Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

При использовании простого формата NRZ для кодирования модулирующего сигнала с увеличением скорости передачи информационных данных (от 10 до 100 Гбит/с) потребуется увеличить частотный интервал между каналами и тем самым сократить число спектральных каналов, организуемых в системе передачи. При этом также возрастут дисперсионные искажения в этих каналах, что потребует использования дополнительных средств компенсации дисперсии и оптического усиления.

Для решения этих проблем оптической модуляции и передачи модулированных оптических сигналов в протяженных линиях были предложены принципиально другие способы и средства модуляции, которые предусматривают ограничение полосы частот модулированного сигнала в пределах известной сети частот ITU-T (G.694.1), минимальную чувствительность сигнала к дисперсионным искажениям, накоплению оптических шумов в усилителях и т. д. Основой новых модуляторов стали интегрируемые структуры MZM и EAM на единых подложках (рис. 3.32) в модульные структуры. Для управления процессами модуляции разработаны схемы оптических процессоров для передатчиков и приемников, алгоритмы кодирования, декодирования, цифровой обработки сигналов для компенсации искажений в оптических каналах.

Рис 3.32. Тренд развития интеграции оптических модуляторов [24]

Одним из первых эффективных и широко применяемых решений по построению схем модуляторов для когерентной передачи стал модулятор с четырьмя параллельными оптическими каналами, построенным с двойным разветвлением (рис. 3.33). Такая схема позволила реализовать квадратурную фазовую модуляцию QPSK (Quadra-Phase-Shift-Keying), детальное рассмотрение которой приводится в гл. 4.

141

Рис. 3.33. Модулятор QPSK

Для реализации возрастающих по сложности схем модуляторов для когерентных систем используется технология планарных (плоских) оптических каналов, создаваемых на различных подложках PLC (Planar Lightwave Circuits): Silica-on-Silicon PLCs с применением металлов Au, Au/Sn, Cr, NiCr, TiW, Al и Ti/Pt; полимеров Polymer PLCs. При этом наилучшие показатели передачи обеспечивают подложки из кремния (менее 0,02 дБ/см) [www.enablence.com]. В состав схем на PLC могут входить не только разветвители, параллельные каналы, электроды управления, но и поляризаторы оптического излучения, которые преобразуют пучок света в две ортогональные волны, направляемые в па-

раллельные структуры модулятора PDM-QPSK (Polarization-Division Multiplexing Quadra-Phase-Shift-Keying) (рис. 3.34), где каждая волна модулиру-

ется по фазе своим закодированным сигналом (QPSK1, 2).

Рис. 3.34. Структура PDM-DQPSK модулятора технологии PLC [24]

Для реализации форматов модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation),

в которых предусматривается различное число состояний амплитуд (мощности) оптического сигнала (4, 8, 16, 32, 64, 128, 256), используются интегрированные модуляторы EAM (рис. 3.35). В этих модуляторах также применяются разветвители

142

оптического сигнала, отдельные каналы модуляции с фазовыми фиксированными задержками и аттенюаторами для заданияамплитудного значения.

Рис. 3.35. Модулятор Bell Labs 16 QAM modulator

Также разработаны схемы модуляторов обеспечивающих модуляцию 2-х и большего числа оптических частот одним информационным сигналом (рис. 3.36), где для разделения несущих частот используются интерливинговые фильтры

ILF (Interleave Filter), построенные по неравноплечим схемам MZ [41, 42].

Рис. 3.36. Структура двухчастотного OFDM QPSK модулятора технологииPLC [24]

Метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексиро-

вание с ортогональным частотным разделением) – это метод передачи данных, при котором высокоскоростной поток данных разделяется на несколько относительно низкоскоростных, каждый из которых передается на отдельной оптической несущей с последующим объединением данных. Каждая из несущих модулируется независимо, например, с использованием модуляции вида BPSK (Binary Phase-

143

Shift Keying, двухпозиционная фазовая манипуляция), QPSK (Quadrature PhaseShift Keying, квадратурная фазовая манипуляция) и их разновидностей или QAM. Таким образом формируется одновременная передача нескольких параллельных каналов, которые могут создаваться одним или несколькими лазерами, объединенными в решетку на одной подложке. Одно из преимуществ OFDM заключается в том, что с изменением вида модуляции каждой из несущих появляется возможность адаптации к параметрам канала связи (т. е. при наличии помех скорость уменьшается, а при их отсутствии или снижении уровня, соответственно, увеличивается). Возможности адаптации к параметрам канала и условиям передачи, заложенные в OFDM-методе, обеспечивают его высокую помехоустойчивость и надежность и в оптических системах.

Возрастание сложности оптической схемы модулятора приводит к заметному увеличению габаритов изделий (достаточно сравнить рис. 3.35 и 3.37), что может сказаться и на габаритах оборудования. Кроме того, требуется более сложная электронная база управления и ее программное обеспечение.

Рис. 3.37. Структура модулятора 64QAM [24]

Примеры характеристик некоторых сложных схем оптических модуляторов представлены в табл. 3.3 и на рис. 3.38.

Табл. 3.3. Типовые характеристики 4-х канального модулятора PDM-QPSK для скорости передачи 112 Гбит/с [24]

Рис. 3.38. Оценка полосы пропускания модулятора PDM-QPSK [24]

Главными факторами, определяющими использование сложных схем модуляторов и средств кодирования информационных сигналов являются:

─необходимость увеличения пропускной способности оптических линий без кардинальных изменения инфраструктуры оптической сети (оптических кабельных линий передачи, узлов связи, промежуточных станций и участков передачи – секций усиления, мультиплексирования и регенерации);

─гибкое наращивание пропускной способности спектральных каналов при неизменном их числе или их увеличении;

─сохранение помехоустойчивости передачи (заданной величины OSNR в оптическом канале) при реализации функций выделения и ввода каналов в промежуточных узлах, например, средствами мультиплексоров ROADM;

─технико-экономическими показателями систем передачи.

Важную роль в поддержке перечисленных факторов применения сложных схем когерентной передачи играют приемные устройства, о которых сообщается далее.

3.4.Структуры и схемы прямых

икогерентных приемников оптического излучения. Фотодетекторы

Детектирование оптических сигналов в оптических приемниках некогерентного и когерентного типов реализуется различными схемами, в которых первичным элементом является фотодетектор, как правило, какой-либо одиночный или спаренный фотодиод. Спаренные фотодиоды с одинаковыми характеристиками детектирования позволяют получить более высокое отношение сигнал/шум (около 3 дБ по величине фототока). Наиболее распространенные приборы для фотодетектирования это p-i-n, лавинные широкополосные и избирательные фотодиоды, отличающиеся в зависимости от конкретных исполне-

145

ний величиной квантовой эффективности, шумами и быстродействием (полосой пропускания детектированного сигнала). Учитывая многообразие форматов оптической модуляции, в схемах приемников оптических сигналов реализуются оптические компоненты для некогерентного и когерентного (с использованием оптического гетеродина) детектирования. При этом детектирование может быть аналоговым, когда выделяется непрерывный сигнал после детектора с последующим электронным преобразованием для восстановления информационного сообщения (гетеродинные оптические системы), и цифровым, когда уже оптическая схема позволяет восстановить цифровой формат информационного сообщения и затем фотодетектору произвести его преобразование в электронный формат. При когерентном детектировании в схеме приемника появляются оптический гетеродин с устройством смешивания сигнала приема и гетеродина, цепь управления или стабилизации гетеродина. После фотодетекторов, как правило, устанавливаются схемы широкополосных (согласованных по полосе с информационным сигналом) малошумных электронных усилителей, которые позволяют принятые сигналы в последующих схемах сделать пригодными к цифровой обработке по алгоритмам декодирования, коррекции искажений и т. д.

3.4.1. Структуры и схемы прямых приемников оптического излучения

Типовые структуры и схемы приемников оптических сигналов с прямым детектированием представлены на рис. 3.39–3.44.

На рис. 3.39 изображены простейшие схемы фотоприемников с одним и парой (балансных) фотодиодов, подключенных к схемам трансимпедансных усилителей (ТИУ, в литературе на английском TIA, TransImpedance Amplifiers). Такие схемы применяются в качестве предварительных для детектирования аналоговых сигналов и их усиления, обеспечивающего наибольшее соотношение сигнал/шум.

Рис. 3.39. Схемы приемников оптических сигналов ASK с прямым детектированием

146

При использовании оптической двухчастотной передачи от одного источника может использоваться схема с оптическими полосовыми фильтрами

(рис. 3.40).

Рис. 3.40. Структура приемника оптического сигнала FSK c прямым детектированием

Особенностью схем приемников цифровых сигналов (некогерентных и когерентных) с кодированием является использование оптической схемотехники, позволяющей реализовать совместно с передатчиками эффективные, с точки зрения использования полосы оптического канала и помехоустойчивости, фазовые методы модуляции и демодуляции, например, BPSK, DQPSK, D8PSK и другие, рассматриваемые в разделе 4.

На рис. 3.41–3.44 представлены структуры входных цепей оптических цифровых приемников, среди которых необходимо выделить также приемники, поддерживающие прием двух ортогональных по поляризации волн средствами поляризационных разветвителей (демультиплексоров) PBS (Polarization Beam Splitters), каждая из которых имеет свой формат модуляции.

Особенностью всех схем приемников является использование разветвителей 2×2 и интерферометров Маха–Зендера (MZDI) с включением в их параллельных каналах линий оптической задержки импульсов на тактовый интервал, обознача-

емый τ, и фазовых задержек с различной кратностью π (π/2; π/4; π/8и т. д.).

Рис. 3.41. Структура входной цепи некогерентного приемника оптического сигнала DPSK

147

Рис. 3.42. Структура входной цепи некогерентного приемника оптического сигнала DQPSK

Рис. 3.43. Структура входной цепи некогерентного приемника оптического сигнала D8PSK

148

Рис. 3.44. Структура входной цепи некогерентного приемника оптическогосигнала с двойной поляризацией DP (Dual-Polarization)

Также необходимо отметить, что все оптические входные цепи вносят потери оптической мощности, т. е. каждый разветвитель 1×2, 2×2 понижает оптическую мощность из-за деления как минимум в 2 раза, т. е. в логарифмическом масштабе 3 дБ. Например, в схеме рис. 3.44 снижение мощности в одном из восьми каналов приемника составит более 9 дБ, т. е. более чем в 8 раз. Кроме того, дополнительные потери мощности обусловлены PBS, потерями в оптических волноводах. В целом все потери приводят к уменьшению одного из ключевых параметров передачи в оптических каналах – оптическому отношению сигнал/шум (OSNR, Optical Signal-to-Noise Ratio). Для компенсации указанных потерь в оптических цепях приемника обычно используется малошумящий оптический усилитель, который обеспечивает повышение чувствительности оптического приемника. Также повышение чувствительности оптического приемника достигается использованием когерентного приема.

3.4.2. Структуры и схемы когерентных приемников оптического излучения

На рис. 3.45–3.49 представлены некоторые примеры структур и схем оптических когерентных приемников, в которых применяются спаренные (балансные) фотодетекторы, оптические гетеродины (LO, Local Oscillator), фазовращатели (π/4, π/2, π) и поляризаторы (PS, PBS). Оптические схемы, как правило, выполняются в виде интегральной сборки с пассивными (рис. 3.45) и активными компонентами (рис. 3.47) – перестраиваемыми лазерами LO (SG-DBR до 40 нм).

149

Рис. 3.45. Структура входной цепи простого когерентного приемника оптического сигнала и схема ее реализации в интегральной сборке

К особенностям схем когерентных оптических приемников также относятся цепи управления оптическим гетеродином, т. е. схемы могут быть выполнены для различных условий оптического когерентного приема:

─гетеродинный несинхронный прием (рис. 3.48);

─гетеродинный синхронный прием с управлением LO;

─гомодинныйсинхронныйприем (рис.3.49)с подстройкой частоты, фазыи поляризации LO (OPLL, OpticalPhase LockedLoop). Приэтом подстройка обеспечивается изменением напряжения в цепи управления лазера (OVCO, Optical Voltage Controlled Oscillator). Основным видом когерентного приема в современных и перспективных системах является синхронный гомодинный прием с использованием петли управления фазо-частотнымихарактеристикамиLO(PFD,Phase/freguencyDetector).

Рис. 3.46. Структура входной цепи когерентного приемника оптического сигнала с двойной поляризацией DP (Dual-Polarization)

150