Teadmised

Mis on koherentne optika?

Koherentne optikaon fiiberoptiline tehnoloogia, mis kodeerib andmeid, kasutades valguslainete -amplituudi, faasi ja polarisatsiooni-mitu omadusi, mitte lihtsalt valgust sisse ja välja lülitades. Asidus optiline sidesüsteem ühendab saatja täiustatud modulatsiooni spetsiaalse vastuvõtjaga, mis kasutab sissetuleva signaali täieliku teabesisu dekodeerimiseks oma laserit. Võrreldes traditsiooniliste meetoditega suurendab koherentne optiline edastus märkimisväärselt nii võimsust kui ka ulatust, mistõttu peaaegu kõik kiired{1}}pika{2}}kiudühendused toetuvad tänapäeval koherentsele tehnoloogiale. See, kuidas üks klaaskiu kiud kannab terabaite andmeid üle ookeanide või andmekeskuste vahel-see on koherentne optika. See juhend selgitab, kuidas tehnoloogia töötab, mis muudab selle sidusaks, kus seda kasutatakse ja kuhu see liigub.

Koherentse optika tõeline tähendus

Sõna "koherentne" viitab sellele, kuidas vastuvõtja tuvastab optilise signaali-ja just see eristabkikoherentne optikakõigist varasematest optilistest tehnoloogiatest.

Traditsioonilised kiudsüsteemid kasutavad otsetuvastust (üldtuntud kui intensiivsus-moduleeritud otsetuvastus või IM-DD). Vastuvõtvas otsas olev fotodetektor mõõdab lihtsalt sissetuleva valguse heledust: hele tähendab 1, tume tähendab 0. Kuigi see meetod on lihtne, jätab see meetod kõrvale enamiku teabest, mida valguslaine võib kanda,{5}}eriti selle faasi ja polarisatsiooni.

Koherentses süsteemis sisaldab vastuvõtja laserit, mida nimetatakse kohalikuks ostsillaatoriks-akoherentne valgusallikasmis genereerib võrdluslaine ja segab selle sissetuleva signaaliga. Sest mõlemad lained toodavadkoherentne valgus-see tähendab, et neil on stabiilne, prognoositav suhe sageduse ja faasi vahel-nende häirete muster ei näita mitte ainult signaali heledust, vaid ka selle täpset faasi ja polarisatsiooni olekut. Vastuvõtja taastab kogu optilise välja, vabastades teabe mõõtmed, millele otsetuvastus lihtsalt ei pääse.

See on põhiline eelis. Kõik muud koherentse optika eelised-suurem võimsus, pikem ulatus, lihtsam võrgukujundus-tulenevad sellest võimest lugeda valguslainesse kodeeritud täielikku teavet.

Kuidas koherentne optiline süsteem töötab

Saatja: sidus modulatsioon tegevuses

Saatja juures tekitab häälestatav laser kitsa ja stabiilse valgusvihu kindlal lainepikkusel. Seejärel teostab modulaatorsidus modulatsioontrükkides sellele kiirele andmed, manipuleerides samaaegselt kolme omadusega:

Amplituud- laine intensiivsust saab seada mitmele tasemele, mitte ainult sisse/välja lülitada.

Faas- ajastusasend lainetsüklis nihutatakse määratletud nurkade alla (nt 0 kraadi , 90 kraadi , 180 kraadi , 270 kraadi ), millest igaüks esindab erinevat andmemustrit.

Polarisatsioon- valgus on jagatud kaheks ortogonaalseks orientatsiooniks (horisontaalne ja vertikaalne), millest igaüks kannab sõltumatut andmevoogu. Seekoherentne optiline polarisatsioontehnika, mida nimetatakse polarisatsioonimultipleksimiseks, kahekordistab ühe lainepikkuse võimsust.

Amplituudi-, faasi- ja polarisatsioonikodeeringu kombinatsioon võimaldab ühel impulssil-mida nimetatakse sümboliks-, et kanda korraga mitu bitti andmeid, ületades tunduvalt ühe biti sümboli kohta, mis on saavutatav sisse--väljalülitatud võtmega.

Vastuvõtja: koherentne optiline tuvastamine ja digitaalne taastamine

Kiu teises otsassidus tuvastaminetoimub: koherentne vastuvõtja segab sissetulevatkoherentne signaalkohaliku ostsillaatorlaseriga. See häireprotsess tekitab elektrilisi signaale, mis säilitavad saatja amplituudi, faasi ja polarisatsiooniteabe. Kiire-analoog-digitaalmuundur proovib neid signaale jasidus digitaalnesignaaliprotsessor (DSP) tegeleb järgneva töötlemisega.

DSP täidab mitmeid olulisi funktsioone. See eraldab kaks polarisatsioonikanalit. See jälgib ja kompenseerib kromaatilist dispersiooni-nähtust, kus valguse erinevad lainepikkused liiguvad veidi erineva kiirusega läbi kiudude, põhjustades impulsside levimist kaugusesse. Samuti korrigeerib see matemaatiliselt reaalajas polarisatsioonirežiimi dispersiooni ja muid kiudude kahjustusi ilma lingis füüsilise kompensatsiooni riistvarata.

DSP-ga koos töötavad edasisuunas veaparandus (FEC) algoritmid manustavad signaali üleliigsed andmed, et vastuvõtja saaks tuvastada ja parandada vigu ilma uuesti edastamata. Täiustatud pehme -otsustusvõimega FEC tõstab koherentsete süsteemide müra taluvuse tunduvalt kaugemale sellest, mida varasemad tehnoloogiad suudaksid saavutada.

Puhasefekt võrguoperaatoritele: uued kiudoptilised marsruudid saab aktiveerida ilma iga lingi hajutamise käsitsi kompenseerimiseta. Füüsilised seadmed vähenevad, võrgu disain on lihtsustatud ja tegevuskulud langevad.

Kuidas koherentne optika annab rohkem andmeid

Võimsuse eelissidus optiline sidesõltub sellest, kui palju bitte iga sümbol kannab ja kui tõhusalt olemasolevat optilist spektrit kasutatakse.

Traditsioonilise sisse-{0}}välja klahviga (OOK) kannab iga sümbol täpselt ühte bitti. Esimene laialdaselt kasutusele võetud sidusvormingus -kahe{3}}polarisatsiooni kvadratuurne faasinihke võtmed (DP-QPSK)-kodeerivad neli bitti sümboli kohta, mis on neli korda suurem kui sama edastuskiirus. Kõrgema -järjekorra vormingud liiguvad veelgi: 16QAM kannab 8 bitti sümboli kohta ja 64QAM 12. Kompromiss seisneb selles, et tihedamad vormingud nõuavad puhtamat signaali (kõrgemat optilise signaali-/{13}}müra suhet) ja töötavad lühematel vahemaadel, nii et operaatorid valivad vormingu, mis sobib iga lingi pikkuse ja pikkusega kõige paremini.

Spektriefektiivsus

Spektri efektiivsus-kasutatava andmeedastusvõime suurus optilise spektriühiku kohta-on veel üks oluline mõõdik. Varased 10G otsetuvastussüsteemid saavutasid ligikaudu 0,2 bitti sekundis hertsi kohta. Kaasaegsed koherentsed süsteemid ületavad tavaliselt 5–6 b/s/Hz, mis tähendab, et sama kiudoptilise ja võimendi infrastruktuur suudab kanda 25–30 korda rohkem andmeid. 80 või enama kanaliga tiheda lainepikkusjaotusega multipleksimise (DWDM) süsteemis võib üks kiupaar jõuda kümnetesse terabittidesse koguvõimsusest sekundis.

Sidusad optilised moodulid: mis on sees

A koherentne optiline transiiveron iseseisev{0}}moodul, mis ühendatakse võrgulüliti või ruuteriga. Ühel küljel on optiline liides, mis ühendab fiibereid; teisel on elektriliides, mis ühendub hostsüsteemi andmetasandiga. Peamised komponendid hõlmavad häälestatavat laserit, optilist modulaatorit, lokaalse ostsillaatoriga koherentset vastuvõtjat ja DSP-kiipi, mis käsitleb modulatsiooni, demodulatsiooni, kahjustuste kompenseerimist ja FEC-i.

Viimase kümnendi jooksul on neid komponente pidevalt miniatuurseks muudetud järjest väiksematekssidus ühendatavvormitegurid. Varased koherentsed joonekaardid hõivasid terve šassii pesa. Tänanekoherentsed transiiveridkasutage standardseid liideseid, nagu QSFP-DD ja OSFP-, mis on piisavalt kompaktsed, et ühendada need suure porditihedusega otse ruuteri esipaneelidesse. Näiteks üks QSFP-DD koherentne moodul tagab kuni 400 G läbilaskevõimet ühel lainepikkusel. Järgmise-põlvkonna OSFP moodulid sihivad 800G ja rohkem.

Standardimine on olnud selle arengu jaoks hädavajalik. Optilise Interneti-tööfoorum (OIF) määratleb sidusate ühendatavate moodulite koostalitlusvõime kokkulepped, samas kui IEEE 802.3ct standard määrab, kuidas 400G koherentsed lainepikkused Ethernetiga liidestuvad. Need standardid võimaldavad operaatoritel kombineerida samas võrgus erinevate tarnijate mooduleid.

Koherentse optika rakendused

Andmekeskuse ühendus

Hüperskaala pilve- ja tehisintellekti operaatorid ühendavad oma andmekeskused mõnest kilomeetrist üle 120 km kaugusele. Standardiseeritud 400G ZR/ZR+sidus ühendatavmoodulid sobivad otse ruuteri portidesse, välistades vajaduse eraldi optiliste transpordiplatvormide järele ja lihtsustades nii suuremahulist-juurutamist kui ka toiminguid.

Telekomi selgroog: metroo kaug{0}}liinini

Vedajad loodavadsidus optiline sideiga astme{0}}metrooühendused keskkontorite vahel, sadade kilomeetrite pikkused piirkondlikud ühendused ja mandritevahelised pikamaaliinid{1}}. Kuna 5G võrgu tihendamine suurendab tagasiühenduse ribalaiuse nõudlust, on kompaktnekoherentsed transiiveridleiavad tee ka lahtri{0}}saitide koondamisse.

Allveelaevade kaablid

Mandritevahelised andmed liiguvad läbi merealuste kiudsüsteemide, mis nõuavad äärmist ulatust, maksimaalset võimsust kiupaari kohta ja suurt töökindlust keskkonnas, kus remont on erakordselt kulukas{0}}nõue, et ainultkoherentne optikasaab üheaegselt rahuldada.

Koherentne optika, PAM4 ja DWDM

Sidus vs. PAM4: täiendav, mitte konkureeriv

PAM4 (4-taseme impulsi amplituudmodulatsioon) domineerib andmekeskustes lühikeste-ulatusalaga ühenduste juures-lihtne, madal-võimsus ja kulusäästlik-. See kodeerib kaks bitti sümboli kohta, kasutades nelja heleduse taset, kuid ilma sisseehitatud dispersioonikompensatsioonita ulatub praktiline ulatus umbes 10–30 km kaugusele.Sidus optiline sideulatub sadadesse või isegi tuhandetesse kilomeetritesse suurema võimsuse ja suurema keerukuse hinnaga. Neil kahel on selge tööjaotus: PAM4 lühikeste-kauguslinkide jaoks, sidus kõige pikema jaoks. Kuna sidusad pistikühendused muutuvad väiksemaks ja energiatõhusamaks-, nihkub nende vaheline piir jätkuvalt sissepoole.

Sidus DWDM: raamistiku koherentne optika töötab

Tihe lainepikkusjaotusega multipleksimine (DWDM) saadab samaaegselt läbi ühe kiu kümneid lainepikkusi, millest igaüks kannab oma andmevoogu.Koherentsed optilised transiiveridmäärata, kui palju andmeid iga lainepikkus kannab. Aastal asidusadDWDMsüsteemi, kaks tehnoloogiat täiendavad üksteist: DWDM pakub kanaleid,sidus modulatsioontäidab need. Kui koherentsed moodulid kasutavad häälestatavaid lasereid, saab edastuslainepikkuse seadistada DWDM-võrgu mis tahes kanalile, mis annab operaatoritele paindlikkuse kogu võrgu võimsuse marsruutimiseks ja ümberkonfigureerimiseks.

Koherentne optika 2026. aastal ja hiljem

Backbone'ist Metro ja Edge'i

Aastaks 2026,koherentsed optilised transiiveridlaienevad kiiresti kaug-edastusest suurlinnavõrkudesse, andmekeskuste omavaheliseks ühendamiseks (DCI) ja äärearvutiteks,-mida juhib 5G-Täiustatud liikluse kasv, hajutatud tehisintellekti töökoormus ja ettevõtte kasvavad ribalaiuse nõudmised.

800G ZR/ZR+sidus ühendatavmoodulid täidavad nüüd kahekordset ülesannet: need katavad pikad{0}}vahemaa pikkused üle 1700 km, alandades samal ajal biti maksumust 40–120 km metrooliinidel. Samal ajal kujundavad suure -võimsusega 100G sidusad moodulid ümber suurlinnavõrgu konstruktsiooni-tugevam edastusväljund koos väikese-kaoga kiududega võimaldab võimendamata edastust üle 120 km, välistades vahepealsed võimendid ja vähendades nii ehitus- kui ka kasutuskulusid.

Äärearvutus kiirendab seda nihet. Kuna tehisintellekti järeldused liiguvad hajutatud sõlmede poole, nõuavad põhiandmekeskuste ja äärealade vahelised ühendused ribalaiust, mida PAM4 ei suuda selliste vahemaade tagant edastada. Kompaktne, vähese võimsusega-koherentsed transiiveridmuutuvad nende linkide loomulikuks ehitusplokiks.

Tööstuse hoog

Prognoositakse, et 800G sidusate moodulite tarne kasvab alla 5%-lt kogu sidusast mahust 2025. aastal ligikaudu 30%-ni 2026. aasta lõpuks, mis on tingitud peamiselt Põhja-Ameerika operaatorite ja hüperskaala DCI nõudlusest. OFC 2026. aastal demonstreeris OIF mitme -müüja koostalitlusvõimet 400ZR ja 800ZR ühendatavate moodulite jaoks,{10}} kinnitades, et ökosüsteem toetab laiaulatuslikku-müüjate{12}}neutraalset juurutamist.

Tulevikku vaadates on järgmise-põlvkonna DSP räni jaoks väljatöötamisel 1,6 terabit -sekundis- koherentseid süsteeme. Trajektoor on ühtlane: kiirem, väiksem, väiksema võimsusega-pikeneminekoherentne optikavõrgu tuumast kuni võrgu servani.