знімаючи амплітуди варіації, які можуть заплутати схему прийняття. Пасивні або активні фільтри утворюють спектр сигналів і відхиляють відключення шуму. Деякі ресивери інтегрують , що понизить Bessel filter для збереження імпульсної форми при зменшенні високочастотного шуму.

Функція автоматичного відновлення даних (CDR)

CDR витягує годинник від потоку даних і вирівнює вибір миттєвого. Для нетернатурних ‐to‐zero (NRZ) формати, фазоблокована петля (PLL) замки на переходи в даних. Для розширеної модуляції, як PAM‐4 або QPSK, потрібні більш складні алгоритми відновлення часу.

Випробувано в регенерації метричних ресиверів

Дизайнери оцінюють оптичні ресивери за допомогою декількох ключових параметрів, які безпосередньо впливають на якість регенерації:

Вплив дисперсія та нелінійності

Хроматична дисперсія і нелінійна система керування ефектами кривих імпульсів. Хоча оптична регенерація часто включає компенсацію дисперсії, електроприймач також може виконувати , електронічні компенсаційні компенсації (EDC)] з використанням термофільтрів. EDC розширює досягнення систем прямого виявлення без додаткового оптичного обладнання.

Види оптичних ресиверів, які використовуються в регенерації

Прямі приймачі виявлення

Це найпростіше, виявлення тільки інтенсивності оптичного сигналу. Вони зазвичай використовуються в системі Legacy 2.5 Gbps і 10 Gbps і в пасивних оптичних мережах (PON). Для більш високих показників, прямий виявлення страждає від хроматичної дисперсія і спирається на EDC або дисперсійно-компенсуючу клітковину.

Когерентні ресивери

Когерентні ресивери змішують вхідний сигнал з локальним коливальником (LO) лазером, що дозволяє відновити фазу і амплітуду. Це дозволяє більш високу спектральну ефективність і підтримує модуляційні формати, такі як 16‐QAM і 64‐QAM. Когерентне виявлення поєднується з цифровою обробкою сигналів (DSP) може компенсувати хроматичну і поляризацію, що є дисперсією без оптичних компонентів. Сучасні когерентні ресивери є важливими для підводних кабелів і довгогаулових наземних посилань на 100 Gbps і за її межами.

Вбудовані фотонічні ресивери

Силіконові фотоніки та індію фосфатиди (InP) інтегрують фотодетектори, модулятори та навіть DSP-елементи на один чіп. Ці інтегровані ресивери зменшують споживання електроенергії та відбитки ніг при поліпшенні надійності. Вони є ключовими увімкненнями для центрів обробки даних, що з'єднуються та метро.

Виклики в оптичному ресивера Дизайн для регенерації

Майбутні тренди в оптичних ресиверів технологія

Машинне навчання для адаптивної рівноваги

DSP-на основі ресиверів починають включати алгоритми розкладання машин, які адаптуються до зміни умов волокна в режимі реального часу. Неуралні мережі можуть оптимізувати поріг прийняття та рівнюючі крани, покращуючи БЕР кількома замовленнями величини при нелінійному спотворенні.

Когерент з Nyquist Subcarriers

Для підвищення спектральної ефективності, майбутні регенератори будуть використовувати Nyquist-помпульовані підкар'єри, що поєднуються з високою роздільною здатністю QAM. Отримувачам необхідно більш високу лінійність і більш швидке аналогове ‐to‐digital перетворювачі (ADCs) для обробки щільних сузір'я.

Мікро-трансфер-приклади Фотодіоди

Нові методи упаковки дозволяють крихітним фотодіодам друкувати безпосередньо на силіконових ПДП, зменшуючи параситичну ємність і покращуючи пропускну здатність за 100 ГГц. Це може включати 1.6 Tbps канали.

Всеоптична регенерація з електронним переходом

Деякі дослідницькі точки для гібридних схем, де прості оптичні ворота виконують регенерацію грубого грубого, а електронні ресивери ручать дрібнозернований решетування і перезавантаження. Це може знизити споживання електроенергії при підтримці продуктивності для ультра-long‐haul посилань.

Висновок

Оптичні ресивери далеко від пасивних елементів перетворення; вони активні, інтелектуальні компоненти прийняття рішень, які визначають продуктивність систем регенерації сигналів. З джмелі PIN фотодіоду до витонченого когерентного ресивера з реальним DSP, кожна частина повинна бути оптимізована для швидкості, шуму та живлення. Як мережі штовхають до terabit‐per‐других ставок та за її межами оптичний ресивер залишатися фокусною точкою інновацій. Розуміння його ролі та обмеження є важливим для будь-якого дизайну або експлуатації сучасної оптичної інфраструктури зв'язку.

Для подальшого читання зверніться до EEE 802.3 Ethernet-стандарти для вимог ресивера, а Fiber Optic Association для практичних інструкцій розгортання.