코히런트 광통신이란 무엇입니까?

코히어런트 광통신은 광섬유 통신 분야의 기술입니다. 기존의 비간섭성 광통신과 비교할 때 간섭성 광통신은 더 긴 전송 거리와 더 큰 전송 용량의 기술적 이점이 있습니다. 이에 업계의 큰 주목을 받았고 이에 대한 연구 관심도 꾸준히 높아지고 있다.

W모자가있다. 일관된 빛?

가간섭성 광통신을 소개하기 전에 가간섭성 광이 무엇인지 간단히 소개하겠습니다. 우리는 종종 "일관성"에 대해 이야기하며, 모든 사람들은 그것이 "상호 연관되거나 관련됨"을 의미한다는 것을 이해합니다. 빛의 간섭이란 두 개의 광파가 전송 과정에서 동시에 다음 세 가지 조건을 충족하는 것을 의미합니다.

1. 주파수(파장)가 동일합니다.

2. 진동 방향이 동일합니다.

3. 위상차는 일정합니다.

일관된 빛

이러한 두 개의 광선은 전송 중에 서로 안정적인 간섭을 일으킬 수 있습니다. 이 간섭은 보강 간섭(강화) 또는 상쇄 간섭(취소)일 수 있습니다. 아래 그림과 같이:

보강 간섭이 광파(신호)를 더 강하게 만들 수 있다는 것은 분명합니다.

코히런트 광통신이란 무엇입니까?

자, 다음으로 요점으로 가서 코히어런트 광통신이 무엇인지 이야기해 보겠습니다. 많은 사람들이 가간섭성 광통신을 전송 통신에 가간섭성 빛을 사용하는 것이라고 생각할 수 있는데 이는 실제로는 잘못된 것입니다. 가간섭성 광통신과 비간섭성 광통신은 기본적으로 빛에 대한 본질적인 차이 없이 레이저를 사용한다.

가간섭성 광통신을 '간섭성 광통신'이라고 부르는 이유는 전송 과정에서 사용되는 빛에 의존하는 것이 아니라 송신단에서 간섭성 변조를 사용하고 수신단에서 간섭성 기술을 사용하여 감지하기 때문입니다.

비간섭성 광통신

코히런트 광통신

둘의 차이는 전송 경로가 아니라 양쪽 끝에 있습니다. 수신단의 기술은 전체 코히어런트 광통신의 핵심이며 이것이 강력한 이유이기도 합니다. 동일한 조건에서 기존의 비간섭성 광통신과 비교할 때 간섭성 광통신의 수신기는 비간섭성 통신보다 감도를 20db-100배 향상시킬 수 있습니다! 이 20db의 도움으로 간섭성 광통신의 통신 거리는 수천 킬로미터 수준에 도달할 수 있습니다(비간섭성 빛은 약 수십 킬로미터에 불과함).

코히어런트 광통신의 발전 배경

광통신이 막 등장한 1980년대 초반 미국, 영국, 일본 등 선진국에서는 이미 코히어런트 광통신에 대한 이론적인 연구와 실험을 수행하여 좋은 결과를 얻었다.

예를 들어, 1989년과 1990년 미국의 AT&T와 Bell은 1.7년 펜실베니아의 Rolling Creek 지상국과 Sunbury 허브 사이에 릴레이 없이 1.3μm 및 1.55μm 파장으로 1989Gbps FSK 현장 일관성 전송 실험을 연속적으로 수행했습니다. 1990년, 전송 거리는 35km에 이릅니다.

그 후, 1990년대에 전문가들은 점점 더 성숙해지고 있음을 발견했습니다. EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) ​​및 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 기술은 광통신의 릴레이 전송 및 용량 확장 문제를 보다 간단하고 효과적으로 해결할 수 있습니다. 그 결과 가간섭성 광통신에 대한 기술적 연구는 소홀히 다루어져 왔다.

2008년을 전후하여 모바일 인터넷의 확산으로 통신망의 데이터 트래픽이 급격히 증가하고 백본망에 대한 압력이 급격히 증가했습니다. 이때 EDFA의 잠재력과 WDM 기술이 작아졌습니다. 광통신 제조업체는 시급히 새로운 기술 혁신을 찾고, 광통신의 전송 용량을 개선하고, 사용자 요구를 충족하고, 압력을 완화해야 합니다.

제조업체는 디지털 신호 처리(DSP), 광학 장치 제조 및 기타 기술의 성숙으로 인해 이러한 기술을 기반으로 하는 코히어런트 광 통신이 장거리 고대역폭 광섬유 통신의 기술적 병목을 깨기 위한 좋은 선택이라는 것을 알게 되었습니다. 결과적으로 코히어런트 광통신이 무대 뒤에서 무대 앞으로 옮겨온 것은 당연하다.

코히어런트 광통신의 기술 원리

앞서 언급했듯이 코히런트 광통신은 코히런트 변조와 헤테로다인 검출이라는 두 가지 핵심 기술을 주로 사용합니다. 먼저 광 송신기 측의 간섭 변조를 살펴보겠습니다. 역방향 IM-DD(Intensity Modulation-Direct Detection) 시스템에서는 전류를 통해 레이저 강도를 변경하여 0과 1을 생성함으로써 광파를 변조하기 위해 강도(진폭) 변조만 사용할 수 있습니다.

직접 변조

직접 변조는 매우 간단하지만 약한 능력과 많은 문제를 안고 있습니다. 그러나 코히어런트 광통신 시스템에서는 빛의 진폭 변조 외에 PSK, QPSK, QAM과 같은 외부 변조를 이용하여 주파수 변조나 위상 변조를 수행할 수도 있다. 추가 변조 방법은 정보 전달 용량을 증가시킬 뿐만 아니라(단일 기호가 더 많은 비트를 나타낼 수 있음) 유연한 엔지니어링 응용 프로그램에도 적합합니다.

다음은 외부 변조의 개략도입니다.

그림과 같이 송신단에서 외부 변조 방식을 채택하고 MZM(Mach-Zehnder 변조기) 기반 IQ 변조기를 사용하여 고차 변조 형식을 구현하고 신호를 변조합니다. 광 캐리어 및 발송. 

수신단 진입시 키링크입니다. 먼저 국부발진에 의해 생성된 레이저 신호(국부발진기광)를 광 믹서에서 입력 신호광과 혼합하여 신호광과 동일한 규칙에 따라 주파수, 위상 및 진폭이 변화하는 중간 주파수 신호를 얻습니다. .

광수신기 구조의 확대 버전

가간섭성 광통신 시스템에서 가간섭성 혼합 후 출력되는 광전류의 크기는 신호 광전력과 국부발진기 광전력의 곱에 비례한다. 국부 발진기 빛의 전력이 신호등의 전력보다 훨씬 높기 때문에 출력 광전류가 크게 증가하고 감지 감도도 향상됩니다.

즉, 비간섭성 광통신은 송신 과정에서 신호를 지속적으로 중계하고 증폭하기 위해 많은 증폭기를 사용하는 반면, 간섭성 광통신의 본질은 수신단에서 직접 약한 도착 신호를 혼합 및 증폭하는 것입니다.

믹싱 후 평형 수신기로 검출합니다. 코히어런트 광통신은 국부발진기의 광신호의 주파수와 신호의 광주파수의 관계에 따라 헤테로다인 검출, 인트라다인 검출, 호모다인 검출로 나눌 수 있다.

코히어런트 광통신의 분류

헤테로다인 검출의 코히런트 광통신에서 중간 주파수 신호는 광전 검출기에 의해 얻어진다. 베이스밴드 신호로 변환되기 전에 두 번째 복조도 필요합니다. 호모다인 및 인트라다인 감지는 잡음이 적고 후속 디지털 신호 처리의 전력 오버헤드와 관련 장치에 대한 요구 사항을 줄여 가장 일반적으로 사용됩니다. 호모다인 검출 코히어런트 광통신에서 광신호는 XNUMX차 복조 없이 광전 검출기를 통과한 후 바로 기저대역 신호로 변환된다. 그러나 국부 발진기와 신호등의 주파수가 엄격하게 일치해야 하며 국부 발진기와 신호등의 위상 잠금이 필요합니다.

다음은 매우 중요한 디지털 신호 처리(DSP) 링크입니다.

 디지털 신호 처리 (DSP)

광 신호가 광섬유 링크에서 전송될 때 왜곡이 발생합니다. DCP 기술은 디지털 신호의 다루기 쉬운 특성을 활용하여 왜곡을 방지하고 보정하며 시스템 비트 오류율에 대한 왜곡의 영향을 줄입니다. 광통신 시스템의 디지털 시대를 열었고 코히어런트 광통신 기술의 중요한 지원이 되었습니다. DSP 기술은 수신기뿐만 아니라 송신기에도 적용될 수 있습니다.

아래 그림과 같이:

DSP 기술

디지털에서 아날로그로, 아날로그에서 디지털로

위의 그림에서 알 수 있듯이 DSP 기술은 색분산 보상, 편광 모드 분산 보상(PMD) 등 다양한 신호 보상 처리를 수행합니다.

DSP의 다양한 보상 및 추정

모듈	함수
IQ 구적	변조기 및 믹서로 인한 IQ under-quadrature 보정
시계 복구	샘플링 오류 보상
분산 보상	분산 보정
편광 균등화	편극 의존성 장애, 편극 보상 역다중화
주파수 추정	송신기와 수신기에서 반송파 주파수 편이 추정 및 보상
위상 추정	반송파 위상 잡음 추정 및 보상
결정 출력	소프트/하드 디시전, 채널 디코딩, 소스 디코딩, 비트 오류율 추정

DSP의 각 모듈의 역할

기존의 비간섭성 광통신은 광로 보상 장치를 통해 분산 보상 및 기타 기능을 수행하는데, 보상 효과는 DSP보다 훨씬 떨어집니다. DSP 기술의 도입은 시스템 설계를 단순화하고 비용을 절감하며 원본을 제거합니다. 분산 보상 모듈 (DCM) 또는 분산 보상 광섬유를 시스템에 추가하여 장거리 전송의 링크 설계를 더 간단하게 만듭니다. DSP의 발전으로 비선형 보상 기술, 다중 코드 변조 및 복조 기술과 같은 더 많은 알고리즘과 기능이 지속적으로 추가되고 있습니다.

보상	해당 알고리즘
구적 불균형 보정	"Gramm-Schmidt Orthogonal Process(GSOP) 타원 수정 방법(EC)"
분산 보상	주파수 영역 분산 이퀄라이저
편광 균등화	상수 계수 알고리즘(CMA)
캐리어 주파수 오프셋 추정	"위상차에 기반한 추정 알고리즘, 부호 또는 부호 위상에 기반한 FFT 알고리즘"
캐리어 위상 추정	별자리 변환(CT) 알고리즘, 블라인드 위상 탐색 알고리즘(BPS), ML(Maximum Likelihood Estimation) 알고리즘 등
비선형 보상	볼테라 알고리즘, 일부 신경망 비선형 보상 알고리즘 등
채널 오류 수정 코딩 알고리즘	LDPC 인코딩, 터보 인코딩 등

일반적으로 사용되는 보상 알고리즘

DSP 처리 후 최종 전기 신호가 출력됩니다. 다음으로 100G 코히어런트 전송의 경우를 통해 전 과정을 살펴본다.

100G 코히어런트 전송의 경우

구체적인 과정은 다음과 같습니다.

1. 디지털 신호 처리 및 디지털-아날로그 변환 후 112Gbps 신호 스트림은 광 송신기에 들어간 후 "직렬 병렬"변환을 거쳐 4Gbps 신호의 28 채널이됩니다.

2. 레이저에서 방출된 신호는 편광 빔 스플리터를 통해 x 및 y의 두 수직 방향으로 편광된 광학 신호가 됩니다.

3. MZM 변조기로 구성된 고차 변조기를 통해 QPSK 고차 변조가 x 및 y 편광 방향의 광 신호에 대해 수행됩니다.

4. 변조된 편광 신호는 전송용 편광 결합기를 통해 광섬유와 결합됩니다.

5. 신호를 수신한 후 수신단은 신호를 X와 Y의 두 수직 편파 방향으로 분리합니다.

6. 간섭 감지 및 수신을 통해 X 및 Y 수직 편파 신호는 전류/전압 신호가 됩니다.

7. ADC 변환을 통해 전류 및 전압 신호는 0101…과 같은 디지털 코드 스트림으로 변환됩니다.

8. 디지털 신호 처리를 통해 분산, 노이즈, 비선형성 등의 간섭 요인을 제거하고 112Gbps 통신 번호 스트림을 복원하면 끝입니다.

코히어런트 광통신을 위한 기타 지원 기술:

코히어런트 광통신의 성능은 강력하지만 시스템이 매우 복잡하고 기술을 구현하기가 어렵습니다.

	일관성 없는 커뮤니케이션	일관된 커뮤니케이션
정의	가간섭성 국부 발진광이 필요 없는 광전송 시스템	사용하는 광전송 시스템 코히런트 검출을 위한 국부 발진기
변조 및 복조 technology	송신기: 강도 변조 수신기: 직접 감지	송신기: 외부 변조 수신기: 국부 발진기 광 간섭 감지
광학 형식	진폭 변조(RZ/NRZ/ODB) 차동 위상 변조(DQBSK)	위상 변조(BPSK/QPSK) 직교 진폭 변조(QAM)
시스템 구조	단순, 간단, 편리 구현 및 통합 용이	복잡한 높은 기술 요구 사항
스펙트럼 효율성	낮은 광 캐리어의 주파수 및 위상 정보는 이용할 수 없습니다. 단일 채널 대역폭 용량이 제한됨	높은 광 신호의 진폭, 주파수 및 위상에 의해 운반되는 정보는 감지 될 수 있으며 단일 채널 대역폭은 높습니다.
분산 내성	낮은 분산 보상을 위해 DCM을 구성해야 함	높은 DSP 기술을 사용하여 광섬유 분산을 상쇄함으로써 매우 먼 거리에서 DCM 없는 분산 보상을 달성하기 위해 사용할 수 있습니다.
로드엠 아키텍처	복잡한 수신 방향은 해당 파장 신호를 필터링하기 위해 역다중화기를 사용해야 합니다.	간결한 코히어런트 수신은 역다중화 버전 없이 다중화된 신호에서 특정 파장을 선택할 수 있습니다.

비간섭광 vs. 비간섭광

코히어런트 광통신의 실제 적용을 실현하려면 다음 기술에 의존해야 합니다.

• 편광 보존 기술

코히어런트 검출은 신호광과 국부 발진기 광의 편광 방향이 동일해야 합니다. 일관된 광학 즉, 간섭 수신이 제공할 수 있는 높은 감도를 얻기 위해서는 둘의 전기적 벡터 방향이 동일해야 합니다.

이 경우 국부 발진기 광 전기 벡터의 방향으로의 신호 광 전기 벡터의 투영만이 믹싱에 의해 생성된 중간 주파수 신호 전류에 실제로 기여할 수 있기 때문입니다. 고감도를 확보하기 위해서는 광파편광 안정화 대책이 필요합니다. 현재 두 가지 주요 방법이 있습니다.

첫째, "편광 유지 섬유"는 전송 과정에서 광파의 편광 상태를 변경하지 않고 유지하는 데 사용됩니다. (일반 단일 모드 광섬유는 기계적 진동이나 광섬유의 온도 변화와 같은 요인으로 인해 광파의 편광 상태가 변경됩니다.)

둘째, 일반 단일 모드 광섬유를 사용하지만 수신단에서 편파 다이버시티 기술을 사용합니다.

• 주파수 안정화 기술

반도체 레이저의 주파수 안정성은 코히어런트 광통신에서 매우 중요합니다. 레이저의 주파수는 작동 온도와 전류의 변화에 ​​매우 민감합니다. 레이저 주파수가 다른 작동 조건으로 드리프트하면 IF 전류에 영향을 미치므로 비트 오류율이 증가합니다.

• 스펙트럼 압축 기술

광원의 스펙트럼 폭은 코히어런트 광통신에서도 중요합니다. 광파의 좁은 선폭을 보장해야만 반도체 레이저의 양자 진폭 변조 및 주파수 변조 노이즈가 수신기의 감도에 미치는 영향을 극복할 수 있습니다. 또한 선폭이 좁을수록 위상 드리프트로 인한 위상 노이즈가 작아집니다. 광원의 스펙트럼 폭에 대한 일관된 광통신의 요구 사항을 충족하기 위해 일반적으로 스펙트럼 폭 압축 기술이 채택됩니다.

 적용 전에, 코히런트 광통신

즉, 장거리, 고용량 정보 전송에 적합한 첨단 복합 광전송 시스템입니다. 광섬유의 장거리 전송에서는 일반적으로 80km 간격마다 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifiers)가 사용됩니다.

EDFA

일관된 광통신을 사용하면 장거리 전송이 훨씬 쉬워집니다. 게다가, 일관된 광통신n 기존 광섬유와 케이블로 직접 변형이 가능하며 비용 조절이 가능합니다.

코히어런트 광통신은 기존 백본 네트워크 WDM 시스템을 업그레이드하는 데 사용할 수 있으며 5G 미드 백홀 시나리오에서도 사용할 수 있습니다. 메트로 FTTx 광섬유 액세스에서도 코히어런트 광통신의 도입을 연구하기 시작했습니다. 현재 코히어런트 광통신에 대한 가장 뜨거운 논의는 "데이터 센터 상호 연결"(DCI) 시나리오에 초점을 맞추고 있습니다.

데이터 센터

DCI는 장거리 코히어런트 광 모듈에 대한 수요가 많습니다. 특히 올해 중국은 더 많은 컴퓨팅 자원을 동부 지역에서 개발이 덜 된 서부 지역으로 보내는 것을 적극적으로 추진하여 일관성 있는 광통신 시장에 큰 자극을 줍니다.

결론 :

전체적으로, 코히어런트 광통신 기술의 복귀와 대중화는 광통신의 성능 잠재력을 더욱 활용하고, 대역폭 제한을 늘리며, 배포 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 현재도 코히어런트(Coherent) 광통신 기술에 대한 연구가 진행 중이다. 복잡한 공정, 대용량, 높은 전력 소모의 문제 코히어런트 광 모듈 완전히 해결되지는 않았습니다. 코히어런트 광통신의 각 핵심 링크에는 여전히 기술 혁신의 여지가 많습니다.