Zināšanas

Kas ir koherentā optika?

Koherenta optikair optiskās šķiedras tehnoloģija, kas kodē datus, izmantojot vairākas gaismas viļņa -amplitūdas, fāzes un polarizācijas- īpašības, nevis vienkārši ieslēdzot un izslēdzot gaismu. Asaskaņota optiskā komunikācijasistēma apvieno progresīvu modulāciju pie raidītāja ar specializētu uztvērēju, kas izmanto savu lāzeru, lai atšifrētu visu ienākošā signāla informācijas saturu. Salīdzinot ar tradicionālajām metodēm, saskaņota optiskā pārraide ievērojami palielina gan jaudu, gan sasniedzamību, tāpēc praktiski visas ātrgaitas, liela attāluma{2}}šķiedru saites mūsdienās ir balstītas uz saskaņotu tehnoloģiju. Kā viena stikla šķiedras šķipsna pārnēsā terabaitus datu pāri okeāniem vai starp datu centriem,{4}}tā ir saskaņota optika. Šajā rokasgrāmatā ir izskaidrots, kā tehnoloģija darbojas, kas padara to par "saskaņotu", kur tā tiek izmantota un kur tā virzās.

Koherentās optikas patiesā nozīme

Vārds "saskaņots" attiecas uz to, kā uztvērējs nosaka optisko signālu{0}}un tieši tas atšķirkoherenta optikano visām iepriekšējām optiskajām tehnoloģijām.

Tradicionālās optiskās šķiedras sistēmas izmanto tiešu noteikšanu (parasti zināmu kā intensity{0}}modulated direct detection jeb IM-DD). Fotodetektors uztverošajā galā vienkārši mēra ienākošās gaismas spilgtumu: spilgts nozīmē 1, tumšs nozīmē 0. Lai gan šī metode ir vienkārša, šī metode atmet lielāko daļu informācijas, ko gaismas vilnis var pārnēsāt, jo īpaši tās fāzi un polarizāciju.

Koherentā sistēmā uztvērējs satur lāzeru, ko sauc par lokālo oscilatoru-asaskaņots gaismas avotskas ģenerē atsauces vilni un sajauc to ar ienākošo signālu. Jo rada abi viļņisaskaņota gaisma-tas nozīmē, ka tiem ir stabila, paredzama frekvences un fāzes attiecība-to traucējumu modelis atklāj ne tikai signāla spilgtumu, bet arī precīzu tā fāzi un polarizācijas stāvokli. Uztvērējs atgūst visu optisko lauku, atbloķējot informācijas izmērus, kuriem tiešā noteikšana vienkārši nevar piekļūt.

Tā ir galvenā priekšrocība. Visas citas saskanīgās optikas priekšrocības-lielāka kapacitāte, ilgāka sasniedzamība, vienkāršāka tīkla konstrukcija- izriet no šīs spējas nolasīt visu informāciju, kas kodēta gaismas vilnī.

Kā darbojas saskaņota optiskā sistēma

Raidītājs: saskaņota modulācija darbībā

Pie raidītāja noskaņojams lāzers rada šauru, stabilu gaismas kūli noteiktā viļņa garumā. Pēc tam darbojas modulatorssaskaņota modulācijaiespiežot datus šajā starā, vienlaikus manipulējot ar trim īpašībām:

Amplitūda- viļņa intensitāti var iestatīt vairākos līmeņos, ne tikai ieslēgt/izslēgt.

Fāze- laika pozīcija viļņu ciklā tiek nobīdīta uz noteiktiem leņķiem (piemēram, 0 grādu , 90 grādi , 180 grādi , 270 grādi ), katrs no tiem attēlo atšķirīgu datu modeli.

Polarizācija- gaisma ir sadalīta divās ortogonālās orientācijās (horizontālā un vertikālā), un katrai no tām ir neatkarīga datu plūsma. Šiskoherenta optiskā polarizācijatehnika, ko sauc par polarizācijas multipleksēšanu, divkāršo viena viļņa garuma jaudu.

Amplitūdas, fāzes un polarizācijas kodēšanas kombinācija ļauj vienam impulsam-ko sauc par simbolu-, lai vienlaikus pārsūtītu vairākus datu bitus, ievērojami pārsniedzot vienu bitu uz simbolu, kas ir sasniedzams ar ieslēgtu-izslēgtu taustiņu.

Uztvērējs: saskaņota optiskā noteikšana un digitālā atkopšana

Šķiedras otrā galā,saskaņota noteikšananotiek: koherentais uztvērējs sajauc ienākošosaskaņots signālsar lokālo oscilatoru lāzeru. Šis traucējumu process rada elektriskus signālus, kas saglabā raidītāja amplitūdas, fāzes un polarizācijas informāciju. Ātrgaitas-analogs-digitālais pārveidotājs{4}}iztver šos signālus, unsaskaņots digitālaissignālu procesors (DSP) apstrādā turpmāko apstrādi.

DSP veic vairākas svarīgas funkcijas. Tas atdala divus polarizācijas kanālus. Tas izseko un kompensē hromatisko izkliedi-parādību, kad dažādi gaismas viļņu garumi nedaudz atšķirīgā ātrumā pārvietojas pa šķiedru, izraisot impulsu izplatīšanos attālumā. Tas arī koriģē polarizācijas režīma izkliedi un citus šķiedru traucējumus reāllaikā, matemātiski, bez fiziskas kompensācijas aparatūras saitē.

Darbojoties kopā ar DSP, pārsūtīšanas kļūdu labošanas (FEC) algoritmi signālā iegulst liekus datus, lai uztvērējs varētu atklāt un labot kļūdas bez atkārtotas pārraides. Uzlabotā mīkstā -lēmuma FEC palielina saskaņoto sistēmu trokšņu toleranci daudz vairāk, nekā to varēja sasniegt iepriekšējās tehnoloģijas.

Tīkla operatoru tīrais efekts: var aktivizēt jaunus šķiedru maršrutus bez manuālas izkliedes kompensācijas katrai saitei. Tiek samazināts fiziskais aprīkojums, vienkāršota tīkla projektēšana un samazinās ekspluatācijas izmaksas.

Kā saskaņota optika nodrošina vairāk datu

Jaudas priekšrocībasaskaņota optiskā komunikācijaatkarīgs no tā, cik bitu katrs simbols nes un cik efektīvi tiek izmantots pieejamais optiskais spektrs.

Izmantojot tradicionālo ieslēgšanas -izslēgšanas taustiņu (OK), katrs simbols satur tieši vienu bitu. Pirmais plaši izmantotais koherentā formāta -divkāršās-polarizācijas kvadrātiskās fāzes nobīdes atslēgas (DP-QPSK)-kodē četrus bitus uz vienu simbolu, kas ir četrkārtīgs pieaugums salīdzinājumā ar tādu pašu datu pārraides ātrumu. Augstākas -kārtības formāti virzās uz priekšu: 16QAM satur 8 bitus uz vienu simbolu, bet 64QAM — 12. Kompromiss ir tāds, ka blīvākiem formātiem ir nepieciešams tīrāks signāls (augstāka optiskā signāla -pret{13}}trokšņu attiecība) un tie darbojas īsākos attālumos, tāpēc operatori izvēlas formātu, kas vislabāk atbilst katras saites garumam.

Spektrālā efektivitāte

Spektrālā efektivitāte-izmantojamās datu caurlaidspējas apjoms uz optiskā spektra vienību-ir vēl viens svarīgs rādītājs. Agrīnās 10 G tiešās-atklāšanas sistēmas sasniedza aptuveni 0,2 bitus sekundē uz hercu. Mūsdienu saskaņotās sistēmas parasti pārsniedz 5–6 b/s/Hz, kas nozīmē, ka viena un tā pati šķiedru un pastiprinātāja infrastruktūra var pārvadāt 25 līdz 30 reizes vairāk datu. Blīvā viļņa garuma dalīšanas multipleksēšanas (DWDM) sistēmā ar 80 vai vairāk kanāliem viens šķiedru pāris var sasniegt desmitiem terabitu sekundē no kopējās jaudas.

Saskaņoti optiskie moduļi: kas ir iekšā

A koherents optiskais raiduztvērējsir autonoms{0}}modulis, ko var pievienot tīkla slēdzim vai maršrutētājam. Vienā pusē ir optiskais interfeiss, kas savieno ar šķiedru; otrai ir elektriskā saskarne, kas savieno ar resursdatora sistēmas datu plakni. Iekšpusē galvenie komponenti ietver regulējamu lāzeru, optisko modulatoru, koherentu uztvērēju ar vietējo oscilatoru un DSP mikroshēmu, kas apstrādā modulāciju, demodulāciju, traucējumu kompensāciju un FEC.

Pēdējo desmit gadu laikā šie komponenti ir nepārtraukti miniaturizēti, lai pakāpeniski samazinātossaskaņoti pieslēdzamsformas faktori. Agrīnās saskaņotās līnijas kartes aizņēma visas šasijas slots. Šodienassaskaņoti raiduztvērējiizmantojiet standarta saskarnes, piemēram, QSFP-DD un OSFP-pietiekami kompaktas, lai pieslēgtu tieši maršrutētāja priekšējiem paneļiem ar lielu portu blīvumu. Piemēram, viens QSFP-DD koherents modulis nodrošina līdz 400 G caurlaidspēju vienā viļņa garumā. Nākamās-paaudzes OSFP moduļu mērķauditorija ir 800 G un vairāk.

Standartizācija ir bijusi būtiska šai attīstībai. Optiskā tīkla darba forums (OIF) definē sadarbspējas līgumus koherentiem pievienojamiem moduļiem, savukārt IEEE 802.3ct standarts nosaka, kā 400G koherentie viļņu garumi saskaras ar Ethernet. Šie standarti ļauj operatoriem vienā tīklā sajaukt dažādu pārdevēju moduļus.

Koherentās optikas pielietojumi

Datu centra starpsavienojums

Hipermēroga mākoņu un mākslīgā intelekta operatori savieno savus datu centrus attālumos no dažiem kilometriem līdz vairāk nekā 120 km. Standartizēts 400G ZR/ZR+saskaņoti pieslēdzamsmoduļi iekļaujas tieši maršrutētāja pieslēgvietās, novēršot vajadzību pēc atsevišķām optiskā transporta platformām un vienkāršot gan liela mēroga-izvietošanu, gan darbības.

Telekomunikāciju mugurkauls: no metro līdz tālsatiksmei{0}}

Pārvadātāji paļaujas uzsaskaņota optiskā komunikācijavisos līmeņos{0}}metro savienojumi starp centrālajiem birojiem, reģionālie savienojumi, kas aptver simtiem kilometru, un starpkontinentālie tālsatiksmes{1}}maršruti. Tā kā 5G tīkla blīvēšana veicina pieaugošo atvilces maršrutēšanas joslas platuma pieprasījumu, kompaktssaskaņoti raiduztvērējiarī atrod ceļu uz šūnu{0}}vietņu apkopošanu.

Zemūdens kabeļi

Starpkontinentālie dati tiek izplatīti pa zemūdens šķiedru sistēmām, kas prasa ārkārtēju sasniedzamību, maksimālo kapacitāti uz šķiedru pāri un augstu uzticamību vidē, kur remonts ir ārkārtīgi dārgs{0}}prasības, kas tikaikoherenta optikavar apmierināt vienlaikus.

Koherentā optika, PAM4 un DWDM

Saskaņots pret PAM4: papildinošs, nekonkurējošs

PAM4 (4-līmeņu impulsa amplitūdas modulācija) dominē īsa-attiecības savienojumos datu centros,-vienkārši, zema-jauda un rentabla{7}}. Tas kodē divus bitus uz vienu simbolu, izmantojot četrus spilgtuma līmeņus, taču bez iebūvētas izkliedes kompensācijas praktiskā sasniedzamība sasniedz aptuveni 10–30 km.Saskaņota optiskā komunikācijasniedzas līdz simtiem vai pat tūkstošiem kilometru uz lielākas jaudas un lielākas sarežģītības rēķina. Abiem ir skaidra darba sadale: PAM4 īsiem-attāluma saitēm, saskaņota visam ilgākam laikam. Tā kā saskaņotie pievienojamie elementi kļūst mazāki un -jaudīgāki, robeža starp tiem turpina virzīties uz iekšu.

Saskanīgs DWDM: Framework Coherent Optics darbojas

Blīvā viļņa garuma dalīšanas multipleksēšana (DWDM) caur vienu šķiedru vienlaikus nosūta desmitiem viļņu garumu, katrai no kurām ir sava datu plūsma.Koherentie optiskie raiduztvērējinoteikt, cik daudz datu nes katrs viļņa garums. In asaskaņotaDWDMsistēma, abas tehnoloģijas ir viena otru papildinošas: DWDM nodrošina kanālus,saskaņota modulācijaaizpilda tos. Ja koherentos moduļos tiek izmantoti noskaņojami lāzeri, pārraides viļņa garumu var iestatīt uz jebkuru kanālu DWDM režģī, sniedzot operatoriem iespēju maršrutēt un pārkonfigurēt jaudu visā tīklā.

Koherentā optika 2026. gadā un vēlāk

No Backbone līdz Metro un Edge

Līdz 2026.koherentie optiskie raiduztvērējistrauji izplešas no tālsatiksmes{0}}pārraides metro tīklos, datu centru starpsavienojumā (DCI) un malu skaitļošanā,-ko veicina 5G-uzlabots trafika pieaugums, sadalītas AI darba slodzes un pieaugošās uzņēmuma joslas platuma prasības.

800G ZR/ZR+saskaņoti pieslēdzamsmoduļi tagad pilda dubultu pienākumu: tie aptver garus{0}}pārbraucienus, kas pārsniedz 1700 km, vienlaikus samazinot maksu par bitu 40–120 km metro savienojumos. Tikmēr lielas-jaudas 100 G saskaņotie moduļi pārveido metro tīkla dizainu-spēcīgāka pārraides jauda apvienojumā ar zemu-zaudējumu šķiedru nodrošina nepastiprinātu pārraidi vairāk nekā 120 km attālumā, izslēdzot starppastiprinātājus un samazinot gan izbūves,{11}}darbības izmaksas.

Malu skaitļošana paātrina šo maiņu. AI secinājumam virzoties uz sadalītiem mezgliem, savienojumiem starp galvenajiem datu centriem un malu vietām ir nepieciešams joslas platums, ko PAM4 nevar nodrošināt šādos attālumos. Kompakts,-mazjaudassaskaņoti raiduztvērējikļūst par šo saišu dabisku pamatelementu.

Nozares impulss

Tiek prognozēts, ka 800 G saskaņoto moduļu piegādes pieaugs no mazāk nekā 5% no kopējā saskaņotā apjoma 2025. gadā līdz aptuveni 30% līdz 2026. gada beigām, ko galvenokārt veicinās Ziemeļamerikas pārvadātāju un liela mēroga DCI pieprasījums. OFC 2026 izstādē OIF demonstrēja vairāku{7}}pārdevēju savietojamību 400ZR un 800ZR pievienojamiem moduļiem,{10}}apstiprinot, ka ekosistēma atbalsta liela mēroga-piegādātāju-neitrālu izvietošanu.

Raugoties nākotnē, 1,6 terabitu -sekundē-saskaņotas sistēmas tiek izstrādātas, izmantojot nākamās-paaudzes DSP silīciju. Trajektorija ir konsekventa: ātrāk, mazāks, ar mazāku jaudu{5}}pagarināšanakoherenta optikano tīkla kodola līdz pat tīkla malai.