Nenasitno globalno povpraševanje po podatkih, ki ga poganjajo računalništvo v oblaku, storitve pretakanja in internet stvari (IoT), je potisnilo optične komunikacijske sisteme do njihovih teoretičnih meja. Za spopadanje s tem izzivom so postali bistveni napredni modulacijski formati, ki kodirajo informacije o fazi, amplitudi in polarizaciji svetlobe. Vendar pa ta prefinjenost predstavlja temeljni problem: naključno in dinamično stanje polarizacije (SOP) svetlobe, ko potuje skozi stotine kilometrov dolgega optičnega vlakna. Rešitev, ki je postala temelj sodobnega koherentnega zaznavanja, je koherentni sprejemnik polarizacijske raznolikosti.
Izziv: Zavita pot za svetlobo
Za razliko od preprostega vklopa-izklopa zgodnjih optičnih sistemov, sodobne sheme, kot sta dvojno-polarizacijsko kvadraturno fazno-premikovno uravnavanje (DP-QPSK) in višji-QAM, uporabljajo obe polarizaciji svetlobe za podvojitev-prenosne zmogljivosti podatkov. Svetlobni valovi imajo dve ortogonalni polarizacijski stanji, ki ju običajno imenujemo polarizaciji X in Y. V idealnem primeru ta stanja ostanejo ločena. Vendar pa optična vlakna niso popoln medij. Nepopolnosti, zunanje obremenitve, temperaturne razlike in inherentna dvolomnost vlakna povzročijo, da se SOP med prenosom naključno in nepredvidljivo spremeni. Če tega vrtenja polarizacije ne upravljate, povzroči resno bledenje signala in napake na sprejemniku, zaradi česar postanejo sofisticirani formati modulacije neuporabni.
Temeljno načelo: delitev za zmago
Koherentni sprejemnik s polarizacijsko raznolikostjo elegantno rešuje ta problem. Njegovo osrednje načelo ni sledenje ali nadzor vhodne polarizacije, temveč njeno pasivno ločevanje in neodvisno obdelavo. Sprejemnik je zasnovan tako, da je neodvisen od dohodnega SOP, kar zagotavlja stabilen in zanesljiv signal ne glede na zasuke vlaken.
Arhitektura takega sprejemnika je mojstrovina integrirane fotonike in elektronike. Običajno je sestavljen iz več ključnih faz:
Polarizacijski razdelilnik žarka (PBS): To je vstopna točka. Dohodni signal z neznanim in nihajočim SOP se napaja v PBS. Ta naprava razdeli signal na dve ortogonalni polarizacijski komponenti. Kritično je, da ta dva izhoda predstavljata popolno razgradnjo vhodne svetlobe. Ne glede na prvotni SOP ostajata združena moč in informacije na teh dveh poteh nespremenjeni.
90-stopinjski optični hibrid: vsaka od dveh polarizacijskih komponent iz PBS se nato napaja v svoj 90-stopinjski optični hibrid. Drugi vhod za oba hibrida je skupen, zelo stabilen lokalni oscilator (LO) laser. Optični hibrid je ključni dejavnik koherentnega zaznavanja. Njegova funkcija je mešanje signala z LO in ustvarjanje izhodnih signalov, ki predstavljajo sinfazno (I) in kvadraturno (Q) komponento tako signala kot LO za vsako polarizacijo. Za eno samo polarizacijo proizvede hibrid štiri izhode: I in Q za kombinacijo signal-LO in njuna dopolnila. V nastavitvi polarizacijske raznolikosti se ta postopek podvoji za X in Y polarizacijsko pot, kar ima za posledico skupno osem analognih izhodov.
Fotodetekcija in digitalizacija: osem svetlobnih izhodov iz dveh optičnih hibridov se pretvori v električne tokove z nizom uravnoteženih fotodetektorjev. Ti detektorji so ključni za zavračanje-šumov običajnega načina in izboljšanje občutljivosti. Nastali električni signali-IX, QX, IY, QY (in njihovi komplementi)-so analogne predstavitve kompleksnega optičnega polja za obe polarizaciji.
Digitalna obdelava signalov (DSP): Resnična moč: analogne signale digitalizirajo visoko{0}}hitri analogni-v-digitalni pretvorniki (ADC). Tukaj se zgodi prava čarovnija. Digitalni vzorci se posredujejo zmogljivemu motorju DSP. DSP opravlja več kritičnih funkcij:
Polarizacijsko de{0}}multipleksiranje: z uporabo prilagodljivih algoritmov za izenačevanje (kot sta algoritem konstantnega modula ali algoritem več-modula) DSP dinamično obnovi prvotno poslane podatkovne tokove X in Y. Učinkovito "raz-razvije" polarizacijsko rotacijo, do katere je prišlo v vlaknu v digitalni domeni.
Obnovitev faze nosilca: kompenzira frekvenco in fazni odmik med signalom in laserji lokalnega oscilatorja.
Kompenzacija kromatske disperzije: digitalno obrne učinke-širitve impulza kromatične disperzije.
Odločitev o podatkih: Na koncu se odloči, kateri simboli so bili poslani, in rekonstruira izvirni tok podatkov.
Vpliv in aplikacije
Izum in komercializacija koherentnega sprejemnika polarizacijske raznolikosti sta bila revolucionarna. Je tehnologija, ki omogoča:
Kabli za -dolge razdalje in podmorski kabli: Omogoča najvišje možne hitrosti prenosa podatkov na čezoceanskih razdaljah, kjer so učinki polarizacije najbolj izraziti.
Medpovezave podatkovnih centrov (DCI): Omogoča visoko{0}}zmogljive povezave med podatkovnimi centri, pogosto preko starejših optičnih elektrarn, z uporabo napredne modulacije.
Prilagodljiva-omrežna optična omrežja: Zagotavlja dinamično zmogljivost, potrebno za programsko{1}}definirana optična omrežja, ki lahko prilagodijo zmogljivost na zahtevo.
Skratka, koherentni sprejemnik polarizacijske raznolikosti je veliko več kot le komponenta; je temeljni podsistem, ki je definiral generacijo optične komunikacije. S tem, da je premeteno razdelil problem polarizacijskega odmika in ga predal zmogljivim digitalnim možganom, je ukrotil inherentno naključnost svetlobe v optičnih vlaknih in sprostil terabitno-zmogljivost, ki tvori hrbtenico našega povezanega sveta.