Что такое когерентная оптическая связь?

В связи с ограниченностью ресурсов оптического волокна когерентная оптическая связь постепенно совершенствуется и широко внедряется. Из-за непрерывного роста потребности в пропускной способности в последние годы и неспособности ресурсов оптического волокна поспевать за этим ростом увеличение пропускной способности и дальности передачи без увеличения количества волокон стало проблемой для отрасли. По мере постепенного снижения стоимости и сложности систем когерентной технологии, а также благодаря улучшению характеристик оптических устройств и развитию технологии DSP ее применение начинает распространяться на центры обработки данных и сети доступа.

Что такое когерентная оптическая связь

Когерентная оптика связь — это технология оптической связи, основанная на механизме когерентного детектирования.  В отличие от традиционных систем с прямым детектированием и модуляцией интенсивности, приемник в когерентной системе не просто измеряет интенсивность света; вместо этого он вводит опорный световой луч для сравнения и анализа принятого оптического сигнала.

В когерентной системе приёмник оснащён лазером местного гетеродина, который генерирует свет, смешивающийся с сигнальным светом на приёмнике. Благодаря этому процессу смешивания система может восстановить не только информацию об амплитуде сигнала, но и извлечь информацию, связанную с фазой и частотой. Такая возможность восстановления и извлечения этой информации отсутствует в традиционных системах прямого детектирования.

Как работает когерентное обнаружение

Мы можем понять принцип работы когерентный трансивер начиная с процесса обработки на принимающей стороне.

Сначала оптический сигнал, пройдя через оптоволокно большой протяжённости, достигает приёмника. Во время передачи на сигнал обычно воздействуют различные факторы, ухудшающие его качество, такие как дисперсия волокна, фазовый шум и изменения поляризации, а оптическая мощность относительно низкая. В этот момент лазер локального осциллятора внутри приёмника генерирует опорный свет со стабильной частотой и узкой шириной линии, который накладывается на оптический сигнал.

После наложения этих двух световых лучей в оптическом смесителе возникают интерференционные эффекты, обусловленные волновой природой света. После интерференции оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал балансным фотодетектором. В отличие от традиционного прямого детектирования, этот электрический сигнал содержит не только изменения интенсивности, но и сохраняет информацию о фазе и частоте оптического сигнала относительно света местного гетеродина.

После преобразования в электрический сигнал он поступает для обработки в процессор цифровых сигналов (DSP). DSP использует сложные и высокоточные алгоритмы для компенсации дисперсии, изменений поляризации и фазового дрейфа, возникающих при передаче, в конечном итоге восстанавливая исходный сигнал данных.

Ключевые условия для достижения когерентного детектирования

Для стабильного когерентного детектирования необходимо соблюдение нескольких основных условий между оптическим сигналом и светом местного генератора; в противном случае когерентное детектирование не сможет эффективно интерферировать с оптическим сигналом.

Во-первых, частоты оптического сигнала и света локального осциллятора должны быть достаточно близкими. Если разница частот между ними слишком велика, после смешивания возникнет частотное смещение, с которым трудно работать. Разность фаз также должна находиться в пределах отслеживаемого диапазона, чтобы DSP мог выполнить восстановление фазы. Кроме того, состояние поляризации света напрямую влияет на эффективность когерентности; при несовпадении поляризации качество сигнала значительно снижается.

На ранних этапах когерентную оптическую связь было сложно реализовать из-за этих условий. Однако с развитием технологии DSP её возможности динамической компенсации сделали эти условия менее критичными, поскольку точность обеспечивается не оптическими компонентами, а динамической компенсацией DSP. Это является ключевой технологической основой для широкомасштабного внедрения когерентной оптической связи.

Типовая архитектура когерентной системы оптической связи

Когерентная оптическая система связи состоит из двух частей: передатчика и приемника.

Передатчик использует перестраиваемый лазер с узкой шириной линии в качестве источника света и в сочетании с когерентными структурами модуляции, такими как IQ-модулятор, отображает электрический сигнал на амплитуду и фазу оптической несущей. Это позволяет использовать форматы модуляции высокого порядка, такие как QPSK и 16QAM, обеспечивая передачу модулей 100G, 400G, 800G и даже 1.6T, то есть передачу большего объема данных в пределах ограниченной полосы пропускания.

Приемник состоит из лазера местного осциллятора, оптического смесителя, балансного детектора и микросхемы DSP. Микросхема DSP является ядром всей системы, и ее производительность напрямую определяет такие характеристики когерентной системы, как дальность передачи, скорость и стабильность. Иными словами, качество микросхемы DSP напрямую определяет качество системы когерентной оптической связи.

Почему когерентная оптическая связь незаменима

По сравнению с традиционными системами IM/DD когерентные оптические системы связи обеспечивают преимущества, которые выходят за рамки простого увеличения скорости передачи данных. Благодаря использованию гетеродина в процессе детектирования чувствительность приемника системы значительно повышается. Это означает, что при одинаковых условиях оптической мощности когерентные оптические системы связи могут поддерживать передачу на большие расстояния. Кроме того, применение форматов модуляции более высокого порядка значительно повышает спектральную эффективность оптического сигнала.

Кроме того, в сочетании с DSP-чипами когерентные системы обладают мощными возможностями компенсации дисперсии оптоволокна и искажений, связанных с поляризацией. Это позволяет им сохранять стабильные и надежные характеристики передачи даже в сложных условиях линии связи, поэтому когерентная оптическая связь постепенно становится основным выбором в магистральных сетях, городских сетях и центрах обработки данных.

Заключение

Когерентная оптическая связь представляет собой не просто новый метод обнаружения, отличающийся от традиционных методов. За счёт внедрения измерений фазы и поляризации и их сочетания с высокопроизводительной обработкой сигналов данных она обеспечивает комплексное повышение производительности систем оптической связи. Кроме того, благодаря постоянному развитию технологий и снижению стоимости системы когерентной оптической связи выходят за рамки традиционных сценариев дальней передачи, распространяясь на большее количество сетевых уровней, и будут играть важную роль в будущих высокоскоростных сетях оптической связи.