¿Qué es la comunicación óptica coherente?

La comunicación óptica coherente es una tecnología en el campo de la comunicación por fibra óptica. En comparación con la comunicación óptica no coherente tradicional, la comunicación óptica coherente tiene las ventajas técnicas de una mayor distancia de transmisión y una mayor capacidad de transmisión. Por lo tanto, ha recibido una gran atención por parte de la industria y el interés de la investigación ha seguido aumentando.

Wsombrero es ¿Luz coherente?

Antes de presentar la comunicación óptica coherente, presentemos brevemente qué es la luz coherente. A menudo hablamos de “coherencia”, y todos entienden que significa “interrelacionados o involucrados”. La coherencia de la luz significa que dos ondas de luz cumplen las siguientes tres condiciones al mismo tiempo en el proceso de transmisión:

1. La frecuencia (longitud de onda) es la misma;

2. La dirección de vibración es la misma;

3. La diferencia de fase es constante.

Luz coherente

Estos dos haces de luz pueden producir una interferencia estable entre sí durante la transmisión. Esta interferencia puede ser interferencia constructiva (fortalecimiento) o interferencia destructiva (cancelación). Como se muestra abajo:

Es obvio que la interferencia constructiva puede hacer que las ondas de luz (señales) sean más fuertes.

¿Qué es la comunicación óptica coherente?

Bueno, vayamos al grano a continuación y hablemos de lo que es la comunicación óptica coherente. Mucha gente puede pensar que la comunicación óptica coherente es el uso de luz coherente para la comunicación de transmisión, lo que en realidad es incorrecto. La comunicación óptica coherente y la comunicación óptica no coherente utilizan básicamente láseres sin ninguna diferencia esencial en términos de luz.

La razón por la que la comunicación óptica coherente se denomina “comunicación óptica coherente” no depende de la luz utilizada en el proceso de transmisión, sino del uso de modulación coherente en el extremo transmisor y el uso de tecnología coherente en el extremo receptor para la detección.

Comunicación óptica no coherente

Comunicación óptica coherente

La diferencia entre los dos está en ambos extremos, no en la ruta de transmisión. La tecnología del extremo receptor es el núcleo de toda la comunicación óptica coherente y también es la razón principal por la que es tan poderosa. En las mismas condiciones, en comparación con la comunicación óptica no coherente tradicional, el receptor de comunicación óptica coherente puede mejorar la sensibilidad en 20 db, ¡100 veces más sensible que la comunicación no coherente! Con la ayuda de estos 20db, la distancia de comunicación de la comunicación óptica coherente puede alcanzar el nivel de miles de kilómetros (la luz no coherente es solo unas decenas de kilómetros).

Antecedentes de desarrollo de la comunicación óptica coherente

Ya en la década de 1980, cuando recién emergía la comunicación óptica, países desarrollados como Estados Unidos, Reino Unido y Japón ya habían llevado a cabo investigaciones teóricas y experimentos sobre comunicación óptica coherente y habían obtenido buenos resultados.

Por ejemplo, en 1989 y 1990, AT&T y Bell en los EE. UU. llevaron a cabo sucesivamente un experimento de transmisión de coherencia in situ FSK de 1.7 Gbps con longitudes de onda de 1.3 μm y 1.55 μm sin ningún relé entre la estación terrestre de Rolling Creek y el centro de Sunbury en Pensilvania en 1989. y 1990, y la distancia de transmisión alcanza los 35 kilómetros.

Más tarde, en la década de 1990, los expertos encontraron que los cada vez más maduros EDFA (amplificador de fibra dopada con erbio) y las tecnologías WDM (multiplexación por división de longitud de onda) podrían resolver los problemas de transmisión de retransmisión y expansión de la capacidad de la comunicación óptica de manera más simple y efectiva. Como resultado, se ha descuidado la investigación técnica de la comunicación óptica coherente.

Alrededor de 2008, con el estallido de Internet móvil, el tráfico de datos de la red de comunicación aumentó rápidamente y la presión sobre la red troncal aumentó considerablemente. En este momento, el potencial de EDFA y WDM La tecnología se ha vuelto más pequeña. Los fabricantes de comunicación óptica necesitan urgentemente encontrar nuevos avances tecnológicos, mejorar la capacidad de transmisión de la comunicación óptica, satisfacer las necesidades de los usuarios y aliviar la presión.

Los fabricantes descubrieron que con la madurez del procesamiento de señales digitales (DSP), la fabricación de dispositivos ópticos y otras tecnologías, la comunicación óptica coherente basada en estas tecnologías es solo una buena opción para romper el cuello de botella técnico de la comunicación de fibra óptica de gran ancho de banda a larga distancia. Como resultado, es lógico que la comunicación óptica coherente haya pasado de detrás de escena al frente del escenario.

Principios técnicos de la comunicación óptica coherente

Como se mencionó anteriormente, la comunicación óptica coherente utiliza principalmente dos tecnologías clave, a saber, la modulación coherente y la detección heterodina. Veamos primero la modulación coherente en el lado del transmisor óptico. En el sistema IM-DD (modulación de intensidad-detección directa) inverso, solo se puede usar la modulación de intensidad (amplitud) para modular la onda de luz cambiando la intensidad del láser a través de la corriente para generar 0 y 1.

Modulación directa

La modulación directa es muy simple, pero tiene una habilidad débil y muchos problemas. Sin embargo, en un sistema de comunicación óptica coherente, además de la modulación de amplitud de la luz, la modulación externa también se puede utilizar para realizar modulación de frecuencia o modulación de fase, como PSK, QPSK y QAM. Los métodos de modulación adicionales no solo aumentan la capacidad de transporte de información (un solo símbolo puede representar más bits), sino que también son adecuados para aplicaciones de ingeniería flexibles.

El siguiente es un diagrama esquemático de una modulación externa:

Como se muestra en la figura, en el extremo de transmisión, se adopta el método de modulación externa, y el modulador IQ basado en el modulador Mach-Zehnder (MZM) se usa para realizar el formato de modulación de alto orden, y la señal se modula en el portador óptico, y enviado. 

Es el enlace clave al ingresar al extremo receptor. En primer lugar, se utiliza una señal láser generada por oscilación local (luz del oscilador local) para mezclarla con la luz de la señal de entrada en un mezclador óptico para obtener una señal de frecuencia intermedia cuya frecuencia, fase y amplitud cambian de acuerdo con las mismas reglas que la luz de la señal. .

Una versión ampliada de la estructura del receptor óptico.

En un sistema de comunicación óptica coherente, el tamaño de la fotocorriente de salida después de la mezcla coherente es proporcional al producto de la potencia óptica de la señal y la potencia óptica del oscilador local. Dado que la potencia de la luz del oscilador local es mucho mayor que la potencia de la luz de señal, la fotocorriente de salida aumenta considerablemente y también se mejora la sensibilidad de detección.

En otras palabras, la comunicación óptica no coherente utiliza muchos amplificadores para transmitir y amplificar continuamente la señal durante el proceso de transmisión, mientras que la esencia de la comunicación óptica coherente es mezclar y amplificar la señal débil que llega directamente al extremo receptor.

Después de mezclar, la detección se realiza con un receptor balanceado. La comunicación óptica coherente se puede dividir en detección heterodina, detección intradina y detección homodina según la relación entre la frecuencia de la señal óptica del oscilador local y la frecuencia óptica de la señal.

Clasificaciones de comunicación óptica coherente

En la comunicación óptica coherente de detección heterodina, la señal de frecuencia intermedia es obtenida por el detector fotoeléctrico. También se requiere la segunda demodulación antes de que pueda convertirse en una señal de banda base. La detección homodina e intradina genera menos ruido y reduce la sobrecarga de energía del procesamiento de señales digitales posterior y los requisitos para los dispositivos relacionados, por lo que se utilizan con mayor frecuencia. En la comunicación óptica coherente de detección homodina, la señal óptica se convierte directamente en una señal de banda base después de pasar por un detector fotoeléctrico sin demodulación secundaria. Sin embargo, requiere que la frecuencia de la luz del oscilador local y la frecuencia de la luz de la señal coincidan estrictamente, y se requiere el bloqueo de fase de la luz del oscilador local y la luz de la señal.

El siguiente es el enlace de procesamiento de señal digital (DSP) de gran importancia.

 Procesamiento de señal digital (DSP)

La distorsión ocurre cuando una señal óptica se transmite en un enlace de fibra óptica. La tecnología DCP aprovecha la característica de fácil manejo de las señales digitales para combatir y compensar la distorsión y reducir el impacto de la distorsión en la tasa de error de bit del sistema. Ha creado la era digital de los sistemas de comunicación óptica y se ha convertido en un soporte importante para la tecnología de comunicación óptica coherente. La tecnología DSP no solo se puede aplicar a los receptores, sino también a los transmisores.

Como se muestra abajo:

Tecnología DSP

Digital a analógico y analógico a digital

Como se puede ver en la figura anterior, la tecnología DSP realiza varios procesamientos de compensación de señal, como la compensación de dispersión cromática y la compensación de dispersión del modo de polarización (PMD).

Varias Compensaciones y Estimación de DSP

Módulo	Función
cuadratura de coeficiente intelectual	Compensar la falta de cuadratura de IQ causada por moduladores y mezcladores
Recuperación de reloj	Compensar el error de muestreo
Compensación por dispersión	Compensar la dispersión
ecualización de polarización	Compensar las degradaciones dependientes de la polarización, la polarización demultiplexando
Estimación de frecuencia	Estimación y compensación del cambio de frecuencia de la portadora en el transmisor y el receptor
Estimación de fase	Estimación y compensación del ruido de la fase portadora
Salida de decisión	Decisión suave/dura, decodificación de canal, decodificación de fuente, estimación de la tasa de error de bits

Los roles de cada módulo de DSP

La comunicación óptica no coherente tradicional realiza la compensación de dispersión y otras funciones a través de dispositivos de compensación de camino óptico, cuyo efecto de compensación es muy inferior al del DSP. La introducción de la tecnología DSP simplifica el diseño del sistema, ahorra costos y elimina el original módulo de compensación de dispersión (DCM) o fibra de compensación de dispersión en el sistema, lo que simplifica el diseño del enlace de transmisión de larga distancia. Con el desarrollo de DSP, se agregan continuamente más algoritmos y funciones, como la tecnología de compensación no lineal y la tecnología de modulación y demodulación multicódigo.

para Trabajadores	Algoritmo correspondiente
Compensación de desequilibrio en cuadratura	"Proceso ortogonal de Gramm-Schmidt (GSOP) Método de corrección de elipse (EC)"
Compensación por dispersión	Ecualizador dispersivo de dominio de frecuencia
ecualización de polarización	Algoritmo de módulo constante (CMA)
Frecuencia de carga offestablecer estimación	"Algoritmo de estimación basado en la diferencia de fase, Algoritmo FFT basado en signo o fase de signo"
Estimación de la fase de la portadora	Algoritmo de transformación de constelación (CT), Algoritmo de búsqueda de fase ciega (BPS), Algoritmo de estimación de máxima verosimilitud (ML), etc.
compensación no lineal	algoritmo voltera, Algunos algoritmos de compensación no lineal de redes neuronales, etc.
Algoritmo de codificación de corrección de errores de canal	Codificación LDPC, codificación Turbo, etc.

Algoritmos de compensación de uso común

Después del procesamiento DSP, se emite la señal eléctrica final. A continuación, repasamos todo el proceso a través de un caso de transmisión coherente de 100G.

Un caso de transmisión coherente de 100G

El proceso específico es el siguiente:

1. Después del procesamiento de la señal digital y la conversión de digital a analógico, el flujo de señal de 112 Gbps, después de ingresar al transmisor óptico, se convierte en "serie-paralelo" y se convierte en 4 canales de señales de 28 Gbps;

2. La señal emitida por el láser se convierte en una señal óptica polarizada en dos direcciones verticales de xey a través del divisor de haz de polarización;

3. A través del modulador de alto orden compuesto por el modulador MZM, la modulación de alto orden QPSK se realiza en la señal óptica en las direcciones de polarización x e y;

4. La señal de luz polarizada modulada se combina con una fibra óptica a través de un combinador de polarización para la transmisión;

5. Después de recibir la señal, el extremo receptor separa la señal en dos direcciones de polarización vertical de X e Y;

6. A través de una detección y recepción coherentes, las señales polarizadas verticalmente X e Y se convierten en señales de corriente/voltaje;

7. A través de la conversión ADC, las señales de corriente y voltaje se convierten en flujos de código digital como 0101…;

8. A través del procesamiento de señales digitales, se eliminan los factores de interferencia como la dispersión, el ruido y la no linealidad, y se restaura el flujo de número de telecomunicaciones de 112 Gbps, y es el final.

Otras tecnologías de apoyo para la comunicación óptica coherente:

El rendimiento de la comunicación óptica coherente es potente, pero el sistema es muy complejo y es difícil hacer realidad la tecnología.

	Comunicación no coherente	Comunicación coherente
Definición	Sistema de transmisión óptica que no requiere luz de oscilador local coherente	Uso del sistema de transmisión óptica Oscilador local para detección coherente
Modulación y demodulación la tecnología	Transmisor: Modulación de intensidad Receptor: detección directa	Transmisor: modulación externa Receptor: detección coherente óptica del oscilador local
Formato optico	Modulación de amplitud (RZ/NRZ/ODB) Modulación de fase diferencial (DQBSK)	Modulación de fase (BPSK/QPSK) Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)
Estructura del sistema	sencillos Fácil de implementar e integrar	Complejo Altos requisitos técnicos
Eficiencia espectral	Baja La información de frecuencia y fase de la portadora óptica no se puede explotar; La capacidad de ancho de banda de un solo canal es limitada	Alta Se puede detectar la información transportada por la amplitud, la frecuencia y la fase de la señal óptica; el ancho de banda de un solo canal es alto
Tolerancia a la dispersión	Baja DCM debe configurarse para compensación de dispersión	Alta Uso de la tecnología DSP para offestablece la dispersión de fibra, se puede usar en distancias muy largas para lograr una compensación de dispersión sin DCM
Arquitectura ROADM	Complejo La dirección de recepción necesita usar el demultiplexor para filtrar la señal de longitud de onda correspondiente	Conciso La recepción coherente puede seleccionar una longitud de onda específica de la señal multiplexada, sin necesidad de una versión demultiplexadora

Luz no coherente frente a luz coherente

Para realizar la aplicación práctica de la comunicación óptica coherente, es necesario confiar en las siguientes tecnologías:

• Tecnología de conservación de polarización

La detección coherente requiere que las direcciones de polarización de la luz de la señal y la luz del oscilador local sean las mismas en óptico coherente comunicación, es decir, las direcciones del vector eléctrico de los dos deben ser las mismas, para obtener la alta sensibilidad que puede proporcionar la recepción coherente.

Porque, en este caso, solo la proyección del vector eléctrico de luz de señal en la dirección del vector eléctrico de luz del oscilador local puede contribuir realmente a la corriente de señal de frecuencia intermedia generada por la mezcla. Para garantizar una alta sensibilidad, es necesario tomar medidas de estabilización de polarización de onda de luz. Hay dos métodos principales actualmente:

Primero, la "fibra que mantiene la polarización" se usa para mantener el estado de polarización de la onda de luz sin cambios durante el proceso de transmisión. (La fibra monomodo ordinaria cambiará el estado de polarización de la onda de luz debido a factores como la vibración mecánica o el cambio de temperatura de la fibra).

En segundo lugar, use fibra monomodo ordinaria, pero use tecnología de diversidad de polarización en el extremo receptor.

• Tecnología de estabilización de frecuencia

La estabilidad de frecuencia de los láseres semiconductores es muy importante en la comunicación óptica coherente. La frecuencia del láser es muy sensible a los cambios en la temperatura y la corriente de funcionamiento. Si la frecuencia del láser se desvía con diferentes condiciones de operación, afectará la corriente de IF, lo que aumentará la tasa de error de bit.

• Tecnología de compresión de espectro

El ancho espectral de la fuente de luz también importa en la comunicación óptica coherente. Solo asegurando el estrecho ancho de línea de la onda de luz, se puede superar la influencia de la modulación de amplitud cuántica y el ruido de modulación de frecuencia del láser semiconductor en la sensibilidad del receptor. Además, cuanto más estrecho sea el ancho de línea, menor será el ruido de fase causado por la desviación de fase. Para cumplir con los requisitos de comunicación óptica coherente en el ancho espectral de la fuente de luz, generalmente se adopta la tecnología de compresión de ancho espectral.

 Aplicación de las Comunicación óptica coherente

En resumen, es un sistema de transmisión óptica avanzado y complejo adecuado para la transmisión de información de mayor capacidad y mayor distancia. En la transmisión a larga distancia de fibras ópticas, generalmente se utilizan EDFA (amplificadores de fibra dopada con erbio) para cada tramo de 80 km.

EDFA

Con una comunicación óptica coherente, la transmisión a larga distancia es mucho más fácil. Además, comunicación óptica coherenten puede transformarse directamente con la fibra óptica y el cable existentes, cuyo costo es controlable.

La comunicación óptica coherente se puede usar para actualizar el sistema WDM de la red troncal existente y también se puede usar en escenarios de backhaul medio de 5G. Incluso el acceso de fibra metro FTTx ha comenzado a estudiar la introducción de comunicación óptica coherente. En la actualidad, la discusión más acalorada sobre la comunicación óptica coherente se centra en el escenario de la "interconexión del centro de datos" (DCI).

Datacenter

DCI tiene una fuerte demanda de módulos ópticos coherentes de larga distancia. Especialmente este año, el país promueve enérgicamente la canalización de más recursos informáticos desde las áreas orientales hacia las regiones occidentales menos desarrolladas, lo que tiene un gran efecto estimulante en el mercado de comunicaciones ópticas coherentes.

Conclusión:

En definitiva, el regreso y la popularización de la tecnología de comunicación óptica coherente favorecen un mayor aprovechamiento del potencial de rendimiento de la comunicación óptica, aumentando el ancho de banda límite y reduciendo los costos de implementación. En la actualidad, la investigación sobre la tecnología de comunicación óptica coherente todavía está en curso. Los problemas de un proceso complejo, de gran volumen y alto consumo de energía de módulos ópticos coherentes no se han solucionado del todo. Todavía hay mucho espacio para la innovación tecnológica en cada eslabón clave de la comunicación óptica coherente.