Introduzione all'ottica coerente

Autore Yana

Data 07/31/2022

Con il miglioramento della velocità di trasmissione a singolo canale, l'ottica coerente viene utilizzata in sempre più scenari applicativi nelle moderne comunicazioni ottiche. Questo articolo spiegherà cos'è l'ottica coerente, la sua storia di sviluppo, le caratteristiche e i vantaggi, e discuterà anche la tendenza di sviluppo dei transceiver ottici coerenti innestabili.

Sviluppo dell'ottica coerente

Lo sviluppo dell'ottica coerente deve partire dall'emergere e dallo sviluppo della comunicazione in fibra ottica. L'inizio della comunicazione in fibra ottica risale al 1966, quando Charles K. Kao, il padre delle comunicazioni in fibra ottica, propose la fibra di vetro di quarzo come mezzo di trasmissione, quindi

ponendo le basi per il sistema di comunicazione in fibra ottica ad alta velocità.

E dagli anni '80, la comunicazione ottica ha avuto uno sviluppo esplosivo grazie alla riduzione della perdita della fibra e al continuo sviluppo dei componenti per la comunicazione ottica, come laser a semiconduttore e fotorilevatori.

All'inizio degli anni '90, l'invenzione più significativa del sistema di comunicazione ottica è stata l'amplificatore in fibra drogata con erbio (EDFA), che può amplificare il segnale presso il relay o all'estremità ricevente, ponendo le basi per la comunicazione ottica a lunga distanza. Fino a oggi, EDFA è ancora riconosciuta come la tecnologia di amplificazione ottica più ampiamente utilizzata e più affidabile. Intorno allo stesso periodo, è stata sviluppata anche la tecnologia dense wavelength-division multiplexing (DWDM), che sfrutta appieno la regione a basso assorbimento della fibra, aumentando notevolmente la capacità di trasmissione delle comunicazioni ottiche.

Basato sulla combinazione di tecnologie EDFA e DWDM, il sistema ottico a modulazione di intensità/rilevamento diretto (IM/DD) era stato ampiamente utilizzato. IM/DD offre una soluzione semplice e a basso costo per la trasmissione in fibra ottica ad alta capacità e a lunga distanza, quindi l'ottica coerente è progredita lentamente per un certo periodo, a causa del suo costo elevato e delle tecnologie complesse.

Dopo l'ingresso nel XXI secolo, con l'aumento del traffico di rete, il sistema di comunicazione ottica ha requisiti più elevati in termini di capacità e qualità di trasmissione. Le tecnologie EDFA e WDM sono limitate; i fornitori di servizi di comunicazione ottica devono urgentemente trovare nuove innovazioni tecnologiche per migliorare la capacità di trasmissione. Per soddisfare tali esigenze, il sistema di comunicazione ottica deve superare ulteriormente l'effetto della dispersione della fibra, migliorare la capacità di trasmissione entro la larghezza di banda limitata e aumentare la sensibilità del ricevitore per ottenere una distanza di trasmissione più lunga. Pertanto, la tecnologia ottica coerente entra in una fase di rapido sviluppo. Rispetto al tradizionale sistema ottico IM/DD, il sistema di comunicazione ottica coerente presenta i vantaggi di elevata sensibilità, lunga distanza di trasmissione e grande capacità di comunicazione. La tecnologia coerente porta la capacità di trasmissione del sistema di comunicazione ottica a un livello superiore.

Definizione di ottica coerente

L'ottica coerente utilizza la modulazione coerente sul trasmettitore e la tecnologia di rilevamento coerente sul ricevitore. Rispetto al sistema di comunicazione IM/DD convenzionale, la comunicazione ottica coerente consente una distanza di trasmissione maggiore e una migliore qualità della comunicazione.

La figura seguente mostra il principio di funzionamento di base della comunicazione ottica coerente. Nel trasmettitore, utilizzando la modulazione esterna, il segnale viene modulato sulla portante ottica sotto forma di modulazione di ampiezza, modulazione di fase o modulazione di frequenza, e quindi inviato. Nel ricevitore, il segnale viene miscelato con l'oscillazione locale (segnale ottico generato dall'oscillatore ottico locale) sul mixer ottico e quindi rilevato su un rivelatore bilanciato. Infine, il segnale viene elaborato mediante elaborazione digitale del segnale (DSP) e inviato in uscita.

Working Principle of Coherent Optical Communication

Principio di funzionamento della comunicazione ottica coerente

La tabella seguente riepiloga le principali differenze tra ottica non coerente e ottica coerente.

Ottiche coerenti vs non coerenti

Tipo

Ottiche non coerenti

Ottica coerente

Tecnologia di modulazione e rilevamento

Trasmettitore: modulazione di intensità

Ricevitore: rilevamento diretto

Trasmettitore: modulazione esterna

Ricevitore: rilevamento coerente dell'oscillatore locale

Codice di modulazione

Modulazione di ampiezza(RZ/NRZ/ODB)

Modulazione di fase differenziale(DQPSK)

Modulazione di fase(BPSK/QPSK)

Modulazione di ampiezza in quadratura(QAM)

Efficienza spettrale

Basso；

le informazioni di frequenza e fase della portante ottica non possono essere utilizzate e la capacità di larghezza di banda del singolo canale è limitata

Alto;

Può rilevare l'ampiezza, la frequenza e la fase del segnale ottico, e la larghezza di banda del singolo canale è elevata

Tolleranza alla dispersione

Basso;

DCM è necessario per la compensazione della dispersione

Alto;

Utilizzo del DSP per compensare la dispersione della fibra

Vantaggi dell'ottica coerente

• Migliora la sensibilità del ricevitore. Nel sistema di comunicazione ottica coerente, la fotocorrente in uscita dopo la miscelazione coerente è proporzionale al prodotto della potenza ottica del segnale e della potenza ottica dell'oscillatore locale. Poiché la potenza dell'oscillatore locale è molto maggiore di quella della luce del segnale, la fotocorrente in uscita aumenta significativamente e la sensibilità di rilevamento aumenta di conseguenza. A parità di condizioni, rispetto alla comunicazione ottica incoerente tradizionale, il ricevitore della comunicazione ottica coerente può migliorare la sensibilità di 20dB, equivalente a un miglioramento di 100 volte rispetto a quella della comunicazione ottica incoerente tradizionale.

• Consente una distanza di trasmissione maggiore. La sensibilità migliorata del ricevitore consente di aumentare la distanza di trasmissione senza relè da decine di chilometri a migliaia di chilometri.

• Più tipi di modulazione. Nei sistemi tradizionali di comunicazione ottica esiste un solo formato di modulazione, la modulazione di intensità. Tuttavia, nella comunicazione ottica coerente, oltre alla modulazione di ampiezza, possono essere utilizzati anche PSK, DPSK, QAM, ecc., offrendo flessibilità alle applicazioni. Inoltre, il ricevitore ottico tradizionale risponde solo alle variazioni della potenza ottica, mentre il rilevamento coerente può rilevare tutte le informazioni trasportate dall'ampiezza, dalla frequenza, dalla fase e dallo stato di polarizzazione.

• Potente tecnologia DSP. La tecnologia coerente utilizza l'elaborazione digitale del segnale (DSP) per bilanciare e compensare la dispersione, la dispersione modale di polarizzazione (PMD) e gli effetti non lineari della linea in fibra ottica, e migliorare la tolleranza alla dispersione della linea e la tolleranza del filtro ROADM, in modo da ridurre al minimo la ritrasmissione nelle trasmissioni a lunghissima distanza.

Tecnologia ottica coerente

Gli attributi chiave della tecnologia ottica coerente includono:

• Tecnologia di modulazione esterna: Quando un determinato parametro della portante ottica del laser a semiconduttore viene modulato direttamente, si verifica sempre un'oscillazione parassita verso altri parametri. Ad esempio, la modulazione diretta ASK è accompagnata da una variazione di fase e la profondità di modulazione sarà limitata. Pertanto, nel sistema di comunicazione ottica coerente, ad eccezione dell'FSK, che può utilizzare la corrente di iniezione diretta per la modulazione di frequenza, tutti gli altri metodi utilizzano la modulazione ottica esterna.

• Tecnologia di mantenimento della polarizzazione: Per ottenere un buon effetto di miscelazione e migliorare la sensibilità di ricezione, il sistema di comunicazione ottica coerente richiede che la luce del segnale e l'oscillatore locale abbiano la stessa direzione di polarizzazione. Dopo la trasmissione a lunga distanza attraverso fibra monomodale, lo stato di polarizzazione è casuale. Pertanto, sono stati proposti molti metodi di controllo della polarizzazione, come la fibra a mantenimento della polarizzazione, il controller di polarizzazione e la ricezione a diversità di polarizzazione.

• Tecnologia di mantenimento della frequenza: Nella comunicazione ottica coerente, la stabilità in frequenza dei laser a semiconduttore è molto importante. La frequenza del laser è molto sensibile alla variazione della temperatura di lavoro e della corrente. Se la frequenza del laser varia in base alle diverse condizioni di lavoro, influirà sulla corrente IF e quindi aumenterà il tasso di errore sui bit.

• Tecnologia di compressione dello spettro: La larghezza spettrale della sorgente luminosa è molto importante anche nella comunicazione ottica coerente. Per superare l'influenza del rumore FM sulla sensibilità del ricevitore, è necessario garantire la stretta larghezza di linea delle onde luminose. Quanto più stretta è la larghezza di linea, tanto minore è il rumore di fase causato dallo sfasamento.

Ricetrasmettitore ottico coerente

I transceiver ottici coerenti sono la principale soluzione per le reti backbone a lunga distanza e le reti metropolitane (MAN). All'inizio, i transceiver ottici coerenti adottavano il formato CFP, noto anche come CFP-DCO (digital coherent optics). Il transceiver coerente CFP-DCO è largo 82mm e il consumo massimo arriva fino a 24W. Tuttavia, basso consumo, formato compatto, velocità di trasmissione dati più elevata e basso costo sono da sempre l'obiettivo delle comunicazioni ottiche, quindi è stato sviluppato il transceiver ottico coerente CFP2, noto anche come CFP2-ACO (analog coherent optics). È largo 41.5m e il consumo energetico massimo è 12W. Il progresso tecnologico non si ferma. negli ultimi anni sono stati introdotti form factor più piccoli, più veloci e con minore consumo energetico, come 400G OSFP DCO e QSFP-DD DCO, come mostra la figura seguente.

In sintesi, la tendenza di sviluppo dei moduli ottici coerenti può essere conclusa come segue.

• Alta velocità: Da 100G/200g a 400G, e persino 800G.

• Miniaturizzazione: da 100G MSA a CFP/CFP2DCO/ACO. Oggi vengono introdotti anche 400G OSFP DCO e QSFP-DD DCO.

• Basso consumo energetico: Considerando i requisiti di consumo energetico del sistema complessivo, ad esempio, il consumo energetico dei prodotti con modulo ottico coerente in formato QSFP-DD è stato mantenuto al di sotto di 15W.

• Standardizzazione e interconnessione: Tradizionalmente, vari produttori di apparecchiature utilizzano schede di interfaccia speciali sviluppate internamente e impiegano metodi di modulazione privati di ordine elevato e algoritmi FEC, facendo sì che le interfacce di produttori diversi non possano essere interconnesse. L'interconnessione dei moduli ottici coerenti è la direzione futura del settore.

I moduli ottici coerenti registreranno una crescita esplosiva nei prossimi anni. QSFPTEK può fornire soluzioni e transceiver ottici coerenti; visita www.qsfptek.com e contatta il supporto tecnico QSFPTEK.