为什么波长选择驱动光学接收器性能

在现代光学通信网络中,操作波长的选择是一个直接决定接收器敏感度,噪声耐受度,以及整体系统覆盖度的基本设计参数。 随着云计算、流线视频和数据中心互联的流量持续激增,工程师必须了解波长选择如何影响信号接收的每个阶段——从光检测器量子效率到比特-超速(BER)底层。 本条探讨了将波长与接收器性能联系起来的物理机制,审查了标准光学波段,并为系统设计者提供了可操作的指导。

波长物理 - 接收器相互作用

光检测器反应和量子效率

任何光学接收器的核心都是将事件光子转换成电流的光探测器。探测器的 负电 (每瓦的样本)是波长的强函数。对于 平线光二极管[和 avalanche光二极管(APDs),负电率随波长的增大而上升,达到半导体波段确定的截流。例如,典型的InGAs光二极极管的负电率接近1550nm(X0.9 A/W),但急剧下降,超过1650nm。使用峰电负电的波长,使接收信号电流最大化,提高信号对噪声比(SNR)。

暗流和镜头噪声

暗电流——在无光的情况下流经光二极管的渗漏流——也是波长依赖性的。在较长波长的探测器(例如为L波段设计的探测器)中,暗电流往往较高,因为带宽材料较窄,可降低接收器的敏感性。此外,射出电流 大小,电流总(光流+暗电流]。因此,选择一个波长,平衡高负载电力和低暗电流的波长,对于实现低噪声接收至关重要。

标准波长波段及其对接收器计量的影响

光纤通信被组织成若干波长波段,每个波段具有明显的衰减、分散和非线性特征。 下表总结了最常见的波段及其对接收器性能的典型影响。

850纳米(O-Band for Multime)

光学效应主要与垂直-碳表面射射射激光(VCSELs)在短距离多模态链路(数据中心,局域网)中使用. 850nm,纤维损失约为3 dB/km,模式散射限达约300 m. 接收者必须处理更高的光学功率以补偿衰减,往往导致增加热噪声[ 支配,好处是组件成本低,集成方便.

1310纳米(O-Band)

这种波长位于标准单模纤维(SMF)的零散点附近。 衰减是中度的(%0.35 dB/km), 接收器则从最小的色谱分散中获益, 从而在中度数据速率下( 最多 10 Gbps) 减少间节干扰。 对于更高的速度( 100 Gbps 及以上) , 分散补偿仍然需要。 1310 nm 适用于中程地铁和接入网络, 分散敏感接收器可以在没有外部补偿的情况下运行。

1550纳米(C-Band)

双导纤维放大器(EDFA)放大波段使长波和潜艇系统的工作马达到1550纳米。加速波降至0.2 dB/km,使光学放大器能够跨数千公里。接收器在1550纳米时的信号损失最小,允许非常高的敏感度(降低至-30 dBm,用于一致接收器)。然而,在1550纳米时[]色谱散[],通常在连贯的收发器中使用散射补偿纤维或数字均分化。接收器的波段宽,可以充分利用信号不受纤维衰减的限制。

银行(1565-1625 nm)

LQ波段将可用频谱扩展至CQ波段以外,允许高密度波长分化多路交流(DWDM),并增加信道。LQ波段的接收者必须面对因分散差异而导致的更高纤维损失和更强的 四波混合(FWM]]。使用具有扩展的InGaAs吸收层的专门光电极,往往表现出略低的应力和较高的暗流。 尽管如此,LX波段对于要求超高容量的系统来说至关重要。

波长- 依赖性噪声机制

增压自发排放(ASE)

在放大系统中,来自EDFAs的ASE噪声沿着链接积累. 光学放大器的噪声数字在增益谱中有所不同. 靠近EDFA增益峰值(QQ1530–1560 nm)的波长经历较低的噪声数字,这直接改善了接收器的光学信号对噪声比(OSNR). 选择放大器平价区域内的通道可以减少ASE引起的位差的罚分.

非线性障碍

波长选择影响非线性效应,如自相调制(SPM),]跨相调制(XPM),以及[]FWM. DWDM系统中,零散波长(XQ1310 nm)附近空隙的信道受FWM的影响更大,而较长的波长(C ⁇ band)的局部散射度足够抑制FWM. 对于使用数字信号处理的一致接收器,非线性产生的惩罚取决于波长;最佳发射功率和信道分配必须平衡非线性噪音与ASE噪声.

选择波长的实用贸易工具

数据率和带宽限制

对于高符号率( ⁇ 56 GBd),接收器的3 dB带宽必须足以捕捉信号而不扭曲。在较长的波长,光二极管电容可以降低(因为耗尽宽度较大),增加带宽限制。然而,光子生成载体的中转时间也随着吸收深度而增加。最先进的[]单程-载体光二极管实现>100 GHz带宽,但每个波段都需要精确的内在设计。

协同对直接检测

在 一致性接收器 中,波长选择会影响局部振荡器激光相位噪声和极化对齐。LO波长必须在几百兆赫范围内与信号匹配,信号波长漂移时信号会变得更加困难。先进的数字相位估计算法可以容忍更大的波长不匹配,但是如果波长在LO调速范围之外徘徊,系统边距仍然会降低。对于直接探测接收器(如PONs的OOK),波长稳定性要求会比较松散,但来自色谱散的1550纳米极限的处罚会达到。

成本和组成部分的可用性

单波长波段标准化简化了库存,但可能迫使其性能低于最佳。 比如,在短距离数据中心链接中使用1550纳米,因为需要冷却激光二极管和EDFA。 相反,使用850纳米长的长XXhaul由于损失很大而不可能。 系统设计师必须权衡波长特定源、探测器和放大器的成本与性能收益。

扩展波长调色板: S ⁇ Band, U ⁇ Band, 以及 Beyond

目前的研究探索了SQ(1460–1530 nm)和UX(1625–1675 nm)波段以解锁额外容量。 对于接收者来说,这些波段带来了挑战:光电波的负力通常较低(由于吸收层的限制),暗流可能是一个更高的数量级。 然而,随着 光探测器的开发[(例如,将SiGe和InGaAs整合在一起)和高级噪声-顶电路的开发,这些波段很快有可能对超高容量空间-多聚(SDM)系统来说是可行的。

结论:波长优化实用准则

光学接收器的最佳波长选择远非“一刀切”的决定。以下清单有助于系统设计师作出明智的权衡:

  • 用于短距离(<1 km):])使用850nm 与低成本VCSEL和针光电极. 保持接收的功率高以克服热噪声.
  • 中程(1-40公里):1310 nm提供低分散度和极佳的敏感性,而无需散射补偿. 直接的检测接收器简单且具有成本效益.
  • 对于长的 ⁇ (>100公里): 1550 nm(C ⁇ band),加上EDFA增益和一致的探测,能产生最高的敏感性和达到. 使用散射补偿或DSP来管理色谱散射.
  • 对于超高容量: 延伸至L ⁇ 波段,并最终扩展为S ⁇ 波段. 监视接收器暗流和ASE噪声的处罚. 考虑使用APD来提升波长较长的敏感度.

5G、Things的互联网和人工智能的爆炸性增长将要求更高的数据率。 因此,波长选择仍将是光学接收器设计的基石 — — 值得在链接一级认真研究和优化。 掌握波长、接收器噪音和非线性损害之间的相互作用的工程师将具备在未来十年建立强大、高性能网络的良好条件。

外部参考]