Pengenalan kepada Optik Koheren

Pembangunan Optik Koheren

Perkembangan optik koheren mesti dibincangkan dari segi kemunculan dan perkembangan komunikasi gentian optik. Permulaan komunikasi gentian optik bermula sejak tahun 1966 apabila Charles K. Kao, bapa komunikasi gentian optik, mencadangkan gentian kaca kuarza sebagai medium penghantaran, lalu 

meletakkan asas bagi sistem komunikasi gentian optik berkelajuan tinggi.

Sejak tahun 1980-an, komunikasi optik telah berkembang pesat dengan pengurangan kehilangan gentian dan pembangunan berterusan komponen komunikasi optik seperti laser semikonduktor dan pengesan foto.

Pada awal 1990-an, ciptaan paling penting dalam sistem komunikasi optik ialah penguat gentian terdop erbium (EDFA), yang boleh menguatkan isyarat pada geganti atau hujung penerima, sekali gus meletakkan asas untuk komunikasi optik jarak jauh. Sehingga kini, EDFA masih diiktiraf sebagai teknologi penguat optik yang paling banyak digunakan dan paling boleh dipercayai. Dalam tempoh yang sama, teknologi pemultipleksan pembahagian panjang gelombang padat (DWDM) turut dibangunkan, yang menggunakan sepenuhnya kawasan penyerapan rendah gentian, sekali gus meningkatkan kapasiti penghantaran komunikasi optik dengan ketara. 

Berdasarkan gabungan teknologi EDFA dan DWDM, sistem optik modulasi intensiti/pengesanan langsung (IM/DD) telah digunakan secara meluas. IM/DD menyediakan penyelesaian kos rendah dan mudah untuk penghantaran gentian optik berkapasiti besar dan jarak jauh, jadi optik koheren berkembang dengan perlahan buat suatu tempoh kerana kosnya yang tinggi dan teknologinya yang kompleks.

Selepas memasuki abad ke-21, dengan peningkatan trafik rangkaian yang mendadak, sistem komunikasi optik mempunyai permintaan yang lebih tinggi terhadap kapasiti dan kualiti penghantaran. Teknologi EDFA dan WDM adalah terhad, dan penyedia perkhidmatan komunikasi optik perlu segera mencari kejayaan teknologi baharu untuk meningkatkan kapasiti penghantaran. Bagi memenuhi permintaan tersebut, sistem komunikasi optik perlu mengatasi lagi kesan penyebaran gentian, meningkatkan kapasiti penghantaran dalam lebar jalur yang terhad dan meningkatkan kepekaan penerima untuk mencapai jarak penghantaran yang lebih jauh. Oleh itu, teknologi optik koheren memasuki tahap perkembangan pesat. Berbanding sistem optik IM/DD tradisional, sistem komunikasi optik koheren mempunyai kelebihan dari segi kepekaan tinggi, jarak penghantaran yang jauh dan kapasiti komunikasi yang besar. Teknologi koheren meningkatkan kapasiti penghantaran sistem komunikasi optik ke tahap yang lebih tinggi.

Definisi Optik Koheren

Optik koheren menggunakan modulasi koheren pada pemancar dan teknologi pengesanan koheren pada penerima. Berbanding dengan sistem komunikasi IM/DD konvensional, komunikasi optik koheren membolehkan jarak penghantaran yang lebih jauh dan kualiti komunikasi yang lebih baik.

Rajah berikut menunjukkan prinsip kerja asas komunikasi optik koheren. Pada pemancar, menggunakan modulasi luaran, isyarat dimodulasikan kepada pembawa optik dalam bentuk modulasi amplitud, modulasi fasa atau modulasi frekuensi, kemudian dihantar keluar. Pada penerima, isyarat dicampurkan dengan ayunan setempat (isyarat optik yang dijana oleh pengayun optik setempat) pada pengadun optik dan kemudian dikesan pada pengesan seimbang. Akhir sekali, isyarat diproses oleh pemprosesan isyarat digital (DSP) dan dikeluarkan.

Prinsip Kerja Komunikasi Optik Koheren

Jadual berikut merumuskan perbezaan utama antara optik tidak koheren dan optik koheren.

Optik Koheren berbanding Tidak Koheren

Kelebihan Optik Koheren

• Meningkatkan kepekaan penerima. Dalam sistem komunikasi optik koheren, arus foto keluaran selepas pencampuran koheren adalah berkadar dengan hasil darab kuasa optik isyarat dan kuasa optik pengayun tempatan. Oleh sebab kuasa pengayun tempatan jauh lebih besar daripada cahaya isyarat, arus foto keluaran meningkat dengan ketara dan sensitiviti pengesanan turut meningkat. Dalam keadaan yang sama, berbanding komunikasi optik tak koheren tradisional, penerima komunikasi optik koheren dapat meningkatkan sensitiviti sebanyak 20dB, bersamaan dengan peningkatan 100 kali ganda berbanding komunikasi optik tak koheren tradisional.

• Membolehkan jarak penghantaran yang lebih jauh. Kepekaan penerima yang dipertingkatkan membolehkan jarak penghantaran tanpa geganti meningkat daripada berpuluh-puluh kilometer kepada beribu-ribu kilometer.

• Pelbagai jenis modulasi. Dalam sistem komunikasi optik tradisional, hanya terdapat satu format modulasi, iaitu modulasi intensiti. Walau bagaimanapun, dalam komunikasi optik koheren, selain modulasi amplitud, PSK, DPSK, QAM dan sebagainya juga boleh digunakan, yang memberikan fleksibiliti kepada aplikasi. Selain itu, penerima optik tradisional hanya bertindak balas terhadap perubahan kuasa optik, manakala pengesanan koheren dapat mengesan semua maklumat yang dibawa oleh amplitud, frekuensi, fasa dan keadaan polarisasi. 

• Teknologi DSP yang berkuasa. Teknologi koheren menggunakan pemprosesan isyarat digital (DSP) untuk mengimbangi dan mengompensasi serakan, serakan mod polarisasi (PMD), dan kesan tak linear pada talian gentian optik, serta meningkatkan toleransi serakan talian dan toleransi penapis ROADM supaya ia dapat meminimumkan penggunaan pengulang dalam penghantaran jarak ultra jauh.

Teknologi Optik Koheren

Ciri-ciri utama teknologi optik koheren termasuk:

• Teknologi modulasi luaran: Apabila parameter tertentu pembawa optik laser semikonduktor dimodulasi secara langsung, akan sentiasa berlaku ayunan parasit pada parameter lain. Sebagai contoh, modulasi langsung ASK disertai perubahan fasa, dan kedalaman modulasi akan terhad. Oleh itu, dalam sistem komunikasi optik koheren, kecuali FSK yang boleh menggunakan arus suntikan langsung untuk modulasi frekuensi, semua kaedah lain menggunakan modulasi optik luaran.

• Teknologi pengekalan polarisasi: Untuk mencapai kesan pencampuran yang baik dan meningkatkan sensitiviti penerimaan, sistem komunikasi optik koheren memerlukan cahaya isyarat dan pengayun tempatan mempunyai arah polarisasi yang sama. Selepas penghantaran jarak jauh melalui gentian mod tunggal, keadaan polarisasi adalah rawak. Oleh itu, banyak kaedah kawalan polarisasi telah dicadangkan, seperti gentian pengekalan polarisasi, pengawal polarisasi dan penerimaan kepelbagaian polarisasi.

• Teknologi pengekalan frekuensi: Dalam komunikasi optik koheren, kestabilan frekuensi laser semikonduktor amat penting. Frekuensi laser sangat sensitif terhadap perubahan suhu dan arus operasi. Jika frekuensi laser hanyut mengikut keadaan operasi yang berbeza, hal ini akan menjejaskan arus if dan seterusnya meningkatkan kadar ralat bit.

• Teknologi pemampatan spektrum: Lebar spektrum sumber cahaya juga sangat penting dalam komunikasi optik koheren. Untuk mengatasi pengaruh hingar FM terhadap kepekaan penerima, lebar garis gelombang cahaya yang sempit perlu dipastikan. Semakin sempit lebar garis, semakin kecil hingar fasa yang disebabkan oleh anjakan fasa.

Transceiver Optik Koheren

Transceiver optik koheren ialah penyelesaian utama untuk rangkaian tulang belakang jarak jauh dan rangkaian kawasan metropolitan (MAN). Pada peringkat awal, transceiver optik koheren menggunakan faktor bentuk CFP, yang juga dirujuk sebagai CFP-DCO (optik koheren digital). Transceiver koheren CFP-DCO mempunyai lebar 82mm dan penggunaan maksimum sehingga 24W. Walau bagaimanapun, penggunaan rendah, faktor bentuk kecil, kadar data lebih tinggi dan kos rendah sentiasa menjadi matlamat komunikasi optik. Oleh itu, transceiver optik koheren CFP2 dibangunkan, yang juga dirujuk sebagai CFP2-ACO (optik koheren analog). Lebarnya ialah 41.5m dan penggunaan kuasa maksimum ialah 12W. Kemajuan teknologi tidak pernah berhenti. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, faktor bentuk yang lebih kecil, kelajuan lebih tinggi dan penggunaan kuasa lebih rendah telah diperkenalkan, seperti 400G OSFP DCO dan QSFP-DD DCO, seperti yang ditunjukkan dalam rajah berikut.

Ringkasnya, trend perkembangan modul optik koheren boleh dirumuskan seperti berikut.

• Kelajuan tinggi: Daripada 100G/200g hingga 400G, malah 800G.

• Pengecilan saiz: daripada 100G MSA kepada CFP/CFP2DCO/ACO. Hari ini, 400G OSFP DCO dan QSFP-DD DCO juga diperkenalkan.

• Penggunaan kuasa rendah: Dengan mengambil kira keperluan penggunaan kuasa keseluruhan sistem, sebagai contoh, penggunaan kuasa produk modul optik koheren faktor bentuk QSFP-DD telah dikawal pada kurang daripada 15W.

• Penyeragaman dan kesalinghubungan: Secara tradisional, pelbagai pengeluar peralatan menggunakan papan antara muka khas yang dibangunkan sendiri serta kaedah modulasi peringkat tinggi dan algoritma FEC proprietari, menyebabkan antara muka daripada pengeluar yang berbeza tidak dapat saling berhubung. Saling hubungan modul optik koheren merupakan hala tuju masa depan industri.

Modul optik koheren akan mengalami pertumbuhan pesat dalam beberapa tahun akan datang. QSFPTEK boleh menyediakan penyelesaian optik koheren dan transceiver. Sila layari www.qsfptek.com dan hubungi sokongan teknikal QSFPTEK.