Знання

Що таке когерентна оптика?

Когерентна оптика– це волоконно-оптична технологія, яка кодує дані, використовуючи численні властивості світлової хвилі-амплітуду, фазу та поляризацію-а не просто вмикати та вимикати світло. Акогерентний оптичний зв'язокСистема поєднує розширену модуляцію на передавачі зі спеціалізованим приймачем, який використовує власний лазер для декодування повного інформаційного вмісту вхідного сигналу. Порівняно з традиційними методами, когерентна оптична передача значно збільшує як пропускну здатність, так і охоплення, тому практично всі високошвидкісні-волоконно-волоконні зв’язки на великі-відстані сьогодні покладаються на когерентну технологію. Як одна нитка скловолокна переносить терабайти даних через океани чи між центрами обробки даних-це когерентна оптика. У цьому посібнику пояснюється, як працює технологія, що робить її «узгодженою», де вона використовується та куди рухається.

Справжнє значення когерентної оптики

Слово «когерентний» стосується того, як приймач виявляє оптичний сигнал-і саме це відрізняєкогерентна оптикавід усіх попередніх оптичних технологій.

У традиційних оптоволоконних системах використовується пряме виявлення (широко відоме як-пряме виявлення з модуляцією інтенсивності або IM-DD). Фотодетектор на приймальному кінці просто вимірює яскравість вхідного світла: яскраве означає 1, темне — 0. Незважаючи на те, що цей метод простий, цей метод відкидає більшість інформації, яку може перенести світлова хвиля,-зокрема її фазу та поляризацію.

У когерентній системі приймач містить лазер, який називається гетеродином-aкогерентне джерело світлаякий генерує опорну хвилю та змішує її з вхідним сигналом. Тому що обидві хвилі виробляютькогерентне світло-це означає, що вони мають стабільне передбачуване співвідношення частоти та фази-їхня картина перешкод виявляє не лише яскравість сигналу, але й його точну фазу та стан поляризації. Приймач відновлює повне оптичне поле, розблоковуючи розміри інформації, до яких пряме виявлення просто не може отримати доступ.

Це принципова перевага. Усі інші переваги когерентної оптики-вища ємність, більший радіус дії, простіша конструкція мережі-походить від цієї здатності зчитувати всю інформацію, закодовану у світловій хвилі.

Як працює когерентна оптична система

Передавач: когерентна модуляція в дії

На передавачі регульований лазер створює вузький, стабільний промінь світла певної довжини хвилі. Потім виконується модуляторкогерентна модуляціявписуючи дані в цей промінь, маніпулюючи трьома властивостями одночасно:

Амплітуда- інтенсивність хвилі можна встановити на кількох рівнях, а не лише ввімкнути/вимкнути.

Фаза- позиція синхронізації в межах хвильового циклу зсувається до певних кутів (наприклад, 0 градусів, 90 градусів, 180 градусів, 270 градусів), кожен з яких представляє окремий шаблон даних.

Поляризація- світло розбивається на дві ортогональні орієнтації (горизонтальну та вертикальну), кожна з яких передає незалежний потік даних. Цекогерентна оптична поляризаціяТехніка, яка називається поляризаційним мультиплексуванням, подвоює пропускну здатність однієї довжини хвилі.

Комбінація амплітудного, фазового та поляризаційного кодування дозволяє одному імпульсу-, який називається символом-, передавати кілька бітів даних одночасно, що значно перевищує один біт на символ, досягнутий за{-вимкненої маніпуляції.

Приймач: когерентне оптичне виявлення та цифрове відновлення

На іншому кінці волокна,когерентне виявленнямає місце: когерентний приймач змішує надійшовкогерентний сигналз лазером гетеродина. Цей процес перешкод створює електричні сигнали, які зберігають інформацію про амплітуду, фазу та поляризацію від передавача. Високошвидкісний-аналогово-в-цифровий перетворювач відбирає ці сигнали, акогерентний цифровийпроцесор сигналів (DSP) обробляє подальшу обробку.

DSP виконує кілька важливих функцій. Він розділяє два поляризаційні канали. Він відстежує та компенсує хроматичну дисперсію-це явище, коли різні довжини хвилі світла поширюються волокном із дещо різною швидкістю, спричиняючи поширення імпульсів на відстань. Він також коригує дисперсію режиму поляризації та інші порушення оптоволокна в режимі реального часу, математично, без будь-яких апаратних засобів фізичної компенсації в каналі зв’язку.

Алгоритми прямої корекції помилок (FEC), які працюють разом із DSP, вбудовують у сигнал надлишкові дані, щоб приймач міг виявляти та виправляти помилки без повторної передачі. Удосконалене FEC з м’яким-вирішенням підвищує шумостійкість узгоджених систем набагато вище, ніж могли досягти попередні технології.

Чистий ефект для мережевих операторів: нові оптоволоконні маршрути можна активувати без ручної інженерної компенсації дисперсії для кожного каналу. Фізичне обладнання зменшується, проект мережі спрощується, а експлуатаційні витрати знижуються.

Як когерентна оптика надає більше даних

Перевага потужностікогерентний оптичний зв'язокзалежить від того, скільки бітів містить кожен символ і наскільки ефективно використовується доступний оптичний спектр.

За традиційної маніпуляції «ввімкнення{0}}вимкнення» (OOK) кожен символ містить рівно один біт. Перший широко розповсюджений когерентний формат-подвійної-поляризаційної квадратурної фазово-зсувної маніпуляції (DP-QPSK)-кодує чотири біти на символ, чотириразове збільшення порівняно з тією самою швидкістю передачі. Формати вищого -порядку просуваються далі: 16QAM передає 8 біт на символ, а 64QAM — 12. Компроміс полягає в тому, що щільніші формати вимагають чистішого сигналу (вище співвідношення-до-шуму) і працюють на менших відстанях, тому оператори обирають формат, який найкраще відповідає довжині та стану кожного зв’язку.

Спектральна ефективність

Спектральна ефективність-кількість корисної пропускної здатності даних на одиницю оптичного спектру-є ще одним ключовим показником. Ранні системи прямого-виявлення 10G досягали приблизно 0,2 біта на секунду на герц. Сучасні узгоджені системи зазвичай перевищують 5–6 біт/с/Гц, тобто те саме волокно та інфраструктура підсилювача можуть передавати у 25–30 разів більше даних. У системі щільного мультиплексування за довжиною хвилі (DWDM) із 80 або більше каналами загальна пропускна здатність однієї пари волокон може досягати десятків терабіт на секунду.

Когерентні оптичні модулі: що всередині

A когерентний оптичний приймачце самостійний-модуль, який підключається до мережевого комутатора або маршрутизатора. Одна сторона має оптичний інтерфейс, що підключається до оптоволокна; інший має електричний інтерфейс, що підключається до площини даних хост-системи. Всередині ключові компоненти включають регульований лазер, оптичний модулятор, когерентний приймач з гетеродином і чіп DSP, який обробляє модуляцію, демодуляцію, компенсацію погіршення та FEC.

Протягом останнього десятиліття ці компоненти постійно мініатюризувалися у все меншікогерентний підключаєтьсяформ-фактори. Ранні когерентні лінійні карти займали цілі слоти шасі. Сьогоднішнійкогерентні приймачівикористовуйте стандартні інтерфейси, такі як QSFP-DD і OSFP-досить компактні, щоб підключатися безпосередньо до передніх панелей маршрутизатора з високою щільністю портів. Один когерентний модуль QSFP-DD, наприклад, забезпечує до 400G пропускної здатності на одній довжині хвилі. OSFP-модулі наступного-покоління орієнтовані на 800G і більше.

Стандартизація була важливою для цієї еволюції. Форум оптичних мережевих мереж (OIF) визначає угоди про взаємодію для когерентних модулів, що підключаються, тоді як стандарт IEEE 802.3ct визначає, як когерентні довжини хвиль 400G взаємодіють з Ethernet. Ці стандарти дозволяють операторам комбінувати модулі від різних постачальників в одній мережі.

Застосування когерентної оптики

З'єднання центру обробки даних

Оператори гіпермасштабної хмари та ШІ з’єднують свої центри обробки даних на відстані від кількох кілометрів до понад 120 км. Стандартизований 400G ZR/ZR+когерентний підключаєтьсямодулі підходять безпосередньо до портів маршрутизатора, усуваючи потребу в окремих оптичних транспортних платформах і спрощуючи широкомасштабне-розгортання та роботу.

Магістраль телекомунікацій: від метро до -далеких перевезень

Перевізники покладаються накогерентний оптичний зв'язокна всіх рівнях-сполучення метро між центральними офісами, регіональні сполучення на сотні кілометрів і трансконтинентальні-маршрути. Оскільки ущільнення мережі 5G сприяє зростанню попиту на пропускну здатність транспортного зв’язку, компактнийкогерентні приймачітакож знаходять свій шлях до агрегації -сайтів клітинок.

Підводні кабелі

Міжконтинентальні дані передаються підводними оптоволоконними системами, які вимагають надзвичайного діапазону, максимальної пропускної здатності на пару волокон і високої надійності в середовищі, де ремонт надзвичайно дорогий-вимоги, які лишекогерентна оптикаможе задовольнити одночасно.

Когерентна оптика, PAM4 і DWDM

Когерентний проти PAM4: взаємодоповнюючий, а не конкуруючий

PAM4 (4-рівнева амплітудна імпульсна модуляція) домінує в з’єднаннях із коротким{3}}досяжністю в центрах обробки даних-просто, з низьким-потужністю та-рентабельно. Він кодує два біти на символ, використовуючи чотири рівні яскравості, але без вбудованої компенсації дисперсії, практична максимальна дальність досягає приблизно 10–30 км.Когерентний оптичний зв'язокпоширюється на сотні чи навіть тисячі кілометрів ціною більшої потужності та більшої складності. Обидва чітко розподіляють роботу: PAM4 для зв’язків на короткі-відстані, узгоджена для всього довшого. У міру того як когерентні роз’єми стають меншими та енерго-ефективнішими, межа між ними продовжує зміщуватися всередину.

Когерентний DWDM: основа когерентної оптики

Мультиплексування з щільним розподілом довжин хвиль (DWDM) надсилає десятки хвиль одночасно через одне волокно, кожен з яких передає власний потік даних.Когерентні оптичні приймачівизначити, скільки даних переносить кожна довжина хвилі. В азв'язнийDWDMдві технології є взаємодоповнюючими: DWDM забезпечує канали,когерентна модуляціязаповнює їх. Коли когерентні модулі використовують регульовані лазери, довжина хвилі передачі може бути встановлена ​​на будь-який канал у сітці DWDM, що дає операторам гнучкість для маршрутизації та переналаштування пропускної здатності по всій мережі.

Когерентна оптика у 2026 році та далі

Від Backbone до Metro та Edge

До 2026 р.когерентні оптичні приймачішвидко переходять від-передачі на далеку відстань до мереж метрополітену, з’єднання центрів обробки даних (DCI) і периферійних обчислень-на основі 5G-Розширене зростання трафіку, розподілене робоче навантаження ШІ та зростаючі вимоги до пропускної здатності підприємства.

800G ZR/ZR+когерентний підключаєтьсямодулі тепер виконують подвійну функцію: вони охоплюють дальні -прольоти понад 1700 км, а також знижують вартість біт на 40–120-кілометрових лініях метро. Тим часом когерентні модулі високої-потужності 100G змінюють дизайн міської мережі-потужніше передавання в поєднанні з низькими-втратами оптоволокна забезпечує непосилену передачу понад 120 км, усуваючи проміжні підсилювачі та зменшуючи-витрати на будівництво та експлуатацію.

Граничні обчислення прискорюють цей зсув. Оскільки штучний інтелект просувається до розподілених вузлів, зв’язки між основними центрами обробки даних і периферійними сайтами потребують пропускної здатності, яку PAM4 не може забезпечити на таких відстанях. Компактність, низька-потужністькогерентні приймачістають природним будівельним блоком для цих посилань.

Імпульс галузі

Прогнозується, що поставки когерентних модулів 800G зростуть з менш ніж 5% від загального когерентного обсягу в 2025 році до приблизно 30% до кінця 2026 року, головним чином завдяки попиту операторів Північної Америки та гіпермасштабованого DCI. На OFC 2026 OIF продемонстрував сумісність-від багатьох постачальників для модулів 400ZR і 800ZR,-що підтверджує, що екосистема підтримує широкомасштабне-розгортання,-незалежне від постачальника.

Заглядаючи вперед, когерентні системи 1,6 терабіт-на-секунду розробляються на кремнієвому процесорі DSP наступного-покоління. Траєкторія стабільна: швидше, менше, з меншою потужністю-розширеннякогерентна оптикавід ядра мережі аж до краю мережі.