Was ist kohärente optische Kommunikation?

Aufgrund der begrenzten Glasfaserressourcen reift die kohärente optische Kommunikation allmählich heran und wird zunehmend breit eingesetzt. Aufgrund des kontinuierlich wachsenden Bandbreitenbedarfs in den letzten Jahren und der Tatsache, dass die Glasfaserressourcen mit diesem Wachstum nicht Schritt halten können, ist es für die Branche zu einer Herausforderung geworden, die Übertragungskapazität und -distanz zu erhöhen, ohne die Anzahl der Fasern zu steigern. Da die Kosten und die Systemkomplexität der kohärenten Technologie allmählich sinken und sich die Leistung optischer Bauelemente verbessert sowie die DSP-Technologie ausgereift ist, beginnt sich ihre Anwendung auf Rechenzentren und Zugangsnetze auszuweiten.

Was ist kohärente optische Kommunikation

Kohärente Optik Kommunikation ist eine optische Kommunikationstechnologie, die auf einem kohärenten Detektionsmechanismus basiert.  Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen mit Intensitätsmodulation/direkter Detektion misst der Empfänger in einem kohärenten System nicht einfach die Intensität des Lichts; stattdessen führt er einen Referenzlichtstrahl ein, um das empfangene optische Signal zu vergleichen und zu analysieren.

In einem kohärenten System ist der Empfänger mit einem lokalen Oszillatorlaser ausgestattet, der Licht erzeugt, das sich am Empfänger mit dem Signallicht mischt. Durch diesen Mischprozess kann das System nicht nur die Amplitudeninformationen des Signals wiederherstellen, sondern auch phasen- und frequenzbezogene Informationen extrahieren. Diese Fähigkeit, diese Informationen wiederherzustellen und zu extrahieren, ist in herkömmlichen Direktdetektionssystemen nicht vorhanden.

Wie funktioniert kohärente Detektion

Wir können das Funktionsprinzip eines kohärenter Transceiver indem mit dem Verarbeitungsablauf am Empfangsende begonnen wird.

Zunächst gelangt das optische Signal, nachdem es eine Langstrecken-Glasfaser durchlaufen hat, am Empfänger an. Während der Übertragung wird das Signal in der Regel durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt, die die Signalqualität verschlechtern, wie etwa Faserdispersion, Phasenrauschen und Polarisationsänderungen, und die optische Leistung ist relativ gering. An diesem Punkt wird von einem Lokaloszillator-Laser im Empfänger ein Referenzlicht mit stabiler Frequenz und schmaler Linienbreite erzeugt und mit dem optischen Signal überlagert.

Nachdem diese beiden Lichtstrahlen in einem optischen Mischer überlagert wurden, treten aufgrund der Wellennatur des Lichts Interferenzeffekte auf. Nach der Interferenz wird das optische Signal dann von einem symmetrischen Fotodetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Direktdetektion enthält dieses elektrische Signal nicht nur Intensitätsschwankungen, sondern bewahrt auch die Phasen- und Frequenzinformationen des optischen Signals relativ zum Licht des lokalen Oszillators.

Nachdem es in ein elektrisches Signal umgewandelt wurde, gelangt es zur Verarbeitung in einen digitalen Signalprozessor (DSP). Der DSP verwendet komplexe und hochentwickelte Algorithmen, um Dispersion, Polarisationsänderungen und Phasendrift zu kompensieren, die während der Übertragung entstehen, und stellt letztendlich das ursprüngliche Datensignal wieder her.

Wichtige Bedingungen für das Erreichen kohärenter Detektion

Um eine stabile kohärente Detektion zu erreichen, müssen zwischen dem optischen Signal und dem Licht des lokalen Oszillators mehrere grundlegende Bedingungen erfüllt sein; andernfalls kann die kohärente Detektion nicht effektiv mit dem optischen Signal interferieren.

Zunächst müssen die Frequenzen des optischen Signals und des Lichts des lokalen Oszillators ausreichend nahe beieinander liegen. Wenn der Frequenzunterschied zwischen ihnen zu groß ist, entsteht nach der Mischung ein Frequenzversatz, der schwer zu handhaben ist. Auch die Phasendifferenz muss innerhalb eines nachverfolgbaren Bereichs liegen, um sicherzustellen, dass der DSP die Phasenrückgewinnung durchführen kann. Darüber hinaus beeinflusst der Polarisationszustand des Lichts direkt die Kohärenzeffizienz; bei einer Fehlanpassung der Polarisation führt dies zu einer erheblichen Verringerung der Signalqualität.

In den frühen Phasen war kohärente optische Kommunikation aufgrund dieser Bedingungen schwer umzusetzen. Mit der Reife der DSP-Technologie haben ihre dynamischen Kompensationsfähigkeiten diese Bedingungen jedoch weniger kritisch gemacht, da sie auf dynamischer DSP-Kompensation statt auf optischer Präzision beruhen. Dies ist eine wichtige technologische Grundlage für den großflächigen Einsatz kohärenter optischer Kommunikation.

Typische Architektur eines kohärenten optischen Kommunikationssystems

Ein kohärentes optisches Kommunikationssystem besteht aus zwei Teilen: einem Sender und einem Empfänger.

Der Sender verwendet einen abstimmbaren Laser mit schmaler Linienbreite als Lichtquelle und bildet in Kombination mit kohärenten Modulationsstrukturen wie einem IQ-Modulator das elektrische Signal auf die Amplitude und Phase des optischen Trägers ab. Dies ermöglicht die Unterstützung von Modulationsformaten höherer Ordnung wie QPSK und 16QAM und ermöglicht die Übertragung von 100G-, 400G-, 800G- und sogar 1.6T-Modulen, wobei mehr Daten innerhalb einer begrenzten Bandbreite übertragen werden.

Der Empfänger besteht aus einem lokalen Oszillatorlaser, einem optischen Mischer, einem symmetrischen Detektor und einem DSP-Chip. Der DSP-Chip ist das Herzstück des gesamten Systems, und seine Leistung bestimmt direkt die Leistung des kohärenten Systems in Bezug auf Übertragungsdistanz, Geschwindigkeit und Stabilität. Kurz gesagt, die Qualität des DSP-Chips bestimmt direkt die Qualität des kohärenten optischen Kommunikationssystems.

Warum ist kohärente optische Kommunikation unersetzlich

Im Vergleich zu herkömmlichen IM/DD-Systemen bieten kohärente optische Kommunikationssysteme Verbesserungen, die über bloß erhöhte Datenraten hinausgehen. Durch die Verwendung eines lokalen Oszillators im Detektionsprozess wird die Empfängerempfindlichkeit des Systems erheblich verbessert. Das bedeutet, dass kohärente optische Kommunikationssysteme bei gleichen optischen Leistungsbedingungen längere Übertragungsstrecken unterstützen können. Darüber hinaus verbessert die Anwendung höherstufiger Modulationsformate die spektrale Effizienz des optischen Signals erheblich.

Darüber hinaus verfügen kohärente Systeme in Kombination mit DSP-Chips über starke Fähigkeiten zur Kompensation von Faserdispersion und polarisationsbedingten Beeinträchtigungen. Dadurch können sie auch in komplexen Link-Umgebungen eine stabile und zuverlässige Übertragungsleistung aufrechterhalten, weshalb die kohärente optische Kommunikation allmählich zur bevorzugten Wahl in Backbone-Netzwerken, Metropolitan Area Networks und Rechenzentren wird.

Fazit

Kohärente optische Kommunikation ist nicht einfach eine neue Erkennungsmethode, die sich von traditionellen Methoden unterscheidet. Durch die Einführung von Phasen- und Polarisationsdimensionen und deren Kombination mit leistungsstarker Datensignalverarbeitung erreicht sie eine allgemeine Verbesserung der Leistung optischer Kommunikationssysteme. Darüber hinaus weiten sich kohärente optische Kommunikationssysteme mit der kontinuierlichen technologischen Entwicklung und sinkenden Kosten von traditionellen Szenarien der Langstreckenübertragung auf weitere Netzwerkschichten aus und werden in zukünftigen optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationsnetzen eine entscheidende Rolle spielen.