Введение в когерентную оптику

Развитие когерентной оптики

Развитие когерентной оптики необходимо рассматривать с момента возникновения и развития волоконно-оптической связи. История волоконно-оптической связи начинается в 1966 году, когда Чарльз К. Као, отец волоконно-оптической связи, предложил использовать кварцевое стекловолокно в качестве среды передачи, что сделало 

закладывая основу для высокоскоростной системы связи по оптическому волокну.

С 1980-х годов оптическая связь получила стремительное развитие благодаря снижению потерь в волокне и постоянному совершенствованию компонентов оптической связи, таких как полупроводниковые лазеры и фотодетекторы.

В начале 1990-х годов наиболее значимым изобретением в системе оптической связи стал эрбиевый оптический усилитель (EDFA), который может усиливать сигнал на ретрансляторе или на приемном конце, заложив основу для дальней оптической связи. До сих пор EDFA считается наиболее широко используемой и надежной технологией оптического усиления. Примерно в тот же период была разработана технология плотного спектрального уплотнения (DWDM), которая эффективно использует область низкого поглощения оптического волокна, значительно увеличивая пропускную способность оптических систем связи. 

Оптическая система с модуляцией интенсивности и прямым детектированием (IM/DD), основанная на сочетании технологий EDFA и DWDM, широко применялась. IM/DD обеспечивает недорогое и простое решение для оптоволоконной передачи данных большой емкости на большие расстояния, поэтому когерентная оптика некоторое время развивалась медленно из-за ее высокой стоимости и сложных технологий.

После наступления XXI века, с резким ростом сетевого трафика, к оптическим коммуникационным системам стали предъявляться более высокие требования в отношении пропускной способности и качества передачи. Технологии EDFA и WDM имеют ограничения, поэтому поставщикам услуг оптической связи необходимо срочно найти новые технологические решения для увеличения пропускной способности. Для удовлетворения этих требований оптической коммуникационной системе необходимо дополнительно компенсировать эффект дисперсии волокна, увеличить пропускную способность в пределах ограниченной полосы частот и повысить чувствительность приемника для достижения большей дальности передачи. Поэтому когерентная оптическая технология вступила в стадию быстрого развития. По сравнению с традиционной оптической системой IM/DD когерентная система оптической связи обладает такими преимуществами, как высокая чувствительность, большая дальность передачи и высокая пропускная способность. Когерентная технология выводит пропускную способность оптических коммуникационных систем на более высокий уровень.

Определение когерентной оптики

В когерентной оптике на передатчике используется когерентная модуляция, а на приемнике — технология когерентного обнаружения. По сравнению с обычной системой связи IM/DD когерентная оптическая связь обеспечивает большую дальность передачи и более высокое качество связи.

На следующем рисунке показан основной принцип работы когерентной оптической связи. На передатчике с использованием внешней модуляции сигнал модулируется на оптическую несущую в форме амплитудной, фазовой или частотной модуляции, а затем передается. На приемнике сигнал смешивается с местным гетеродином (оптическим сигналом, генерируемым местным оптическим генератором) в оптическом смесителе, а затем детектируется балансным детектором. Наконец, сигнал обрабатывается с помощью цифровой обработки сигналов (DSP) и выводится.

Принцип работы когерентной оптической связи

В следующей таблице представлены основные различия между некогерентной и когерентной оптикой.

Когерентная и некогерентная оптика

Преимущества когерентной оптики

• Повышает чувствительность приемника. В когерентной оптической системе связи выходной фототок после когерентного смешения пропорционален произведению оптической мощности сигнала и оптической мощности местного осциллятора. Поскольку мощность местного осциллятора значительно выше мощности сигнального света, выходной фототок существенно увеличивается, а чувствительность обнаружения соответственно повышается. При одинаковых условиях приемник когерентной оптической системы связи может повысить чувствительность на 20 дБ по сравнению с традиционной некогерентной оптической связью, что эквивалентно ее увеличению в 100 раз.

• Обеспечивает большую дальность передачи. Повышенная чувствительность приемника позволяет увеличить дальность передачи без ретрансляторов с десятков до тысяч километров.

• Несколько типов модуляции. В традиционных системах оптической связи используется только один формат модуляции — модуляция интенсивности. Однако в когерентной оптической связи, помимо амплитудной модуляции, также могут использоваться PSK, DPSK, QAM и другие форматы, что обеспечивает гибкость применения. Кроме того, традиционный оптический приемник реагирует только на изменения оптической мощности, тогда как когерентное детектирование позволяет обнаруживать всю информацию, содержащуюся в амплитуде, частоте, фазе и состоянии поляризации. 

• Мощная технология DSP. В когерентной технологии используется цифровая обработка сигналов (DSP) для балансировки и компенсации дисперсии, поляризационной модовой дисперсии (PMD) и нелинейных эффектов оптоволоконной линии, а также для повышения устойчивости линии к дисперсии и устойчивости к фильтрам ROADM, что позволяет минимизировать количество ретрансляторов при передаче на сверхдальние расстояния.

Когерентная оптическая технология

К основным характеристикам технологии когерентной оптики относятся:

• Технология внешней модуляции: При прямой модуляции определённого параметра оптической несущей полупроводникового лазера всегда возникают паразитные колебания других параметров. Например, прямая модуляция ASK сопровождается изменением фазы, а глубина модуляции будет ограничена. Поэтому в системах когерентной оптической связи, за исключением FSK, при котором для частотной модуляции можно использовать непосредственный инжекционный ток, все остальные методы используют внешнюю оптическую модуляцию.

• Технология сохранения поляризации: Для достижения хорошего эффекта смешивания и повышения чувствительности приема когерентная оптическая система связи требует, чтобы сигнальный свет и гетеродин имели одинаковое направление поляризации. После дальней передачи по одномодовому волокну состояние поляризации становится случайным. Поэтому было предложено множество методов управления поляризацией, таких как волокно, сохраняющее поляризацию, контроллер поляризации и прием с поляризационным разнесением.

• Технология поддержания частоты: В когерентной оптической связи стабильность частоты полупроводниковых лазеров имеет очень большое значение. Частота лазера очень чувствительна к изменениям рабочей температуры и тока. Если частота лазера смещается при различных рабочих условиях, это повлияет на ток if и тем самым повысит коэффициент битовых ошибок.

• Технология сжатия спектра: Спектральная ширина источника света также очень важна в когерентной оптической связи. Чтобы преодолеть влияние FM-шума на чувствительность приёмника, необходимо обеспечить узкую ширину линии световых волн. Чем уже ширина линии, тем меньше фазовый шум, вызванный сдвигом фазы.

Когерентный оптический трансивер

Когерентные оптические трансиверы являются основным решением для магистральных сетей дальней связи и городских сетей (MAN). Изначально когерентные оптические трансиверы выпускались в форм-факторе CFP, который также называют CFP-DCO (цифровая когерентная оптика). Ширина когерентного трансивера CFP-DCO составляет 82mm, а максимальное энергопотребление достигает 24W. Однако низкое энергопотребление, компактный форм-фактор, более высокая скорость передачи данных и низкая стоимость всегда были приоритетами в оптической связи, поэтому был разработан когерентный оптический трансивер CFP2, который также называют CFP2-ACO (аналоговая когерентная оптика). Его ширина составляет 41.5m, а максимальное энергопотребление — 12W. Технологический прогресс не останавливается. В последние годы появились форм-факторы меньшего размера с более высокой скоростью и меньшим энергопотреблением, такие как 400G OSFP DCO и QSFP-DD DCO, как показано на следующем рисунке.

Подводя итог, тенденцию развития когерентных оптических модулей можно сформулировать следующим образом.

• Высокая скорость: От 100G/200g до 400G и даже 800G.

• Миниатюризация: от 100G MSA до CFP/CFP2DCO/ACO. Сегодня также представлены 400G OSFP DCO и QSFP-DD DCO.

• Низкое энергопотребление: Учитывая требования к энергопотреблению всей системы, например, энергопотребление продуктов когерентных оптических модулей форм-фактора QSFP-DD удалось удержать на уровне менее 15W.

• Стандартизация и взаимное подключение: Традиционно различные производители оборудования используют разработанные ими специальные интерфейсные платы, а также закрытые методы многоуровневой модуляции и алгоритмы FEC, из-за чего интерфейсы оборудования разных производителей не могут взаимодействовать друг с другом. Взаимодействие когерентных оптических модулей является будущим направлением развития отрасли.

В ближайшие несколько лет когерентные оптические модули продемонстрируют стремительный рост. QSFPTEK предлагает решения и трансиверы для когерентной оптики. Посетите www.qsfptek.com и свяжитесь со службой технической поддержки QSFPTEK.