Introdução à óptica coerente

Desenvolvimento da óptica coerente

O desenvolvimento da óptica coerente deve ser mencionado a partir do surgimento e desenvolvimento da comunicação por fibra óptica. O início da comunicação por fibra óptica remonta a 1966, quando Charles K. Kao, o pai das comunicações por fibra óptica, propôs a fibra de vidro de quartzo como meio de transmissão, assim 

estabelecendo as bases para o sistema de comunicação por fibra óptica de alta velocidade.

E, desde a década de 1980, a comunicação óptica teve um desenvolvimento explosivo com a redução da perda na fibra e o desenvolvimento contínuo de componentes de comunicação óptica, como lasers semicondutores e fotodetectores.

No início da década de 1990, a invenção mais significativa do sistema de comunicação óptica foi o amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA), que pode amplificar o sinal no relé ou na extremidade receptora, estabelecendo a base para a comunicação óptica de longa distância. Até hoje, o EDFA ainda é reconhecido como a tecnologia de amplificador óptico mais amplamente usada e mais confiável. Por volta do mesmo período, também foi desenvolvida a tecnologia de multiplexação densa por divisão de comprimento de onda (DWDM), que utiliza plenamente a região de baixa absorção da fibra, aumentando muito a capacidade de transmissão das comunicações ópticas. 

Com base na combinação das tecnologias EDFA e DWDM, o sistema óptico de modulação de intensidade/detecção direta (IM/DD) vinha sendo amplamente usado. O IM/DD oferece uma solução simples e de baixo custo para transmissão por fibra óptica de grande capacidade e longa distância, portanto a óptica coerente avançou lentamente por algum tempo, devido ao seu alto custo e às tecnologias complexas.

Após a entrada no século XXI, com o aumento repentino do tráfego de rede, o sistema de comunicação óptica passou a ter exigências mais altas de capacidade e qualidade de transmissão. As tecnologias EDFA e WDM são limitadas; os provedores de serviços de comunicação óptica precisam urgentemente encontrar novos avanços tecnológicos para melhorar a capacidade de transmissão. Para atender às demandas, o sistema de comunicação óptica precisa superar ainda mais o efeito de dispersão da fibra, melhorar a capacidade de transmissão dentro da largura de banda limitada e melhorar a sensibilidade do receptor para alcançar uma distância de transmissão maior. Portanto, a tecnologia óptica coerente entra em um estágio de rápido desenvolvimento. Em comparação com o sistema óptico IM/DD tradicional, o sistema de comunicação óptica coerente tem as vantagens de alta sensibilidade, longa distância de transmissão e grande capacidade de comunicação. A tecnologia coerente eleva a capacidade de transmissão do sistema de comunicação óptica a um nível mais alto.

Definição de Óptica Coerente

A óptica coerente usa modulação coerente no transmissor e tecnologia de detecção coerente no receptor. Em comparação com o sistema de comunicação IM/DD convencional, a comunicação óptica coerente possibilita uma distância de transmissão maior e melhor qualidade de comunicação.

A figura a seguir mostra o princípio básico de funcionamento da comunicação óptica coerente. No transmissor, usando modulação externa, o sinal é modulado na portadora óptica na forma de modulação de amplitude, modulação de fase ou modulação de frequência, e então enviado. No receptor, o sinal é misturado com a oscilação local (sinal óptico gerado pelo oscilador óptico local) no misturador óptico e, em seguida, detectado em um detector balanceado. Finalmente, o sinal é processado por processamento digital de sinais (DSP) e enviado para a saída.

Princípio de Funcionamento da Comunicação Óptica Coerente

A tabela a seguir conclui as principais diferenças entre óptica não coerente e óptica coerente.

Óptica coerente vs. não coerente

Vantagens da óptica coerente

• Melhora a sensibilidade do receptor. No sistema de comunicação óptica coerente, a fotocorrente de saída após a mistura coerente é proporcional ao produto da potência óptica do sinal e da potência óptica do oscilador local. Como a potência do oscilador local é muito maior do que a da luz de sinal, a fotocorrente de saída aumenta significativamente, e a sensibilidade de detecção aumenta correspondentemente. Nas mesmas condições, em comparação com a comunicação óptica incoerente tradicional, o receptor da comunicação óptica coerente pode melhorar a sensibilidade em 20dB, equivalente a uma melhoria de 100 vezes em relação à comunicação óptica incoerente tradicional.

• Permite maior distância de transmissão. A sensibilidade aprimorada do receptor permite que a distância de transmissão sem relé aumente de dezenas de quilômetros para milhares de quilômetros.

• Vários tipos de modulação. Em sistemas tradicionais de comunicação óptica, há apenas um formato de modulação: a modulação de intensidade. No entanto, na comunicação óptica coerente, além da modulação de amplitude, também podem ser usados PSK, DPSK, QAM etc., o que traz flexibilidade às aplicações. Além disso, o receptor óptico tradicional responde apenas às mudanças de potência óptica, enquanto a detecção coerente pode detectar todas as informações transportadas pela amplitude, frequência, fase e estado de polarização. 

• Tecnologia DSP poderosa. A tecnologia coerente usa processamento digital de sinais (DSP) para equilibrar e compensar a dispersão, a dispersão de modo de polarização (PMD) e os efeitos não lineares da linha de fibra óptica, além de melhorar a tolerância à dispersão da linha e a tolerância ao filtro ROADM, de modo que possa minimizar a retransmissão na transmissão de alcance ultralongo.

Tecnologia Óptica Coerente

Os principais atributos da tecnologia óptica coerente incluem:

• Tecnologia de modulação externa: Quando um determinado parâmetro da portadora óptica do laser semicondutor é modulado diretamente, sempre haverá oscilação parasita em outros parâmetros. Por exemplo, a modulação direta ASK é acompanhada por mudança de fase, e a profundidade de modulação será limitada. Portanto, no sistema de comunicação óptica coerente, exceto FSK, que pode usar corrente de injeção direta para modulação de frequência, todos os outros métodos usam modulação óptica externa.

• Tecnologia de manutenção de polarização: Para obter um bom efeito de mistura e melhorar a sensibilidade de recepção, o sistema de comunicação óptica coerente exige que a luz do sinal e o oscilador local tenham a mesma direção de polarização. Após a transmissão de longa distância por fibra monomodo, o estado de polarização é aleatório. Portanto, muitos métodos de controle de polarização foram propostos, como fibra com manutenção de polarização, controlador de polarização e recepção por diversidade de polarização.

• Tecnologia de manutenção de frequência: Na comunicação óptica coerente, a estabilidade de frequência dos lasers semicondutores é muito importante. A frequência do laser é muito sensível à mudança na temperatura e na corrente de operação. Se a frequência do laser se desviar com diferentes condições de operação, isso afetará a corrente if e, assim, aumentará a taxa de erro de bits.

• Tecnologia de compressão de espectro: A largura espectral da fonte de luz também é muito importante na comunicação óptica coerente. Para superar a influência do ruído FM na sensibilidade do receptor, é necessário garantir a largura de linha estreita das ondas de luz. Quanto mais estreita a largura de linha, menor o ruído de fase causado pelo deslocamento de fase.

Transceptor óptico coerente

Transceptores ópticos coerentes são a principal solução para redes backbone de longa distância e redes metropolitanas (MANs). No início, os transceptores ópticos coerentes adotavam o fator de forma CFP, que também é chamado de CFP-DCO (óptica coerente digital). O transceptor coerente CFP-DCO tem 82mm de largura e o consumo máximo é de até 24W. No entanto, baixo consumo, fator de forma pequeno, maior taxa de dados e baixo custo são sempre objetivos das comunicações ópticas, então foi desenvolvido o transceptor óptico coerente CFP2, que também é chamado de CFP2-ACO (óptica coerente analógica). Ele tem 41,5m de largura, e o consumo máximo de energia é de 12W. Não há como deter o progresso tecnológico. Nos últimos anos, foram introduzidos fatores de forma menores, de maior velocidade e menor consumo de energia, como 400G OSFP DCO e QSFP-DD DCO, conforme mostra a figura a seguir.

Em resumo, a tendência de desenvolvimento dos módulos ópticos coerentes pode ser concluída da seguinte forma.

• Alta velocidade: De 100G/200g a 400G, e até 800G.

• Miniaturização: de 100G MSA para CFP/CFP2DCO/ACO. Hoje, 400G OSFP DCO e QSFP-DD DCO também são introduzidos.

• Baixo consumo de energia: Considerando os requisitos de consumo de energia do sistema geral, por exemplo, o consumo de energia dos produtos de módulos ópticos coerentes no formato QSFP-DD foi controlado para menos de 15W.

• Padronização e interconexão: Tradicionalmente, vários fabricantes de equipamentos usam suas próprias placas de interface especiais desenvolvidas internamente e métodos privados de modulação de alta ordem e algoritmos FEC, fazendo com que as interfaces de diferentes fabricantes não possam ser interconectadas. A interconexão de módulos ópticos coerentes é a direção futura do setor.

Os módulos ópticos coerentes terão um crescimento explosivo nos próximos anos. A QSFPTEK pode fornecer soluções e transceptores ópticos coerentes; visite www.qsfptek.com e entre em contato com o suporte técnico da QSFPTEK.