Что такое когерентная оптическая связь?

Когерентная оптическая связь — это технология в области оптоволоконной связи. По сравнению с традиционной некогерентной оптической связью когерентная оптическая связь имеет технические преимущества, заключающиеся в большей дальности передачи и большей пропускной способности. Поэтому он получил широкое внимание со стороны промышленности, и исследовательский интерес к нему продолжает расти.

Wшляпа Когерентный свет?

Прежде чем представить когерентную оптическую связь, давайте кратко представим, что такое когерентный свет. Мы часто говорим о «согласованности», и все понимают, что это означает «взаимосвязанность или вовлеченность». Когерентность света означает, что две световые волны в процессе передачи одновременно удовлетворяют следующим трем условиям:

1. Частота (длина волны) одинаковая;

2. Направление вибрации такое же;

3. Разность фаз постоянна.

Когерентный свет

Такие два луча света могут создавать стабильную интерференцию друг с другом во время передачи. Эта интерференция может быть как конструктивной интерференцией (усиление), так и деструктивной интерференцией (отменой). Как показано ниже:

Очевидно, что конструктивная интерференция может усилить световые волны (сигналы).

Что такое когерентная оптическая связь?

Что ж, давайте перейдем к следующему пункту и поговорим о том, что такое когерентная оптическая связь. Многие люди могут подумать, что когерентная оптическая связь — это использование когерентного света для передачи данных, что на самом деле неверно. Когерентная оптическая связь и некогерентная оптическая связь в основном используют лазеры без существенной разницы с точки зрения света.

Причина, по которой когерентная оптическая связь называется «когерентной оптической связью», зависит не от света, используемого в процессе передачи, а от использования когерентной модуляции на передающем конце и использования когерентной технологии на приемном конце для обнаружения.

Некогерентная оптическая связь

Когерентная оптическая связь

Разница между ними на обоих концах, а не на пути передачи. Технология приемной стороны является ядром всей когерентной оптической связи, а также основной причиной ее эффективности. При тех же условиях, по сравнению с традиционной некогерентной оптической связью, приемник когерентной оптической связи может улучшить чувствительность на 20 дБ – в 100 раз чувствительнее некогерентной связи! С помощью этих 20 дБ дальность связи когерентной оптической связи может достигать уровня тысяч километров (некогерентный свет составляет всего около десятков километров).

История развития когерентной оптической связи

Еще в 1980-х годах, когда оптическая связь только зарождалась, развитые страны, такие как США, Великобритания и Япония, уже проводили теоретические исследования и эксперименты по когерентной оптической связи и добились хороших результатов.

Например, в 1989 и 1990 годах компании AT&T и Bell в США последовательно провели на месте эксперимент по когерентной передаче FSK со скоростью 1.7 Гбит/с с длинами волн 1.3 мкм и 1.55 мкм без какой-либо ретрансляции между наземной станцией Rolling Creek и центром Санбери в Пенсильвании в 1989 году. и 1990 г., а дальность передачи достигает 35 километров.

Позже, в 1990-х годах, эксперты обнаружили, что все более зрелое ЭДФА Технологии (усилитель волокна, легированного эрбием) и WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны) могут решить проблемы ретрансляционной передачи и расширения пропускной способности оптической связи более просто и эффективно. В результате технические исследования когерентной оптической связи остались без внимания.

Примерно в 2008 году, с появлением мобильного Интернета, трафик данных в сети связи быстро увеличился, и резко возросла нагрузка на магистральную сеть. В настоящее время потенциал EDFA и WDM техники стало меньше. Производителям оптической связи срочно необходимо найти новые технологические прорывы, улучшить пропускную способность оптической связи, удовлетворить потребности пользователей и снизить давление.

Производители обнаружили, что с развитием цифровой обработки сигналов (DSP), производства оптических устройств и других технологий когерентная оптическая связь, основанная на этих технологиях, является хорошим выбором для преодоления технических узких мест широкополосной оптоволоконной связи на большие расстояния. В результате логично, что когерентная оптическая связь переместилась из-за кулис на сцену.

Технические принципы когерентной оптической связи

Как упоминалось ранее, когерентная оптическая связь в основном использует две ключевые технологии, а именно когерентную модуляцию и гетеродинное обнаружение. Давайте сначала рассмотрим когерентную модуляцию на стороне оптического передатчика. В обратной системе IM-DD (Intensity Modulation-Direct Detection) для модуляции световой волны можно использовать только модуляцию интенсивности (амплитуды) путем изменения интенсивности лазера через ток для генерации 0 и 1.

Прямая модуляция

Прямая модуляция очень проста, но со слабой способностью и множеством проблем. Однако в системе когерентной оптической связи помимо амплитудной модуляции света внешняя модуляция также может использоваться для выполнения частотной модуляции или фазовой модуляции, такой как PSK, QPSK и QAM. Дополнительные методы модуляции не только увеличивают пропускную способность информации (один символ может представлять больше битов), но и подходят для гибких инженерных приложений.

Ниже приведена схема внешней модуляции:

Как показано на рисунке, на передающем конце используется метод внешней модуляции, и IQ-модулятор на основе модулятора Маха-Цендера (MZM) используется для реализации формата модуляции высокого порядка, а сигнал модулируется на оптический носитель и отправлен. 

Это ключевое звено при входе на принимающую сторону. Во-первых, лазерный сигнал, генерируемый локальным колебанием (свет гетеродина), используется для смешивания со световым входным сигналом в оптическом смесителе для получения сигнала промежуточной частоты, частота, фаза и амплитуда которого изменяются по тем же правилам, что и сигнальный свет. .

Увеличенный вариант конструкции оптического приемника

В системе когерентной оптической связи величина выходного фототока после когерентного смешения пропорциональна произведению оптической мощности сигнала на оптическую мощность гетеродина. Поскольку мощность света гетеродина намного выше, чем мощность сигнального света, выходной фототок значительно увеличивается, а также повышается чувствительность обнаружения.

Другими словами, некогерентная оптическая связь использует множество усилителей для непрерывной ретрансляции и усиления сигнала в процессе передачи, в то время как суть когерентной оптической связи заключается в микшировании и усилении слабого поступающего сигнала непосредственно на приемном конце.

После микширования детектирование выполняется балансным приемником. Когерентную оптическую связь можно разделить на гетеродинное обнаружение, внутридинное обнаружение и гомодинное обнаружение в соответствии с соотношением между частотой оптического сигнала гетеродина и оптической частотой сигнала.

Классификации когерентной оптической связи

При когерентной оптической связи гетеродинного обнаружения сигнал промежуточной частоты получается фотоэлектрическим детектором. Вторая демодуляция также требуется, прежде чем ее можно будет преобразовать в сигнал основной полосы частот. Гомодинное и интрадинное детектирование приносят меньше шума и снижают затраты энергии на последующую цифровую обработку сигналов и требования к соответствующим устройствам, поэтому они используются чаще всего. При когерентной оптической связи с гомодинным обнаружением оптический сигнал непосредственно преобразуется в сигнал основной полосы частот после прохождения через фотоэлектрический детектор без вторичной демодуляции. Однако для этого требуется, чтобы частота локального генератора и частота сигнального света были строго согласованы, а также требуется фазовая синхронизация света гетеродина и сигнального света.

Далее, большое значение имеет канал цифровой обработки сигналов (DSP).

 Цифровая обработка сигналов (DSP)

Искажение возникает при передаче оптического сигнала по оптоволоконному каналу. Технология DCP использует простоту обращения с цифровыми сигналами для борьбы с искажениями и их компенсации, а также для уменьшения влияния искажений на частоту системных битовых ошибок. Он положил начало цифровой эре систем оптической связи и стал важной опорой для технологии когерентной оптической связи. Технология DSP может применяться не только к приемникам, но и к передатчикам.

Как показано ниже:

Технология DSP

Цифра в аналог и аналог в цифру

Как видно из рисунка выше, технология DSP выполняет различную обработку компенсации сигнала, такую ​​как компенсация хроматической дисперсии и компенсация поляризационной модовой дисперсии (PMD).

Различные компенсации и оценка DSP

Модули	Функция
Квадратура IQ	Компенсация недостаточной квадратуры IQ, вызванной модуляторами и микшерами
Восстановление часов	Компенсация ошибки выборки
Компенсация дисперсии	Компенсация дисперсии
Поляризационное выравнивание	Компенсация зависимых от поляризации ухудшений, поляризации демультиплексирование
Оценка частоты	Оценка сдвига несущей частоты и компенсация в передатчике и приемнике
Оценка фазы	Оценка и компенсация фазового шума несущей
Вывод решения	Мягкое/жесткое решение, декодирование канала, декодирование источника, оценка частоты битовых ошибок

Роли каждого модуля DSP

Традиционная некогерентная оптическая связь выполняет компенсацию дисперсии и другие функции с помощью устройств компенсации оптического пути, эффект компенсации которых намного уступает эффекту DSP. Внедрение технологии DSP упрощает конструкцию системы, снижает затраты и устраняет первоначальные модуль компенсации дисперсии (DCM) или волокно с компенсацией дисперсии в системе, что упрощает конструкцию линии передачи на большие расстояния. С развитием DSP постоянно добавляются новые алгоритмы и функции, такие как технология нелинейной компенсации и технология многокодовой модуляции и демодуляции.

Компенсация	Соответствующий алгоритм
Компенсация квадратурного дисбаланса	"Ортогональный процесс Грамма-Шмидта (GSOP) Метод коррекции эллипса (EC)"
Компенсация дисперсии	Дисперсионный эквалайзер в частотной области
Поляризационное выравнивание	Алгоритм постоянного модуля (CMA)
Несущая частота offустановить оценку	"Алгоритм оценки на основе разности фаз, Алгоритм БПФ на основе знака или фазы знака»
Оценка фазы несущей	Алгоритм преобразования созвездия (CT), Алгоритм слепого поиска фазы (BPS), Алгоритм оценки максимального правдоподобия (ML) и т. д.
Нелинейная компенсация	алгоритм Вольтера, Некоторые нейросетевые алгоритмы нелинейной компенсации и др.
Алгоритм кодирования с исправлением ошибок канала	Кодирование LDPC, кодирование Turbo и т. д.

Часто используемые алгоритмы компенсации

После обработки DSP выводится окончательный электрический сигнал. Далее мы рассмотрим весь процесс на примере когерентной передачи 100G.

Случай когерентной передачи 100G

Конкретный процесс заключается в следующем:

1. После цифровой обработки сигнала и цифро-аналогового преобразования поток сигнала 112 Гбит/с после входа в оптический передатчик подвергается «последовательно-параллельному» преобразованию и становится 4-канальным сигналом 28 Гбит/с;

2. Сигнал, излучаемый лазером, становится оптическим сигналом, поляризованным в двух вертикальных направлениях x и y через поляризационный светоделитель;

3. Через модулятор высокого порядка, состоящий из модулятора MZM, модуляция высокого порядка QPSK выполняется для оптического сигнала в направлениях поляризации x и y;

4. Модулированный поляризованный световой сигнал объединяется с оптическим волокном через объединитель поляризации для передачи;

5. После получения сигнала принимающая сторона разделяет сигнал на два направления вертикальной поляризации X и Y;

6. Благодаря когерентному обнаружению и приему вертикально поляризованные сигналы X и Y становятся сигналами тока/напряжения;

7. Благодаря преобразованию АЦП сигналы тока и напряжения преобразуются в потоки цифрового кода, такие как 0101…;

8. Благодаря цифровой обработке сигнала устраняются факторы помех, такие как дисперсия, шум и нелинейность, и восстанавливается поток телекоммуникационных номеров 112 Гбит/с, и это конец.

Другие вспомогательные технологии для когерентной оптической связи:

Производительность когерентной оптической связи высока, но система очень сложна, и эту технологию трудно внедрить.

	Несогласованная связь	Согласованная связь
Определение	Оптическая система передачи, не требующая когерентного гетеродина света	Система оптической передачи с использованием Локальный осциллятор для когерентного обнаружения
Модуляция и демодуляция technology	Передатчик: модуляция интенсивности Приемник: прямое обнаружение	Передатчик: внешняя модуляция Приемник: гетеродин оптического когерентного обнаружения
Оптический формат	Амплитудная модуляция (RZ/NRZ/ODB) Дифференциальная фазовая модуляция (DQBSK)	Фазовая модуляция (BPSK/QPSK) Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
Структура системы	просто Простота внедрения и интеграции	Комплекс Высокие технические требования
Спектральная эффективность	Низкий Информация о частоте и фазе оптической несущей не может быть использована; Пропускная способность одного канала ограничена	High Информация, содержащаяся в амплитуде, частоте и фазе оптического сигнала, может быть обнаружена; ширина полосы пропускания одного канала высока.
Устойчивость к дисперсии	Низкий DCM необходимо настроить для компенсации дисперсии	High Использование технологии DSP для offустановить дисперсию волокна, его можно использовать на очень большом расстоянии для достижения компенсации дисперсии без DCM
Архитектура ROADM	Комплекс Направление приема должно использовать демультиплексор для фильтрации сигнала соответствующей длины волны.	краткий Когерентный прием может выбрать определенную длину волны из мультиплексированного сигнала без необходимости в версии с демультиплексированием.

Некогерентный свет против когерентного света

Для реализации практического применения когерентной оптической связи необходимо опираться на следующие технологии:

• Технология сохранения поляризации

Когерентное обнаружение требует, чтобы направления поляризации сигнального света и света гетеродина были одинаковыми в когерентный оптический связи, то есть направления электрических векторов обоих должны быть одинаковыми, чтобы получить высокую чувствительность, которую может обеспечить когерентный прием.

Потому что в этом случае только проекция электрического вектора света сигнала в направлении электрического вектора света гетеродина может действительно дать вклад в сигнальный ток промежуточной частоты, генерируемый микшированием. Для обеспечения высокой чувствительности необходимо принимать меры по стабилизации поляризации световых волн. В настоящее время существует два основных метода:

Во-первых, «волокно с сохранением поляризации» используется для сохранения состояния поляризации световой волны неизменным в процессе передачи. (Обычное одномодовое волокно изменяет состояние поляризации световой волны из-за таких факторов, как механическая вибрация или изменение температуры волокна.)

Во-вторых, использовать обычное одномодовое волокно, но использовать технологию поляризационного разнесения на приемном конце.

• Технология стабилизации частоты

Стабильность частоты полупроводниковых лазеров очень важна для когерентной оптической связи. Частота лазера очень чувствительна к изменениям рабочей температуры и силы тока. Если частота лазера дрейфует при различных условиях работы, это повлияет на ток ПЧ, тем самым увеличив частоту битовых ошибок.

• Технология сжатия спектра

Спектральная ширина источника света также имеет значение для когерентной оптической связи. Только обеспечив узкую ширину линии световой волны, можно преодолеть влияние квантовой амплитудной модуляции и шумов частотной модуляции полупроводникового лазера на чувствительность приемника. Кроме того, чем уже ширина линии, тем меньше фазовый шум, вызванный дрейфом фазы. Чтобы удовлетворить требования когерентной оптической связи к ширине спектра источника света, обычно применяется технология сжатия ширины спектра.

 Применение домен Когерентная оптическая связь

Короче говоря, это передовая и сложная система оптической передачи, подходящая для передачи информации на большие расстояния и с большей пропускной способностью. При передаче по оптическим волокнам на большие расстояния EDFA (оптические усилители, легированные эрбием) обычно используются для каждых 80-километровых пролетов.

ЭДФА

С когерентной оптической связью передача на большие расстояния намного проще. Более того, когерентная оптическая связьn могут быть преобразованы непосредственно с существующим оптическим волокном и кабелем, стоимость которых можно контролировать.

Когерентная оптическая связь может использоваться для модернизации существующей системы WDM магистральной сети, а также может использоваться в сценариях промежуточной транспортной сети 5G. Даже доступ к оптоволоконному кабелю FTTx в городских условиях начал изучать возможность внедрения когерентной оптической связи. В настоящее время наиболее бурное обсуждение когерентной оптической связи сосредоточено на сценарии «взаимосвязи центров обработки данных» (DCI).

Datacenter

DCI имеет большой спрос на когерентные оптические модули дальнего действия. Особенно в этом году страна активно продвигает направление большего количества вычислительных ресурсов из восточных районов в менее развитые западные регионы, что оказывает большое стимулирующее воздействие на рынок когерентной оптической связи.

Вывод:

В целом, возвращение и популяризация технологии когерентной оптической связи способствуют дальнейшему раскрытию потенциала производительности оптической связи, увеличению предельной пропускной способности и снижению затрат на развертывание. В настоящее время исследования в области технологии когерентной оптической связи продолжаются. Проблемы сложного процесса, большого объема и высокой энергоемкости когерентные оптические модули полностью не решены. В каждом ключевом звене когерентной оптической связи еще есть много возможностей для технологических инноваций.