Когерентная оптическая связь

Что такое когерентная оптическая связь?

Когерентная оптическая связь отличается от обычной оптической связи тем, что на передающей стороне используется когерентная модуляция, а на приемной стороне для обнаружения применяется когерентная технология. Однако световые сигналы при передаче такие же, как и при обычной оптической передаче. Когерентные решения не требуют дорогостоящих EDFA (обычно устанавливаемых через каждые 80 километров при передаче по волокну на большие расстояния) и позволяют повторно использовать существующую волоконно-оптическую кабельную инфраструктуру, что снижает эксплуатационные расходы системы.

Как работает когерентная технология?

Когерентная модуляция, используемая на передающей стороне, и гетеродинное детектирование, применяемое на приемной стороне, являются двумя ключевыми технологиями когерентной оптической связи. 

Помимо амплитудной модуляции, передатчик в когерентных оптических системах связи также может использовать внешнюю модуляцию для выполнения частотной и фазовой модуляции, например QAM, PSK и QPSK. Дополнительные методы модуляции расширяют возможности передачи информации и обеспечивают адаптацию к гибкому развертыванию. 

На передающей стороне когерентная оптика использует IQ-модулятор на основе MZM и применяет внешнюю модуляцию для реализации усовершенствованных форматов модуляции. Сигналы модулируются на оптическую несущую для вывода.

Когда оптические сигналы достигают приемного конца, запускается ключевая фаза технологии когерентной связи. При смешивании лазерных сигналов от локального гетеродина (LO) с входными сигналами в оптическом смесителе генерируются сигналы ПЧ (которые имеют те же закономерные изменения частоты, фазы и амплитуды, что и исходный сигнал). После смешивания выполняется обнаружение с помощью балансного приемника. Затем цифровой сигнальный процессор (DSP) компенсирует искажения оптических сигналов во время передачи по волоконно-оптическим линиям. После обработки DSP выдается конечный электрический сигнал.

Проще говоря, когерентная технология усиливает сигналы, когда они достигают приемника. Однако при некогерентной связи сигналы усиливаются и ретранслируются в процессе передачи.

Какие существуют типы когерентных технологий?

В зависимости от частоты оптического сигнала локального генератора (LO) и равенства или неравенства частот сигналов когерентную оптическую связь можно разделить на три типа: гетеродинное детектирование, интрадийнное детектирование и гомодинное детектирование.

Гетеродинное детектирование

Фотодетектор получает сигналы промежуточной частоты посредством гетеродинного обнаружения, для чего требуется последующая демодуляция с целью преобразования их в сигналы основной полосы.

Гомодинное и интрадийное детектирование

Гомодинное и интродинное детектирование создают меньше шума, снижая энергопотребление последующей DSP-обработки и требования к связанным компонентам. Эти два подхода чаще используются в когерентной оптической связи.

Сигналы, обнаруженные фотодетектором по гомодинному методу, являются сигналами основной полосы, что исключает необходимость вторичной демодуляции. Однако этот метод обнаружения требует строгого совпадения частоты сигналов гетеродина с частотой сигнальных световых волн, а фазы обоих сигналов должны быть фиксированными. 

Какие технологии используются в когерентной передаче?

Цифровая обработка сигналов (DSP)

Технология DSP упрощает проектирование системы, снижает затраты и устраняет необходимость в модуле компенсации дисперсии (DCM) и компенсирующем дисперсию оптическом волокне (DCF), упрощая линии дальней передачи. Кроме того, по мере развития DSP добавляются новые алгоритмы и функции, такие как технология нелинейной компенсации и технология многокодовой модуляции и демодуляции.

Технология сохранения поляризации

Для поддержания высокой чувствительности и эффективного обнаружения когерентная оптическая связь требует согласованного направления поляризации сигнальных и гетеродинных световых волн, чтобы два электрических вектора совпадали. Поляризационную стабильность можно обеспечить двумя методами: 

Использование волокна, сохраняющего поляризацию, для стабилизации состояния поляризации световых волн и защиты от помех в среде передачи.

Применение стандартного одномодового оптоволокна и технологии пространственного разнесения по поляризации для компенсации изменений поляризации.

Технология стабилизации частоты

Стабильность частоты лазеров’ имеет жизненно важное значение, поскольку когерентная оптическая связь зависит от стабильной частоты для снижения коэффициента битовых ошибок (BER). Однако частота лазеров изменяется под воздействием температуры и тока. Именно здесь применяется технология стабилизации частоты.

Технология сжатия спектра

В когерентной оптической связи узкая спектральная ширина источника света также имеет важное значение. Узкая ширина линии позволяет снизить потери чувствительности, вызванные квантовым шумом, и уменьшить фазовый шум. Для оптимизации надежности сигнала и соответствия требованиям к спектральной ширине источника света в когерентной оптической связи обычно применяется технология сжатия спектра.

Каковы области применения когерентной оптической связи?

Когерентная связь — это передовая, но сложная оптическая коммуникационная система, используемая для передачи данных на большие расстояния и с большей пропускной способностью.

Когерентная оптическая связь широко используется в межсоединениях центров обработки данных (DCI), модернизации систем WDM магистральных сетей, а также в сценариях средне- и дальнемагистральной связи 5G. Также исследуются такие нишевые области, как FTTx и спутниковая связь.