Ненаситното глобално търсене на данни, движено от облачните изчисления, стрийминг услугите и интернет на нещата (IoT), тласна оптичните комуникационни системи до техните теоретични граници. За да се отговори на това предизвикателство, усъвършенстваните модулационни формати, които кодират информация за фазата, амплитудата и поляризацията на светлината, станаха от съществено значение. Тази сложност обаче въвежда фундаментален проблем: произволното и динамично състояние на поляризация (SOP) на светлината, докато тя пътува през стотици километри оптично влакно. Решението, което се превърна в основата на модерното кохерентно откриване, е кохерентният приемник с поляризационно разнообразие.
Предизвикателството: Изкривен път за светлина
За разлика от простото включване-изключване на ранните оптични системи, съвременните схеми като двойна-поляризационна квадратурна фаза-изместваща манипулация (DP-QPSK) и QAM от по-висок-порядък използват и двете поляризации на светлината, за да удвоят-капацитета за носене на данни. Светлинните вълни имат две ортогонални поляризационни състояния, обикновено наричани X и Y поляризации. В идеалния случай тези състояния остават различни. Оптичните влакна обаче не са перфектната среда. Несъвършенствата, външните напрежения, температурните вариации и присъщото на влакното двойно пречупване карат SOP да се променя произволно и непредвидимо по време на предаване. Ако бъде оставено неконтролирано, това въртене на поляризацията води до силно избледняване на сигнала и грешки в приемника, което прави безполезни сложните модулационни формати.
Основният принцип: Разделяне, за да завладеете
Кохерентният приемник с поляризационно разнообразие елегантно решава този проблем. Неговият основен принцип не е да проследява или контролира входящата поляризация, а пасивно да я отделя и обработва независимо. Приемникът е проектиран да бъде агностик към входящия SOP, осигурявайки стабилен и надежден сигнал, независимо от усукванията и завоите на влакното.
Архитектурата на такъв приемник е шедьовър на интегрираната фотоника и електроника. Обикновено се състои от няколко ключови етапа:
Разделител на поляризационен лъч (PBS): Това е входната точка. Входящият сигнал с неговия неизвестен и променлив SOP се подава в PBS. Това устройство разделя сигнала на два ортогонални поляризационни компонента. Критично, тези два изхода представляват пълно разлагане на входящата светлина. Независимо от първоначалния SOP, комбинираната мощност и информация в тези два пътя остават постоянни.
90-градусов оптичен хибрид: Всеки от двата поляризационни компонента от PBS след това се подава в собствен 90-градусов оптичен хибрид. Другият вход за двата хибрида е общ, високо стабилен локален осцилатор (LO) лазер. Оптичният хибрид е ключов фактор за кохерентно откриване. Неговата функция е да смесва сигнала с LO и да произвежда изходни сигнали, които представляват синфазните (I) и квадратурните (Q) компоненти както на сигнала, така и на LO за всяка поляризация. За единична поляризация хибридът произвежда четири изхода: I и Q за комбинацията сигнал-LO и техните допълнения. При настройка за поляризационно разнообразие този процес се дублира както за X, така и за Y поляризационните пътища, което води до общо осем аналогови изхода.
Фотодетекция и цифровизация: Осемте светлинни изхода от двата оптични хибрида се преобразуват в електрически токове от набор от балансирани фотодетектори. Тези детектори са от решаващо значение за отхвърляне на шума в общ-режим и подобряване на чувствителността. Получените електрически сигнали-IX, QX, IY, QY (и техните комплементи)-са аналогови представяния на комплексното оптично поле за двете поляризации.
Цифрова обработка на сигнали (DSP): Истинската мощност: Аналоговите сигнали се дигитализират от високо-скоростни аналогови-в-цифрови преобразуватели (ADC). Тук се случва истинската магия. Цифровите проби се предават на мощен DSP двигател. DSP изпълнява няколко критични функции:
Поляризационно де{0}}мултиплексиране: Използвайки адаптивни алгоритми за изравняване (като алгоритъм с постоянен модул или алгоритъм с много-модул), DSP динамично възстановява оригиналните предадени X и Y потоци от данни. Той ефективно „раз-изкривява“ поляризационното въртене, настъпило във влакното в цифровата област.
Възстановяване на фазата на носителя: Компенсира отклонението на честотата и фазата между сигнала и лазерите на локалния осцилатор.
Компенсация на хроматичната дисперсия: Цифрово обръща ефектите на-разширяване на импулса от хроматичната дисперсия.
Решение за данни: Накрая той решава кои символи са били предадени, възстановявайки оригиналния поток от данни.
Въздействие и приложения
Изобретяването и комерсиализацията на кохерентния приемник с поляризационно разнообразие са революционни. Това е позволяваща технология за:
Кабели за дълги{0}}разстояния и подводни кабели: Позволява възможно най-високите скорости на данни на трансокеански разстояния, където поляризационните ефекти са най-изразени.
Взаимосвързвания на центрове за данни (DCI): Позволяват връзки с голям{0}}капацитет между центрове за данни, често през по-стари инсталации за оптични влакна, като се използва разширена модулация.
Гъвкави-мрежови оптични мрежи: Осигурява динамичната производителност, необходима за софтуерно{1}}дефинирани оптични мрежи, които могат да адаптират капацитета при поискване.
В заключение, кохерентният приемник с поляризационно разнообразие е много повече от просто компонент; това е основополагаща подсистема, която е определила поколение оптична комуникация. Чрез умело разделяне на проблема с дрейфа на поляризацията и предаването му на мощен дигитален мозък, той укроти присъщата случайност на светлината в оптичното влакно, отключвайки капацитета на терабитов-мащаб, който формира гръбнака на нашия свързан свят.