CC BY
568
МЕТРОЛОГИЯ
Когерентные технологии для DWDM-сетей дальней связи.
Переходя границу в 100
Джофф Беннет,
директор по технологии и решениям, Infinera
Влияние когерентных технологий
Ввиду того, что операторы сетей стремятся увеличить пропускную способность сетей дальней связи в рамках существующей волоконной инфраструктуры и с той же дальностью оптического сигнала, как и 10G NRZ, важность когерентных технологий очень высока. Фактически существуют реальные примеры внедрений, при которых когерентная передача данных со скоростью 100 Гбит/ с осуществлялась по оптоволокну, которое к тому времени уже списали как устаревшее для передачи сервисов уровня 10G и даже 2,5G. Проще говоря, в настоящее время операторы имеют возможность обеспечивать до десяти раз более высокую оптическую емкость на старом оптоволокне — а это, в свою очередь, означает большой потенциал для снижения затрат. Итак, что такое "когерентные технологии" и как они работают?
Что такое "когерентные технологии"?
Технология когерентного детектирования уже не нова: она использовалась в сфере радиовещания десятилетия назад, то есть, благодаря ей приемник можно было настроить на прием определенной радиостанции, распознав ее среди сотен различных сигналов, передаваемых по радиоволнам. Но идея использовать когерентное детектирование для практического применения в сфере оптической передачи данных была реализована сравнительно недавно. В то время как нет "стандартного" определения когерентного детектирования в сетях DWDM, существуют определенные рыночные ожидания относительно номинальных признаков, характерных для развертывания решения с применением когерентных технологий:
• Амплитудная/фазовая модуляция высокого порядка.
• Поляризационное мультиплексирование.
• Когерентное детектирование посредством лазера гетеродина в приемнике
• Высокоскоростные аналогово-цифровые преобразователи и сложные цифровые сигнальные процессоры в приемнике
Кроме наличия перечисленных ключевых признаков, когерентные технологии демонстрируют потенциал дальнейшего развития, поэтому в следующих поколениях этой технологии мы, возможно, увидим функции активного формирования сигнала в передатчике (с использованием аналого-цифрового преобразователя) и компенсацию нелинейных эффектов в оптоволокне.
Амплитудная/Фазовая модуляция высокого порядка
Наличие фазы является фундаментальным свойством всех волн — звуковых, радио-, и оптических. Если две волны имеют одинаковую частоту (а, следовательно, и одинаковую длину), а их максимумы и минимумы соответствуют друг другу, они являются когерентными, или синфазными. Обычно лазер генерирует когерентный световой сигнал.
Лазерный диод генерирует когерентный пучок света, который входит в интерферометр в точке А, т.о. максимумы и минимумы двух волн совпадают по вертикальной оси. Световой пучок снова разделяется в точке В и передается дальше по верхней и нижней части интерферометра. Данная схема содержит устройство, которое может изменить индекс преломления данной части волновода в соответствии с входным сигналом Б1. Изменение индекса преломления означает, что, когда две волны воссоединятся в точке С, закономерность в разнице фаз будет соответствовать входному сигналу Б1.
К тому моменту, когда световые волны воссоединятся в точке Р, в пучке света будут закодированы четыре фазовых состояния. Каждое фазовое состояние кодирует пару бит, которые организованы соответственно коду Грея (двоичному коду), то есть каждый символ отличается от предыдущего на один бит. Так как данный тип модуляции имеет четыре фазовых состояния, его называют квадратурной фазо-
вой манипуляцией, или ОРБК. Благодаря ей производители РМОМ-систем могут кодировать больше бит на символ. Для ОРБК на символ приходится два бита, а не один, как в случае N1^. Это объясняет улучшение спектральной эффективности и снижение нелинейных эффектов оптоволокна.
Поляризационное мультиплексирование
Большинство из нас знакомы с поляризационными очками, либо имеют смутные воспоминания о школьном курсе физики — например, о том, что световые волны имеют энергетические компоненты, которые подвержены колебаниям вверх-вниз и право-влево. Отфильтровав один тип колебаний от другого, мы можем создать световой импульс с одним состоянием поляризации. Используя поляризацию света, мы можем средствами ОРБК-модуляции создать два типа ОРБК-сигналов: "Х-поляризованный" и "У-поляризованный". Таким образом мы удвоим количество бит, кодированных на один совмещенный символ (т.е., символ, состоящий из Х- и У-поляризованных символов). В результате получается так называемая квадратурная фазовая манипуляция с поляризационным мультиплексированием (РМ-ОРБК).
Амплитудная/фазовая модуляция и поляризационное мультиплексирование являются технологиями, используемыми в оптическом передатчике. Теперь рассмотрим технологии, применяемые в приемнике.
Когерентное детектирование
Пионер радио Гульельмо Маркони был хорошо знаком с принципом когерентного детектирования. Фактически даже сегодня радиоприемник в машине, телефоне или тр3-плеере использует когерентный детектор для того, чтобы поймать одну радиостанцию среди сотен других. Чтобы настроиться на одну из многих доступных станций мы настраиваем гетеродин на частоту данной станции. Входящий комплекс радиоволн смешивается с чистым сигналом гетеродина, и из всех станций только одна
T-Comm, 2G12
35
МЕТРОЛОГИЯ
создаст эффект интерференции с гетеродином. Это объясняется тем, что волны должны иметь очень схожую частоту, чтобы создать эффект интерференции.
В противоположность радиосигналам, DWDM-приемник использует компонент для демультиплексирования спектрального канала, чтобы выделить различные "каналы" до того, как один из них будет обнаружен детектором. То есть, в этом случае преимущество использования оптического когерентного детектирования не состоит в разделении канала, но стоит помнить о том, что приемник может быть намного чувствительнее к сигналу данных, и при условии, что он сделан правильно, он может отражать интерференцию от соседних волн.
Существует ряд причин того, что адаптация когерентного детектирования в отрасли DWDM заняла долгое время. Ввиду появления эрбиевых волоконных усилителей в начале 90-х применение когерентной передачи сигнала не представлялось срочной задачей. Ширина спектральной линии излучения лазера для гетеродина должна была быть минимальной — что до недавнего времени означало более высокую цену готового оборудования.
Возможно, самым значительным фактором растущей важности когерентного детектирования является возникновение и развитие мощных технологий обработки цифровых сигналов, которые помогли решить проблему синхронизации фазы лазера гетеродина и фазы входящего сигнала. В радиочастотах (в мегагерцевом диапазоне) фазовая синхронизация достаточно проста, но оптические волны, используемые в рамках технологии DWDM, имеют частоты до 200 терагерц, таким образом, фазовая синхронизация трудноосуществима вне специализированных лабораторий.
Подход, используемый в коммерчески доступных системах, называется инфрадинным детектированием. В этом случае гетеродин может работать в свободном режиме относительно входящего сигнала (с определенными ограничениями). Внутри цифрового сигнального процессора разница фаз корректируется с применением восстановления несущих. Рассмотрим другие функции цифровых сигнальных процессоров.
Обработка цифровых сигналов
Цифровой сигнальный процессор является ключевым элементом когерентного детектирования при использовании подхода на основе инфрадинного детектирования, но помимо этого он отвечает за два других типа компенсации. В течение многих лет хроматическая дисперсия являлась проблемой оптической передачи данных в сетях дальней связи. Только благодаря технологии компенсации дисперсии, например, применению компенсирующих дисперсию типов оптоволокна, отрасль получила возможность перейти от каналов 2,5 Гбит/ с на каналы 10 Гбит/ с в конце 90-х. Но так как когерентное детектирование является линейной формой детектирования (в противоположность прямому детектированию, которое подчиняется квадратичному закону), невозможно создать алгоритмы компенсации, способные корректировать практически любой уровень хроматической дисперсии, присутствующей в реальных оптических сетях. В недавних полевых тестированиях технология когерентной передачи данных от Infinera смогла обеспечить компенсацию уровню хроматической дисперсии 50 000 пс на 1 нм волокна.
Хроматическая дисперсия варьируется незначительно, но поляризационная модовая дисперсия (PMD) изменяется гораздо быстрее и может демонстрировать высокоскоростные переходные процессы, обуславливающие значительные потери оптического сигнала. Но ценность цифрового сигнального процессора в том, что когерентная технология может компенсировать практически любой уровень поляризационной дисперсии, с которой может столкнуться оператор сети. На прошедшей недавно конференции OFC/NFOEC компании Infinera и Verizon выпустили совместный доклад, описывающий устойчивость к поляризационной дисперсии на уровне 500 пс и устойчивость к импульсным помехам 10000 рад/с. Отметим, что многие их описанных тестирований были ограничены максимальным уровнем поляризационной дисперсии, который могла генерировать тестовая архитектура, в сравнении с возможностями решения.
Ценность оптической интеграции для когерентного детектирования
Одним из недостатков комплексной модуляции и когерентного детектирования является тот факт, что для них необходимо такое количество оптических компонентов, которое несравнимо с обычными NRZ-передатчиками и приемниками. К счастью, оптическая интеграция предлагает практичное решение этой проблемы, и такие производители оптического оборудования, как Ericsson, Alcatel-Lucent и Huawei реализуют технологию оптических интегральных схем на определенном уровне. Несколько лет назад на форуме Optical Interworking Forum были разработаны базовые варианты оптических интегральных схем для передатчиков и приемников пропускной способностью 100G. Нет сведений о коммерческой доступности компонентов на основе этих проектов, но Infinera уже разработала оптические интегральные схемы1 на основе нескольких несущих, интегрирующие оптические элементы для когерентной передачи емкостью 500G на паре микросхем размером с ноготь. Эта микросхема является частью готовой системы1, и некоторые клиенты1 (в лице Cable and Wireless International) уже являются заказчиками этой технологии. Был также продемонстрирован прототип терабитной оптической интегральной схемы, но до момента, когда эта технология будет представлена в коммерческом решении, пройдет не менее двух лет.
Заключение
Когерентная технология изменила расстановку сил на рынке DWDM и обеспечила резкое увеличение дальности и емкости оптических сетей. Эти преимущества основаны на комбинации передовых функций: амплитудной и фазовой модуляции, поляризованного мультиплексирования, когерентного детектирования и сложных процессов цифровой обработки сигналов. В то время как производительность систем на основе когерентной технологии невероятна, сложность оптических соединений требует значительного упрощения путем оптической интеграции. К счастью, коммерческие системы на основе технологии PIC уже доступны на рынке и окажут существенное влияние на принципы экономичности когерентных DWDM-сетей с наступлением терабитной эры.
36
T-Comm, 2012
