Was ist kohärente optische Kommunikation?

Kohärente optische Kommunikation ist eine Technologie im Bereich der Glasfaserkommunikation. Im Vergleich zur herkömmlichen nichtkohärenten optischen Kommunikation bietet die kohärente optische Kommunikation die technischen Vorteile einer längeren Übertragungsentfernung und einer größeren Übertragungskapazität. Daher hat es in der Industrie große Aufmerksamkeit erhalten und das Forschungsinteresse daran ist weiter gestiegen.

WHut ist Kohärentes Licht?

Bevor wir die kohärente optische Kommunikation vorstellen, wollen wir kurz vorstellen, was kohärentes Licht ist. Wir sprechen oft von „Kohärenz“, und jeder versteht, dass damit „zusammenhängend oder beteiligt“ gemeint ist. Kohärenz des Lichts bedeutet, dass zwei Lichtwellen bei der Übertragung gleichzeitig die folgenden drei Bedingungen erfüllen:

1. Die Frequenz (Wellenlänge) ist gleich;

2. Die Schwingungsrichtung ist gleich;

3. Die Phasendifferenz ist konstant.

Kohärentes Licht

Solche zwei Lichtstrahlen können während der Übertragung eine stabile Interferenz miteinander erzeugen. Dieser Eingriff kann entweder ein konstruktiver Eingriff (Verstärkung) oder ein destruktiver Eingriff (Aufhebung) sein. Wie nachfolgend dargestellt:

Es ist offensichtlich, dass konstruktive Interferenz Lichtwellen (Signale) verstärken kann.

Was ist kohärente optische Kommunikation?

Kommen wir nun zum Punkt und sprechen darüber, was kohärente optische Kommunikation ist. Viele Leute denken vielleicht, dass kohärente optische Kommunikation die Verwendung von kohärentem Licht für die Übertragungskommunikation ist, was eigentlich falsch ist. Bei kohärenter optischer Kommunikation und inkohärenter optischer Kommunikation werden grundsätzlich Laser verwendet, ohne dass es hinsichtlich des Lichts einen wesentlichen Unterschied gibt.

Der Grund, warum kohärente optische Kommunikation als „kohärente optische Kommunikation“ bezeichnet wird, hängt nicht vom im Übertragungsprozess verwendeten Licht ab, sondern von der Verwendung kohärenter Modulation auf der Sendeseite und der Verwendung kohärenter Technologie auf der Empfangsseite zur Erkennung.

Nichtkohärente optische Kommunikation

Kohärente optische Kommunikation

Der Unterschied zwischen beiden liegt an beiden Enden, nicht auf dem Übertragungsweg. Die Technologie des Empfängerendes ist der Kern der gesamten kohärenten optischen Kommunikation und auch der Hauptgrund für ihre Leistungsfähigkeit. Unter den gleichen Bedingungen kann der Empfänger der kohärenten optischen Kommunikation im Vergleich zur herkömmlichen nichtkohärenten optischen Kommunikation die Empfindlichkeit um 20 dB verbessern – 100-mal empfindlicher als die nichtkohärente Kommunikation! Mit Hilfe dieser 20 dB kann die Kommunikationsentfernung der kohärenten optischen Kommunikation das Niveau von Tausenden von Kilometern erreichen (nicht kohärentes Licht beträgt nur etwa zehn Kilometer).

Entwicklungshintergrund der kohärenten optischen Kommunikation

Bereits in den 1980er Jahren, als die optische Kommunikation gerade erst im Entstehen begriffen war, hatten Industrieländer wie die Vereinigten Staaten, das Vereinigte Königreich und Japan bereits theoretische Forschungen und Experimente zur kohärenten optischen Kommunikation durchgeführt und gute Ergebnisse erzielt.

Beispielsweise führten AT&T und Bell in den USA 1989 und 1990 nacheinander ein 1.7-Gbps-FSK-Kohärenzübertragungsexperiment vor Ort mit Wellenlängen von 1.3 μm und 1.55 μm ohne Relais zwischen der Rolling Creek-Bodenstation und dem Sunbury-Hub in Pennsylvania im Jahr 1989 durch und 1990, und die Übertragungsentfernung erreicht 35 Kilometer.

Später, in den 1990er Jahren, stellten Experten fest, dass die Menschen immer reifer wurden EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) ​​und WDM-Technologien (Wavelength Division Multiplexing) könnten die Probleme der Relaisübertragung und der Kapazitätserweiterung der optischen Kommunikation einfacher und effektiver lösen. Infolgedessen wurde die technische Forschung zur kohärenten optischen Kommunikation vernachlässigt.

Etwa im Jahr 2008, mit dem Aufkommen des mobilen Internets, nahm der Datenverkehr des Kommunikationsnetzes rapide zu und der Druck auf das Backbone-Netz nahm stark zu. Zu diesem Zeitpunkt ist das Potenzial von EDFA und WDM Technik ist kleiner geworden. Die Hersteller optischer Kommunikation müssen dringend neue technologische Durchbrüche finden, die Übertragungskapazität der optischen Kommunikation verbessern, die Bedürfnisse der Benutzer erfüllen und Druck ablassen.

Die Hersteller stellten fest, dass angesichts der Reife der digitalen Signalverarbeitung (DSP), der Herstellung optischer Geräte und anderer Technologien eine kohärente optische Kommunikation auf der Grundlage dieser Technologien eine gute Wahl ist, um den technischen Engpass der Glasfaserkommunikation über große Entfernungen und hohe Bandbreite zu überwinden. Daher ist es logisch, dass sich die kohärente optische Kommunikation von hinter den Kulissen nach vorne auf die Bühne verlagert hat.

Technische Prinzipien der kohärenten optischen Kommunikation

Wie bereits erwähnt, nutzt die kohärente optische Kommunikation hauptsächlich zwei Schlüsseltechnologien, nämlich kohärente Modulation und Heterodyndetektion. Schauen wir uns zunächst die kohärente Modulation auf der Seite des optischen Senders an. Im rückwärts gerichteten IM-DD-System (Intensity Modulation-Direct Detection) kann nur Intensitätsmodulation (Amplitudenmodulation) verwendet werden, um die Lichtwelle zu modulieren, indem die Laserintensität durch Strom geändert wird, um 0 und 1 zu erzeugen.

Direkte Modulation

Direkte Modulation ist sehr einfach, aber mit einer schwachen Fähigkeit und vielen Problemen verbunden. Jedoch kann in einem kohärenten optischen Kommunikationssystem zusätzlich zur Amplitudenmodulation von Licht auch eine externe Modulation verwendet werden, um eine Frequenzmodulation oder eine Phasenmodulation durchzuführen, wie etwa PSK, QPSK und QAM. Zusätzliche Modulationsverfahren erhöhen nicht nur die Informationstragfähigkeit (ein einzelnes Symbol kann mehr Bits darstellen), sondern eignen sich auch für flexible Engineering-Anwendungen.

Das Folgende ist ein schematisches Diagramm einer externen Modulation:

Wie in der Abbildung gezeigt, wird auf der Sendeseite die externe Modulationsmethode angewendet und der auf dem Mach-Zehnder-Modulator (MZM) basierende IQ-Modulator verwendet, um das Modulationsformat höherer Ordnung zu realisieren, und das Signal wird darauf moduliert optischen Träger geladen und verschickt. 

Es ist das Schlüsselglied beim Betreten der Empfangsseite. Zunächst wird ein durch Lokaloszillation erzeugtes Lasersignal (Lokaloszillatorlicht) in einem optischen Mischer mit dem Eingangssignallicht gemischt, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erhalten, dessen Frequenz, Phase und Amplitude sich nach denselben Regeln wie das Signallicht ändern .

Eine vergrößerte Version der optischen Empfängerstruktur

In einem kohärenten optischen Kommunikationssystem ist die Größe des Ausgangsfotostroms nach kohärentem Mischen proportional zum Produkt aus der optischen Signalleistung und der optischen Leistung des Lokaloszillators. Da die Leistung des Lokaloszillatorlichts viel höher ist als die Leistung des Signallichts, wird der Ausgangsfotostrom erheblich erhöht und auch die Nachweisempfindlichkeit verbessert.

Mit anderen Worten: Bei der nichtkohärenten optischen Kommunikation werden viele Verstärker verwendet, um das Signal während des Übertragungsprozesses kontinuierlich weiterzuleiten und zu verstärken, während das Wesen der kohärenten optischen Kommunikation darin besteht, das schwache ankommende Signal direkt am Empfangsende zu mischen und zu verstärken.

Nach dem Mischen erfolgt die Detektion mit einem symmetrischen Empfänger. Kohärente optische Kommunikation kann entsprechend der Beziehung zwischen der Frequenz des optischen Lokaloszillatorsignals und der optischen Signalfrequenz in Heterodyn-Detektion, Intradyn-Detektion und Homodyn-Detektion unterteilt werden.

Klassifikationen kohärenter optischer Kommunikation

Bei der kohärenten optischen Übertragung der heterodynen Detektion wird das Zwischenfrequenzsignal durch den photoelektrischen Detektor erhalten. Die zweite Demodulation ist ebenfalls erforderlich, bevor es in ein Basisbandsignal umgewandelt werden kann. Homodyne- und Intradyne-Erkennung bringen weniger Rauschen und reduzieren den Leistungsaufwand der nachfolgenden digitalen Signalverarbeitung und die Anforderungen an zugehörige Geräte, sodass sie am häufigsten verwendet werden. Bei der kohärenten optischen Kommunikation mit Homodyndetektion wird das optische Signal ohne sekundäre Demodulation direkt in ein Basisbandsignal umgewandelt, nachdem es einen photoelektrischen Detektor durchlaufen hat. Es erfordert jedoch, dass die Frequenz des Lokaloszillatorlichts und die Signallichtfrequenz genau aufeinander abgestimmt sind, und die Phasenverriegelung des Lokaloszillatorlichts und des Signallichts ist erforderlich.

Als nächstes ist die Verbindung zur digitalen Signalverarbeitung (DSP) von großer Bedeutung.

 Digitale Signalverarbeitung (DSP)

Bei der Übertragung eines optischen Signals über eine Glasfaserverbindung kommt es zu Verzerrungen. Die DCP-Technologie nutzt die einfache Handhabung digitaler Signale, um Verzerrungen zu bekämpfen und zu kompensieren und die Auswirkungen von Verzerrungen auf die Bitfehlerrate des Systems zu reduzieren. Es hat das digitale Zeitalter optischer Kommunikationssysteme eingeläutet und ist zu einer wichtigen Unterstützung für kohärente optische Kommunikationstechnologie geworden. Die DSP-Technologie kann nicht nur auf Empfänger, sondern auch auf Sender angewendet werden.

Wie nachfolgend dargestellt:

DSP-Technologie

Digital zu analog und analog zu digital

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, führt die DSP-Technologie verschiedene Signalkompensationsverarbeitungen durch, wie z. B. die Kompensation der chromatischen Dispersion und die Kompensation der Polarisationsmodendispersion (PMD).

Verschiedene Vergütungen und Schätzungen von DSP

Modul	Funktion
IQ-Quadratur	Kompensieren Sie die durch Modulatoren und Mischer verursachte IQ-Unterquadratur
Uhrwiederherstellung	Kompensieren Sie Stichprobenfehler
Dispersionskompensation	Streuung kompensieren
Polarisationsausgleich	Kompensieren Sie polarisationsbedingte Beeinträchtigungen, Polarisation Demultiplexen
Frequenzschätzung	Schätzung und Kompensation der Trägerfrequenzverschiebung bei Sender und Empfänger
Phasenschätzung	Schätzung und Kompensation des Trägerphasenrauschens
Entscheidungsausgabe	Weiche/harte Entscheidung, Kanaldekodierung, Quellendekodierung, Schätzung der Bitfehlerrate

Die Rollen jedes DSP-Moduls

Die traditionelle nicht-kohärente optische Kommunikation führt eine Dispersionskompensation und andere Funktionen durch optische Wegkompensationsvorrichtungen durch, deren Kompensationswirkung der des DSP weit unterlegen ist. Die Einführung der DSP-Technologie vereinfacht das Systemdesign, spart Kosten und eliminiert das Original Dispersionskompensationsmodul (DCM) oder Dispersionskompensationsfaser im System, was das Verbindungsdesign der Fernübertragung einfacher macht. Mit der Entwicklung von DSP werden kontinuierlich weitere Algorithmen und Funktionen hinzugefügt, beispielsweise die nichtlineare Kompensationstechnologie und die Multicode-Modulations- und Demodulationstechnologie.

Intelligente online Kompensation	Entsprechender Algorithmus
Kompensation der Quadraturunsymmetrie	„Gramm-Schmidt-Orthogonaler Prozess (GSOP)“ Ellipsenkorrekturmethode (EC)“
Dispersionskompensation	Frequenzbereichsdispersiver Equalizer
Polarisationsausgleich	Konstantmodulalgorithmus (CMA)
Schätzung des Trägerfrequenz-Offsets	„Schätzalgorithmus basierend auf Phasendifferenz, FFT-Algorithmus basierend auf Vorzeichen oder Vorzeichenphase“
Schätzung der Trägerphase	Constellation Transformation (CT)-Algorithmus, Blindphasensuchalgorithmus (BPS), ML-Algorithmus (Maximum Likelihood Estimation) usw.
Nichtlineare Kompensation	Voltera-Algorithmus, Einige nichtlineare Kompensationsalgorithmen für neuronale Netze usw.
Codierungsalgorithmus zur Kanalfehlerkorrektur	LDPC-Kodierung, Turbo-Kodierung usw.

Häufig verwendete Kompensationsalgorithmen

Nach der DSP-Verarbeitung wird das endgültige elektrische Signal ausgegeben. Als nächstes überprüfen wir den gesamten Prozess anhand eines Falles einer kohärenten 100G-Übertragung.

Ein Fall einer kohärenten 100G-Übertragung

Der spezifische Prozess ist wie folgt:

1. Nach der digitalen Signalverarbeitung und der Digital-Analog-Umwandlung wird der 112-Gbit/s-Signalstrom nach Eintritt in den optischen Sender einer „Seriell-Parallel“-Umwandlung unterzogen und wird zu 4 Kanälen mit 28-Gbit/s-Signalen.

2. Das vom Laser emittierte Signal wird durch den Polarisationsstrahlteiler zu einem optischen Signal, das in zwei vertikalen Richtungen x und y polarisiert wird.

3. Durch den Modulator höherer Ordnung, der aus dem MZM-Modulator besteht, wird eine QPSK-Modulation hoher Ordnung auf das optische Signal in den Polarisationsrichtungen x und y durchgeführt.

4. Das modulierte polarisierte Lichtsignal wird zur Übertragung über einen Polarisationskombinierer mit einer optischen Faser kombiniert.

5. Nach dem Empfang des Signals trennt das Empfangsende das Signal in zwei vertikale Polarisationsrichtungen X und Y;

6. Durch kohärente Erkennung und Empfang werden die vertikal polarisierten X- und Y-Signale zu Strom-/Spannungssignalen;

7. Durch ADC-Umwandlung werden die Strom- und Spannungssignale in digitale Codeströme wie 0101… umgewandelt;

8. Durch die digitale Signalverarbeitung werden Störfaktoren wie Streuung, Rauschen und Nichtlinearität entfernt, der 112-Gbit/s-Telekommunikationsnummernstrom wird wiederhergestellt, und das ist das Ende.

Andere unterstützende Technologien für kohärente optische Kommunikation:

Die Leistung der kohärenten optischen Kommunikation ist leistungsstark, aber das System ist sehr komplex und es ist schwierig, die Technologie umzusetzen.

	Nicht kohärente Kommunikation	Kohärente Kommunikation
Definition	Optisches Übertragungssystem, das kein kohärentes lokales Oszillatorlicht erfordert	Optisches Übertragungssystem unter Verwendung Lokaler Oszillator zur kohärenten Erkennung
Modulation und Demodulation Technologie	Sender: Intensitätsmodulation Empfänger: Direkterkennung	Sender: Externe Modulation Empfänger: Optische Kohärenzerkennung mit lokalem Oszillator
Optisches Format	Amplitudenmodulation (RZ/NRZ/ODB) Differenzielle Phasenmodulation (DQBSK)	Phasenmodulation (BPSK/QPSK) Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM)
Systemaufbau	Einfacher Einfach zu implementieren und zu integrieren	Complex Hohe technische Anforderungen
Spektrale Effizienz	Niedrig Die Frequenz- und Phaseninformationen des optischen Trägers können nicht ausgenutzt werden; Die Bandbreitenkapazität eines einzelnen Kanals ist begrenzt	Hoch Die durch die Amplitude, Frequenz und Phase des optischen Signals übertragenen Informationen können erfasst werden; die Einzelkanalbandbreite ist hoch
Streuungstoleranz	Niedrig DCM muss für die Dispersionskompensation konfiguriert werden	Hoch Durch die Verwendung der DSP-Technologie zum Ausgleich der Faserdispersion kann es über sehr lange Distanzen verwendet werden, um eine DCM-freie Dispersionskompensation zu erreichen
ROADM-Architektur	Complex Die Empfangsrichtung muss den Demultiplexer verwenden, um das entsprechende Wellenlängensignal herauszufiltern	prägnant Beim kohärenten Empfang kann eine bestimmte Wellenlänge aus dem Multiplexsignal ausgewählt werden, ohne dass eine Demultiplexversion erforderlich ist

Nicht kohärentes Licht vs. kohärentes Licht

Um die praktische Anwendung der kohärenten optischen Kommunikation zu realisieren, ist es notwendig, auf die folgenden Technologien zurückzugreifen:

• Polarisationserhaltende Technologie

Kohärente Detektion erfordert, dass die Polarisationsrichtungen des Signallichts und des Lokaloszillatorlichts gleich sind Kohärente optische Kommunikation, das heißt, die elektrischen Vektorrichtungen der beiden müssen gleich sein, um die hohe Empfindlichkeit zu erhalten, die ein kohärenter Empfang bieten kann.

Denn in diesem Fall kann nur die Projektion des elektrischen Lichtvektors des Signals in Richtung des elektrischen Lichtvektors des Lokaloszillators wirklich zu dem durch die Mischung erzeugten Zwischenfrequenzsignalstrom beitragen. Um eine hohe Empfindlichkeit zu gewährleisten, müssen Maßnahmen zur Stabilisierung der Lichtwellenpolarisation ergriffen werden. Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden:

Erstens wird die „polarisationserhaltende Faser“ verwendet, um den Polarisationszustand der Lichtwelle während des Übertragungsprozesses unverändert zu halten. (Eine gewöhnliche Singlemode-Faser verändert den Polarisationszustand der Lichtwelle aufgrund von Faktoren wie mechanischer Vibration oder Temperaturänderung der Faser.)

Zweitens: Verwenden Sie gewöhnliche Singlemode-Fasern, verwenden Sie jedoch auf der Empfangsseite die Polarisations-Diversity-Technologie.

• Technologie zur Frequenzstabilisierung

Die Frequenzstabilität von Halbleiterlasern ist bei der kohärenten optischen Kommunikation sehr wichtig. Die Frequenz des Lasers reagiert sehr empfindlich auf Änderungen der Betriebstemperatur und des Stroms. Wenn die Frequenz des Lasers bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen driftet, wirkt sich dies auf den ZF-Strom aus und erhöht dadurch die Bitfehlerrate.

• Spectrum Compression-Technologie

Auch die spektrale Breite der Lichtquelle spielt bei der kohärenten optischen Kommunikation eine Rolle. Nur durch die Gewährleistung einer schmalen Linienbreite der Lichtwelle kann der Einfluss des Quantenamplitudenmodulations- und Frequenzmodulationsrauschens des Halbleiterlasers auf die Empfindlichkeit des Empfängers überwunden werden. Außerdem ist das durch die Phasendrift verursachte Phasenrauschen umso geringer, je schmaler die Linienbreite ist. Um die Anforderungen der kohärenten optischen Kommunikation an die Spektralbreite der Lichtquelle zu erfüllen, wird üblicherweise die Technologie zur Spektralbreitenkomprimierung eingesetzt.

 Anwendung Kohärente optische Kommunikation

Kurz gesagt handelt es sich um ein fortschrittliches und komplexes optisches Übertragungssystem, das für die Informationsübertragung über größere Entfernungen und mit höherer Kapazität geeignet ist. Bei der Fernübertragung von Glasfasern werden in der Regel alle 80 km EDFAs (Erbium-Doped Fiber Amplifiers) eingesetzt.

EDFA

Mit kohärenter optischer Kommunikation ist die Übertragung über große Entfernungen viel einfacher. Darüber hinaus, kohärente optische Kommunikationn kann direkt mit den vorhandenen Glasfasern und Kabeln umgewandelt werden, deren Kosten kontrollierbar sind.

Kohärente optische Kommunikation kann zur Aufrüstung des bestehenden WDM-Systems des Backbone-Netzwerks verwendet werden und kann auch in 5G-Mid-Backhaul-Szenarien eingesetzt werden. Sogar der Metro-FTTx-Glasfaserzugang hat begonnen, die Einführung kohärenter optischer Kommunikation zu untersuchen. Die derzeit hitzigste Diskussion über kohärente optische Kommunikation konzentriert sich auf das Szenario der „Data Center Interconnection“ (DCI).

Datacenter

DCI hat eine starke Nachfrage nach kohärenten optischen Modulen für große Entfernungen. Insbesondere in diesem Jahr setzt sich das Land energisch dafür ein, mehr Rechenressourcen aus den östlichen Gebieten in die weniger entwickelten westlichen Regionen zu lenken, was eine große stimulierende Wirkung auf den Markt für kohärente optische Kommunikation hat.

Fazit:

Insgesamt trägt die Rückkehr und Popularisierung der kohärenten optischen Kommunikationstechnologie dazu bei, das Leistungspotenzial der optischen Kommunikation weiter auszuschöpfen, die Grenzbandbreite zu erhöhen und die Bereitstellungskosten zu senken. Derzeit ist die Forschung zur kohärenten optischen Kommunikationstechnologie noch im Gange. Die Probleme eines komplexen Prozesses, eines großen Volumens und eines hohen Stromverbrauchs kohärente optische Module sind noch nicht vollständig gelöst. In jedem wichtigen Glied der kohärenten optischen Kommunikation gibt es noch viel Raum für technologische Innovationen.