O que é Comunicação Óptica Coerente?

A comunicação óptica coerente é uma tecnologia no campo da comunicação por fibra óptica. Em comparação com a comunicação óptica não coerente tradicional, a comunicação óptica coerente tem as vantagens técnicas de maior distância de transmissão e maior capacidade de transmissão. Portanto, tem recebido grande atenção da indústria, e o interesse de pesquisa continua a aumentar.

Wchapéu é Luz coerente?

Antes de introduzir a comunicação óptica coerente, vamos apresentar brevemente o que é a luz coerente. Muitas vezes falamos em “coerência”, e todos entendem que significa “inter-relacionado ou envolvido”. Coerência da luz significa que duas ondas de luz atendem às três condições a seguir ao mesmo tempo no processo de transmissão:

1. A frequência (comprimento de onda) é a mesma;

2. A direção da vibração é a mesma;

3. A diferença de fase é constante.

Luz coerente

Esses dois feixes de luz podem produzir interferência estável um com o outro durante a transmissão. Essa interferência pode ser uma interferência construtiva (reforço) ou uma interferência destrutiva (cancelamento). Como mostrado abaixo:

É óbvio que a interferência construtiva pode tornar as ondas de luz (sinais) mais fortes.

O que é Comunicação Óptica Coerente?

Bem, vamos direto ao ponto e falar sobre o que é comunicação óptica coerente. Muitas pessoas podem pensar que comunicação óptica coerente é o uso de luz coerente para comunicação de transmissão, o que na verdade é incorreto. A comunicação óptica coerente e a comunicação óptica não coerente utilizam basicamente lasers sem nenhuma diferença essencial em termos de luz.

A razão pela qual a comunicação óptica coerente é chamada de “comunicação óptica coerente” não depende da luz usada no processo de transmissão, mas do uso de modulação coerente na extremidade transmissora e do uso de tecnologia coerente na extremidade receptora para detecção.

Comunicação óptica não coerente

Comunicação Ótica Coerente

A diferença entre os dois está em ambas as extremidades, não no caminho de transmissão. A tecnologia da extremidade receptora é o núcleo de toda a comunicação óptica coerente e é também a principal razão pela qual é tão poderosa. Nas mesmas condições, em comparação com a comunicação óptica não coerente tradicional, o receptor da comunicação óptica coerente pode melhorar a sensibilidade em 20db – 100 vezes mais sensível do que a comunicação não coerente! Com a ajuda desses 20db, a distância de comunicação da comunicação óptica coerente pode atingir o nível de milhares de quilômetros (a luz não coerente é apenas cerca de dezenas de quilômetros).

Antecedentes do Desenvolvimento da Comunicação Óptica Coerente

Já na década de 1980, quando a comunicação óptica estava apenas surgindo, países desenvolvidos como Estados Unidos, Reino Unido e Japão já realizavam pesquisas teóricas e experimentos sobre comunicação óptica coerente e obtiveram bons resultados.

Por exemplo, em 1989 e 1990, a AT&T e a Bell nos EUA realizaram sucessivamente um experimento de transmissão de coerência local de 1.7 Gbps FSK com comprimentos de onda de 1.3 μm e 1.55 μm sem qualquer retransmissão entre a estação terrestre de Rolling Creek e o hub de Sunbury na Pensilvânia em 1989 e 1990, e a distância de transmissão chega a 35 quilômetros.

Mais tarde, na década de 1990, os especialistas descobriram que o mercado cada vez mais maduro EDFA (Amplificador de fibra dopada com érbio) e WDM (Multiplexação por divisão de comprimento de onda) poderiam resolver os problemas de transmissão de relé e expansão da capacidade de comunicação óptica de forma mais simples e eficaz. Como resultado, a pesquisa técnica de comunicação óptica coerente tem sido negligenciada.

Por volta de 2008, com a eclosão da Internet móvel, o tráfego de dados da rede de comunicação aumentou rapidamente e a pressão sobre a rede de backbone aumentou acentuadamente. Neste momento, o potencial do EDFA e WDM tecnologia tornou-se menor. Os fabricantes de comunicação óptica precisam urgentemente encontrar novos avanços tecnológicos, melhorar a capacidade de transmissão da comunicação óptica, atender às necessidades do usuário e aliviar a pressão.

Os fabricantes descobriram que, com a maturidade do processamento de sinal digital (DSP), fabricação de dispositivos ópticos e outras tecnologias, a comunicação óptica coerente baseada nessas tecnologias é apenas uma boa escolha para quebrar o gargalo técnico da comunicação de fibra óptica de alta largura de banda de longa distância. Como resultado, é lógico que a comunicação óptica coerente passou dos bastidores para a frente do palco.

Princípios Técnicos de Comunicação Óptica Coerente

Como mencionado anteriormente, a comunicação óptica coerente utiliza principalmente duas tecnologias-chave, a saber, modulação coerente e detecção heteródina. Vamos primeiro olhar para a modulação coerente no lado do transmissor óptico. No sistema inverso IM-DD (Intensity Modulation-Direct Detection), apenas a modulação de intensidade (amplitude) pode ser usada para modular a onda de luz alterando a intensidade do laser através da corrente para gerar 0 e 1.

Modulação direta

A modulação direta é muito simples, mas com uma capacidade fraca e muitos problemas. No entanto, em um sistema de comunicação óptica coerente, além da modulação de amplitude da luz, a modulação externa também pode ser usada para realizar modulação de frequência ou modulação de fase, como PSK, QPSK e QAM. Métodos de modulação adicionais não apenas aumentam a capacidade de transporte de informações (um único símbolo pode representar mais bits), mas também são adequados para aplicações de engenharia flexíveis.

O seguinte é um diagrama esquemático de uma modulação externa:

Conforme mostrado na figura, na extremidade de transmissão, o método de modulação externa é adotado, e o modulador IQ baseado no modulador Mach-Zehnder (MZM) é usado para realizar o formato de modulação de alta ordem, e o sinal é modulado no portador óptico, e enviado. 

É o link chave ao entrar na extremidade receptora. Primeiro, um sinal de laser gerado por oscilação local (luz do oscilador local) é usado para misturar com a luz do sinal de entrada em um misturador óptico para obter um sinal de frequência intermediária cuja frequência, fase e amplitude mudam de acordo com as mesmas regras do sinal de luz. .

Uma versão ampliada da estrutura do receptor óptico

Em um sistema de comunicação óptica coerente, o tamanho da fotocorrente de saída após a mistura coerente é proporcional ao produto da potência óptica do sinal e a potência óptica do oscilador local. Uma vez que a potência da luz do oscilador local é muito maior do que a potência da luz de sinal, a fotocorrente de saída é bastante aumentada e a sensibilidade de detecção também é melhorada.

Em outras palavras, a comunicação óptica não coerente usa muitos amplificadores para transmitir e amplificar continuamente o sinal durante o processo de transmissão, enquanto a essência da comunicação óptica coerente é misturar e amplificar o sinal fraco que chega diretamente na extremidade receptora.

Após a mixagem, a detecção é realizada com um receptor balanceado. A comunicação óptica coerente pode ser dividida em detecção heteródina, detecção intradina e detecção homódina de acordo com a relação entre a frequência do sinal óptico do oscilador local e a frequência óptica do sinal.

Classificações de comunicação óptica coerente

Na comunicação óptica coerente da detecção heteródina, o sinal de frequência intermediária é obtido pelo detector fotoelétrico. A segunda demodulação também é necessária antes que possa ser convertida em um sinal de banda base. A detecção homódina e intradina traz menos ruído e reduz a sobrecarga de energia do processamento de sinal digital subsequente e os requisitos para dispositivos relacionados, por isso são mais comumente usados. Na detecção homódina de comunicação óptica coerente, o sinal óptico é convertido diretamente em um sinal de banda base após passar por um detector fotoelétrico sem demodulação secundária. No entanto, requer que a frequência da luz do oscilador local e a frequência da luz do sinal sejam estritamente combinadas, e é necessário o bloqueio de fase da luz do oscilador local e da luz do sinal.

Em seguida, é o link de processamento de sinal digital (DSP) de grande importância.

 Processamento de Sinal Digital (DSP)

A distorção ocorre quando um sinal óptico é transmitido em um link de fibra óptica. A tecnologia DCP aproveita a característica de fácil manuseio dos sinais digitais para combater e compensar a distorção e reduzir o impacto da distorção na taxa de erro de bits do sistema. Ele criou a era digital dos sistemas de comunicação óptica e se tornou um importante suporte para a tecnologia de comunicação óptica coerente. A tecnologia DSP pode ser aplicada não apenas aos receptores, mas também aos transmissores.

Como mostrado abaixo:

Tecnologia DSP

Digital para analógico e analógico para digital

Como pode ser visto na figura acima, a tecnologia DSP realiza vários processamentos de compensação de sinal, como compensação de dispersão cromática e compensação de dispersão do modo de polarização (PMD).

Várias Compensações e Estimativas de DSP

Módulo	função
quadratura de QI	Compensar a sub-quadratura de QI causada por moduladores e mixers
Recuperação do relógio	Compensar o erro de amostragem
Compensação de dispersão	Compensar a dispersão
Equalização de polarização	Compensar deficiências dependentes de polarização, polarização demultiplexação
Estimativa de frequência	Estimativa de Mudança de Frequência da Portadora e Compensação no Transmissor e Receptor
Estimativa de fase	Estimativa e Compensação de Ruído da Fase da Portadora
Saída de decisão	Decisão leve/difícil, decodificação de canal, decodificação de fonte, estimativa de taxa de erro de bits

Os papéis de cada módulo do DSP

A comunicação óptica não coerente tradicional realiza compensação de dispersão e outras funções através de dispositivos de compensação de caminho óptico, cujo efeito de compensação é muito inferior ao do DSP. A introdução da tecnologia DSP simplifica o projeto do sistema, economiza custos e elimina o original módulo de compensação de dispersão (DCM) ou fibra de compensação de dispersão no sistema, o que torna o projeto do link de transmissão de longa distância mais simples. Com o desenvolvimento do DSP, mais algoritmos e funções são adicionados continuamente, como tecnologia de compensação não linear e tecnologia de modulação e demodulação multi-código.

Compensação	Algoritmo correspondente
Compensação de Desequilíbrio de Quadratura	"Processo Ortogonal Gramm-Schmidt (GSOP) Método de correção de elipse (EC)"
Compensação de dispersão	Equalizador dispersivo de domínio de frequência
Equalização de polarização	Algoritmo de módulo constante (CMA)
Freqüência da operadora offdefinir estimativa	"Algoritmo de estimativa baseado na diferença de fase, Algoritmo FFT baseado em sinal ou fase de sinal"
Estimativa da Fase da Portadora	Algoritmo de Transformação de Constelação (CT), Algoritmo de Pesquisa de Fase Cega (BPS), Algoritmo de Estimativa de Máxima Verossimilhança (ML), etc.
Compensação não linear	Algoritmo de Voltera, Alguns algoritmos de compensação não linear de rede neural, etc.
Algoritmo de codificação de correção de erro de canal	Codificação LDPC, codificação Turbo, etc.

Algoritmos de compensação comumente usados

Após o processamento DSP, o sinal elétrico final é emitido. A seguir, revisamos todo o processo através de um caso de transmissão coerente de 100G.

Um caso de transmissão coerente de 100G

O processo específico é o seguinte:

1. Após o processamento do sinal digital e conversão digital-analógico, o fluxo de sinal de 112Gbps, após entrar no transmissor óptico, sofre conversão “serial-paralelo” e passa a ser 4 canais de sinais de 28Gbps;

2. O sinal emitido pelo laser torna-se um sinal óptico polarizado em duas direções verticais de xey através do divisor de feixe de polarização;

3. Através do modulador de alta ordem composto pelo modulador MZM, a modulação de alta ordem QPSK é realizada no sinal óptico nas direções de polarização xey;

4. O sinal de luz polarizada modulada é combinado com uma fibra óptica através de um combinador de polarização para transmissão;

5. Após receber o sinal, a extremidade receptora separa o sinal em duas direções de polarização vertical de X e Y;

6. Através da detecção e recepção coerentes, os sinais X e Y polarizados verticalmente tornam-se sinais de corrente/tensão;

7. Através da conversão ADC, os sinais de corrente e tensão são transformados em fluxos de código digital como 0101…;

8. Por meio do processamento de sinal digital, os fatores de interferência, como dispersão, ruído e não linearidade, são removidos e o fluxo de números de telecomunicações de 112 Gbps é restaurado e é o fim.

Outras tecnologias de suporte para comunicação óptica coerente:

O desempenho da comunicação óptica coerente é poderoso, mas o sistema é muito complexo e é difícil fazer a tecnologia acontecer.

	Comunicação não coerente	Comunicação coerente
Definição	Sistema de transmissão óptica que não requer luz de oscilador local coerente	Sistema de transmissão óptica usando Oscilador local para detecção coerente
Modulação e demodulação tecnologia	Transmissor: Modulação de Intensidade Receptor: detecção direta	Transmissor: Modulação externa Receptor: detecção coerente óptica do oscilador local
Formato óptico	Modulação de amplitude (RZ/NRZ/ODB) Modulação de Fase Diferencial (DQBSK)	Modulação de Fase (BPSK/QPSK) Modulação de amplitude em quadratura (QAM)
Estrutura do sistema	simples Fácil de implementar e integrar	Complexo Altos requisitos técnicos
Eficiência espectral	Baixo As informações de frequência e fase da portadora óptica não podem ser exploradas; A capacidade de largura de banda de canal único é limitada	Alta As informações transportadas pela amplitude, frequência e fase do sinal óptico podem ser detectadas; a largura de banda de canal único é alta
Tolerância de dispersão	Baixo O DCM precisa ser configurado para compensação de dispersão	Alta Usando a tecnologia DSP para offdefinir a dispersão da fibra, pode ser usado em distâncias muito longas para obter compensação de dispersão livre de DCM
Arquitetura ROADM	Complexo A direção de recepção precisa usar o demultiplexador para filtrar o sinal de comprimento de onda correspondente	conciso A recepção coerente pode selecionar um comprimento de onda específico do sinal multiplexado, sem a necessidade de uma versão desmultiplexadora

Luz não coerente vs. luz coerente

Para realizar a aplicação prática da comunicação óptica coerente, é necessário contar com as seguintes tecnologias:

• Tecnologia de Preservação de Polarização

A detecção coerente requer que as direções de polarização da luz do sinal e da luz do oscilador local sejam as mesmas em óptica coerente comunicação, ou seja, as direções do vetor elétrico dos dois devem ser as mesmas, de modo a obter a alta sensibilidade que a recepção coerente pode proporcionar.

Pois, neste caso, apenas a projeção do vetor elétrico de luz de sinal na direção do vetor elétrico de luz do oscilador local pode realmente contribuir para a corrente de sinal de frequência intermediária gerada pela mistura. Para garantir alta sensibilidade, é necessário tomar medidas de estabilização da polarização da onda de luz. Atualmente existem dois métodos principais:

Primeiro, a “fibra de manutenção de polarização” é usada para manter o estado de polarização da onda de luz inalterado durante o processo de transmissão. (A fibra monomodo comum mudará o estado de polarização da onda de luz devido a fatores como vibração mecânica ou mudança de temperatura da fibra.)

Em segundo lugar, use fibra monomodo comum, mas use tecnologia de diversidade de polarização na extremidade receptora.

• Tecnologia de Estabilização de Frequência

A estabilidade de frequência dos lasers semicondutores é muito importante na comunicação óptica coerente. A frequência do laser é muito sensível a mudanças na temperatura e na corrente de operação. Se a frequência do laser variar com diferentes condições de operação, isso afetará a corrente IF, aumentando assim a taxa de erro de bit.

• Tecnologia de Compressão de Espectro

A largura espectral da fonte de luz também é importante na comunicação óptica coerente. Somente garantindo a largura de linha estreita da onda de luz, a influência da modulação de amplitude quântica e do ruído de modulação de frequência do laser semicondutor na sensibilidade do receptor pode ser superada. Além disso, quanto mais estreita a largura da linha, menor o ruído de fase causado pelo desvio de fase. Para atender aos requisitos de comunicação óptica coerente na largura espectral da fonte de luz, a tecnologia de compressão de largura espectral é geralmente adotada.

 Aplicação de que o Comunicação Ótica Coerente

Em suma, é um sistema de transmissão óptica avançado e complexo adequado para transmissão de informações de maior distância e maior capacidade. Na transmissão de longa distância de fibras ópticas, geralmente são usados ​​EDFAs (amplificadores de fibra dopada com érbio) para cada 80 km de extensão.

EDFA

Com comunicação óptica coerente, a transmissão de longa distância é muito mais fácil. Além disso, comunicação óptica coerenten pode ser transformado diretamente com a fibra óptica e o cabo existentes, cujo custo é controlável.

A comunicação óptica coerente pode ser usada para atualizar o sistema WDM de rede de backbone existente e também pode ser usada em cenários de backhaul 5G. Mesmo o acesso de fibra metro FTTx começou a estudar a introdução de comunicação óptica coerente. Atualmente, a discussão mais acalorada sobre comunicação óptica coerente se concentra no cenário de “interconexão de data center” (DCI).

Datacenter

A DCI tem uma forte demanda por módulos ópticos coerentes de longa distância. Especialmente este ano, o país promove vigorosamente a canalização de mais recursos de computação das áreas orientais para as regiões ocidentais menos desenvolvidas, o que tem um grande efeito estimulante no mercado de comunicação óptica coerente.

Conclusão:

Em suma, o retorno e a popularização da tecnologia de comunicação óptica coerente contribuem para explorar ainda mais o potencial de desempenho da comunicação óptica, aumentando o limite de largura de banda e reduzindo os custos de implantação. Atualmente, a pesquisa sobre tecnologia de comunicação óptica coerente ainda está em andamento. Os problemas de um processo complexo, grande volume e alto consumo de energia de módulos ópticos coerentes não foram completamente resolvidos. Ainda há muito espaço para inovação tecnológica em cada elo-chave da comunicação óptica coerente.