光学信号再生系统是长波高速通信网络的支柱,它们恢复了光学脉冲的质量,这些脉冲已经因纤维传输而减弱和扭曲。每个再生器的核心是光学接收器,这个组件必须非常精确地探测、转换和清洁即将到来的光。 本文审查了光学接收器在信号再生中的作用,探索了它们的关键组件和性能指标,并研究了正在推动数据传输极限的新兴技术。

什么是光学接收器?

光学接收器是一种将调制光脉冲转换成相应的电信号的光电子设备,它是光纤之后的第一个电子阶段,必须按进场数据流的速度运行。典型的接收器包括一个的光电极[,一个变压放大器(TIA),限制放大器,时钟和数据回收电路,并经常是决定电路。光探测器——通常是PIN光电极或华氏光电极(APD)——生成一个与事件光电成比例的光电流。从那里,TIA将这个电流转换成一个足够大,供进一步处理的电压信号。

接收器的首要任务是准确解释光脉冲编码的信息。 在现代数字系统中,这意味着要区分逻辑“0”和“1”的级别,尽管在长时间的纤维间会不断累积着噪音、分散和衰减。 没有设计得当的接收器,即使是最复杂的调制格式也无法维持无误的通信。

光学接收器在信号再生中的作用

在3R(再安放、再安放、再安放)再生系统中,光学接收器执行前两个步骤,进入的光学信号——已经很弱,可能扭曲——被转换为电域,在那里,它被放大到标准的电压级(再安放),并通过一个过滤和决定电路,去除噪音,重塑波形(再安放)。最后,一个钟式回收电路提取计时信息,使再安放器能够输出一个干净、同步的脉冲列车。

探测和转换

光探测器必须有足够的带宽和回旋力来捕捉原始的调制率。对于高速系统(例如100 Gbps或400 Gbps),带宽超过50 GHz的PIN光电极是常见的。转换效率直接影响到接收器的敏感性——实现目标位的比特率(BER)所需的最小光学功率。

噪声过滤和放大

转换后,电信号包含放大器发出的热噪声、探测器发出的射噪声以及纤维产生的余干扰噪声。 调制频率的带宽滤波器可以消除调制频率的调制噪音。放大器在尽可能少增加噪音的同时,可以增强信号;TIA的噪声数字是一个关键参数,限制了整体敏感性。

裁决巡回和时间恢复

判断电路将过滤信号与阈值电压进行比较。 一个很好的“恢复”钟表确保了取样在最佳瞬间-眼图最宽的开口时发生。 时间紧张必须最小化,因为过度的焦躁会导致位差错误,特别是在密集的波长“分裂多路”系统中,多路通道被紧密地组合在一起。

光学接收器的关键部件

光学检测器

光探测器将进取的光子转换成电子的-孔对。 PIN光二极管提供高速和线性但内部收益不大。 Avalanche光二极管(APD)提供内乘增益,提高敏感度,最高可达10-15 dB,但需要更高的偏移电压和更高的噪音。对于连贯的探测系统,平衡光二极管用于取消常见的-mode噪声。

跨度放大仪(TIA)

TIA是光二极管之后的第一个放大器阶段,它将光电流(通常为几个微幅的)转换成低噪量和高带宽的电压(百米伏特). 现代TIA经常包括自动增益控制,处理不同的输入电位而不饱和.

限制放大和过滤

限制放大器将信号饱和度限制为固定振幅, 消除可能混淆决定电路的振幅变异。 被动或主动滤波器会塑造信号频谱, 并拒绝带外的噪音。 一些接收器会集成一个 [[FLT: 0]] 低调的贝塞尔滤波器 [[[FLT: 1]] 来保持脉冲形状, 同时减少高频噪音 。

时钟和数据恢复(CDR)电路

CDR 从数据流中提取一个计时钟并同步采样瞬间。 对于不返回的“ =======================================================================================================================================================================================================================================

用于再生光学接收器的性能计量

设计者使用若干直接影响到再生质量的关键参数对光学接收器进行评价:

  • 敏度: 实现BER 10−12(或更低)所需的最小平均光学功率,更高的敏度允许再生器之间的长度更长.
  • Bandwidth:必须足以通过数据速率的基本频率元件(例如,NRZ的>0.7×比特速率). 带宽不足会导致间节干扰(ISI).
  • 动态范围: 接收器维持线性操作的输入光学功率范围,一个宽的动态范围可以防止短距离饱和,并确保长距离时有足够的敏感性.
  • 噪声图:[ 被TIA所标注,噪声图增加了总噪声,低噪声图提高了灵敏度.
  • 聚变依赖性: 在连贯的系统中,接收者必须处理任意的极化状态. 极化多样性接收者分裂并处理两种极化.

分散和非线性的影响

色谱散射和非线性克尔效应扭曲脉冲. 虽然光学再生往往包括散射补偿,但电机接收器也可以使用均匀滤波器进行电子散射补偿. EDC扩展了直接的 ⁇ 探测系统的覆盖范围,而无需额外的光学硬件.

用于再生的光学接收器类型

直接检测接收器

这些是最简单的,只探测光学信号的强度,通常用于传统2.5Gbps和10Gbps系统以及被动光学网络(PON)中。 对于更高的光学率,直接探测会受到色谱分散的影响,并依赖于EDC或分散-补偿纤维。

协同接收者

协同接收器将收到的信号与局部振荡器激光混合,从而能够回收相位和振幅,从而可以提高光谱效率,并支持16QAM和64XAM等调制格式. 协同检测与数字信号处理(DSP)结合,可以补偿色谱和极化的Xmode散射,而无需光学组件. 现代的一致接收器对于海底电缆和100Gbps及以上长Xhaul地面连接至关重要.

集成光子接收器

硅光子和 ⁇ 磷化(InP)平台将光检测器,调制器,甚至DSP电路整合在一个单一芯片上。这些集成的接收器在提高可靠性的同时降低功耗和足迹。它们是数据中心互联和地铁网络的关键增强器。

光学接收器设计中用于再生的挑战

  • 热噪声对Shot噪声: 在低输入功率下,来自TIA的热噪声占据主导地位,限制了灵敏度. APD帮助但引入了多余的噪声. 高级接收器设计使用后加噪声的加成法.
  • Bandwidth 限制: 随着数据率逐波攀升超过800Gbps,离散组件会挣扎着既保持高带宽又保持低噪声. Photonic electronic co dign.
  • Jitter和Timing: Jitter通过再生器积累。 每个接收者的CDR必须具有低度的内在焦虑和高耐受性。 连接接收器中LO的相位噪声是另一个挑战。
  • 电源消耗:[]高速接收器和DSP芯片可以消耗数十瓦. 能源效率对于数据中心网络的缩放至关重要.

光学接收技术的未来趋势

适应性平等机器学习

基于DSP的接收器开始采用适应不断变化的实时纤维条件的机器学习算法。 神经网络可以优化决定阈值和均衡器水龙头,在非线性扭曲下,将BER提高若干个数量级。

与 Nyquist 子承运人的一致

为了提高光谱效率,未来的再生者将使用Nyquist ⁇ pulsed子载体与高序QAM结合。 接收者将需要更高的线性性和更快的模拟 ⁇ 数字转换器来处理密集星座。

微分光电转换器

新的包装技术允许将微小的光二极管直接打印在硅化石上,减少寄生电容,提高超过100GHz的带宽,这可以使1.6Tbps通道成为可能.

电子监督的全功能再生

一些研究指出,简单的光学门进行粗重再生,电子接收器处理精细的重塑和刺激。 这可以降低功耗,同时保持超长的“高”连接的性能。

结论

光学接收器远非被动转换元件;它们是确定信号再生系统性能的主动、智能决策组件。从低微的PIN光电二极管到具有实时DSP的精密的整齐接收器,每个部分都必须优化速度、噪音和功率。随着网络向微振速率和超速率的推移,光学接收器仍将是创新的焦点。理解其作用和局限性对于设计或操作现代光学通信基础设施的人来说至关重要。

进一步阅读时,参考IEEE 802.3 以太网标准[ 接收器性能要求,以及 Fiber Optic Association[实用部署指南.