Современный мир тяжело представить без современных коммуникационных технологий, позволяющих людям из разных уголков планеты, к примеру, общаться по видео связи в режиме реального времени. Для нас этот пример кажется вполне обыденным, но еще несколько десятков лет назад подобное казалось чем-то невероятным. Если же пойти еще дальше в прошлое, то о таком могли говорить исключительно писатели-фантасты. Тем не менее какой бы крутой технология ни была, она так или иначе сопряжена с проблемами. Если речь идет о коммуникации, т. е. передаче данных, одной из самых раздражающих проблем (особенно для геймеров) является лаг, т. е. задержка. Ученые из университета Центральной Флориды (США) разработали устройство, которое способно сделать передачу данных по оптоволокну более эффективной и быстрой, избавив ее от лагов. Из чего сделано устройство, какой принцип его работы, и насколько оно эффективно? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Оптоволоконная связь является фундаментом современного цифрового мира. Основные компоненты таких линий связи — оптическое волокно, полупроводниковый лазер, оптический модулятор и фотоприемник — налагают ограничения на полосу пропускания и эффективность передачи данных. Три наиболее фундаментальных ограничения в оптической связи связаны с дисперсией волокна, лазерным шумом и нелинейностью волокна. При передаче аналоговых сигналов линейность электрооптического (EO от electrooptic) модулятора также имеет первостепенное значение. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают электрооптический модулятор (EOM от electrooptic modulator), который решает две из этих проблем, а именно дисперсию волокна и лазерный шум. В частности, модулятор устраняет дисперсию и синфазные шумы, такие как шум относительной интенсивности (RIN от relative intensity noise), предоставляя несколько разнородных выходных сигналов, которые обрабатываются посредством простой цифровой обработки.
Хроматическая дисперсия оптических волокон приводит к дисперсии групповой скорости (GVD от group-velocity dispersion), которая приводит к уширению оптических импульсов во временной области, а это приводит к межсимвольной интерференции. Это накладывает ограничение на максимальную скорость передачи данных, которая может передаваться при заданной длине волокна. Дисперсию можно уменьшить с помощью компенсации оптической дисперсии, электронного выравнивания или их комбинации.
Основным механизмом появления шума в полупроводниковых лазерах является спонтанное излучение со случайным фазовым вкладом, приводящее к RIN и к ухудшению отношения сигнал/шум (SNR от signal-to-noise ratio) на стороне приемника.
Основными достоинствами любой системы оптической связи являются полоса пропускания и чувствительность. Несмотря на ограничения скорости передатчика и приемника, полоса пропускания в первую очередь ограничивается эффектом затухания частоты из-за потери дисперсии. В типичном оптическом канале или приборе с растяжением во времени чувствительность ограничивается лазерным RIN или тепловым шумом приемника. Что касается потерь ввиду дисперсии, то существует два основных метода их уменьшения, а именно односторонняя полосовая модуляция (SSB от single-side band modulation) и фазовое разнесение.
Метод SSB сложно реализовать на практике, поскольку он очень чувствителен к несоответствию путей прохождения сигналов в оптическом гибриде. Между тем, чтобы смягчить RIN, можно использовать дифференциальную двухтактную модуляцию. Как отмечают ученые, основная цель их труда заключается в создании модулятора, способного одновременно обеспечивать как фазовое разнесение, так и дифференциальную модуляцию.
Проблема в том, что существующие структуры EOM не способны одновременно обеспечивать фазовое разнесение и дифференциальные функциональные возможности. Оба требуют конструкции с двумя выходами, но фазовое разнесение традиционно основано на одном электроде, тогда как дифференциальный режим требует конструкции с двумя электродами.
Оптические модуляторы являются ключевыми устройствами в любой системе связи или обработки сигналов. Фазовая и амплитудная модуляции являются двумя фундаментальными механизмами создания таких устройств. Эффект Поккельса (например, в ниобате лития (LiNbO3) и полимерах) и эффект плазмы свободных носителей заряда (в основном в кремнии) обычно используются для фазовой модуляции, тогда как квантово-размерный эффект Штарка (например, в кремний-германий и композитных полупроводниках) обычно используется для амплитудной модуляции. Интерферометры Маха-Цендера (MZI от Mach-Zehnder interferometer) и микрокольца обычно используются для преобразования фазовой модуляции в модуляцию интенсивности.
В последние годы сообщалось о значительных улучшениях в характеристиках оптических модуляторов на различных материальных платформах и структурах. Например, полоса пропускания модуляции в субтерагерцовом диапазоне обнаружена в тонкопленочных MZI из ниобата лития (TFLN от thin-film lithium niobate). Кроме того, кремниевые модуляторы продемонстрировали впечатляющий прогресс: заявленная скорость передачи данных превышает 100 Гбит/с, а эффективность модуляции ниже 1 В/см.
Изображение №1
Усовершенствованные когерентные каналы связи полагаются на такие форматы модуляции, как квадратурная фазовая манипуляция (QPSK от quadrature phase shift keying). Как показано на 1a, оптический модулятор QPSK состоит из двух вложенных друг в друга MZI, за которыми следует фазовый модулятор. Это обеспечивает желаемую π/2 разность фаз между синфазной и квадратурной составляющими оптического сигнала. Модулятор QPSK с двойной поляризацией (DP от dual-polarization) способен использовать преимущества двух ортогональных направленных мод в оптических волокнах, хотя и с более сложной оптической архитектурой (1b).
Несмотря на все преимущества, ни один из этих модуляторов не предлагает фазового разнесения, чтобы компенсировать потери от дисперсии волокна. Они также не обеспечивают дифференциальную модуляцию для подавления синфазного шума. Потому ученые и решили создать свой модулятор, способный выполнять обе функции. Ученые назвали его четырехфазным электрооптическим модулятором (FEOM от four-phase electrooptic modulator).
Концепция FEOM показана на 1c. Он состоит из двух одноприводных модуляторов Маха-Цендера (MZM от Mach-Zehnder modulator) с двумя выходами, вложенных в другой MZM. Также показаны четыре выхода синфазной (I), противофазной (Ī), квадратурной (Q) и обратной квадратурной (Ǭ) составляющих. Модулятор придает разность фаз π между компонентами I и Ī (аналогично Q и Ǭ), что позволяет обеспечить дифференциальную работу. Впоследствии FEOM инициирует разность фаз π/2 между наборами компонентов {I, Ī} и {Q, Ǭ}, что облегчает реализацию операции разнесения фаз. Более того, два модулятора работают в одной и той же квадратурной точке.
Следует отметить, что термины «синфазный» и «квадратурный» имеют разные определения в модуляторах FEOM и QPSK. В FEOM они связаны с двумя из четырех выходных компонентов, тогда как в модуляторах QPSK они относятся к двум независимым входам субмодуляторов. FEOM имеет только один вход для кодирования данных, что, по-видимому, снижает скорость передачи данных вдвое по сравнению с модулятором QPSK при идентичных скоростях передачи данных. Тем не менее способность FEOM удалять нули, вызванные дисперсией, в частотной характеристике приводит к значительно более высокой эффективной полосе пропускания и, следовательно, к более высокой скорости передачи данных. Кроме того, FEOM способен подавлять общий лазерный шум и улучшать соотношение сигнал/шум, что значительно снижает коэффициент битовых ошибок (BER от bit error rate) по сравнению с модуляторами QPSK. Как показано на 1d, поляризация управляемых мод может быть использована для модификации архитектуры FEOM для получения только одного выходного канала для телекоммуникационных приложений.
Учитывая использование нескольких вложенных интерферометров в одном устройстве, FEOM лучше всего реализовать на интегрированной оптической платформе и, в идеале, на такой, которая обеспечивает чистый EO-эффект (в отличие от электропоглощения или их комбинации). По мнению ученых, TFLN — идеальная платформа для реализации такой схемы. LN (ниобат лития) — широко известный материал благодаря своим сильным электро- и нелинейно-оптическим свойствам. Оптические волноводы, изготовленные по этой развивающейся тонкопленочной технологии, обладают непревзойденными свойствами по сравнению с традиционными волноводами с диффузией титана или протонным обменом. FEOM, показанные на 1c, были спроектированы и изготовлены на базе TFLN.
Результаты исследования
Чтобы получить более глубокое понимание операционной динамики FEOM, может оказаться полезным ее анализ в рамках системы с растяжением во времени (замедление сигнала перед его обработкой).
Изображение №2
Как показано выше, широкополосный оптический импульс сначала подвергается предварительному растяжению с помощью дисперсионного элемента на основе волокна, прежде чем он будет введен в FEOM. Радиочастотный (RF от radio-frequency) сигнал добавляется к предварительно растянутому оптическому импульсу в FEOM, в результате чего генерируются компоненты I, Ī, Q и Ǭ. Набор {I, Ī} отправляется через пару оптических циркуляторов на второе дисперсионное волокно, где они затем преобразуются в электрический сигнал балансным фотодетектором (BPD от balanced photodetector). Аналогичным образом набор {Q, Ǭ} отправляется через пару циркуляторов в третье дисперсионное волокно и обнаруживается вторым BPD. Фототоки до дифференциальной операции определяются выражением:
Для каждой компоненты k — индуцированная фаза, равная δ = [π/4, 3π/4, −π/4, −3π/4] соответственно. Функции, зависящие от времени, A (t; δ) = (m/√2) cos(ωRFt/S)cos(φDIP — δ) и B(t) = (m2/8)cos2(ωRFt/S). Penv — фототок в отсутствие электрического поля, ωRF — угловая частота исходного электрического сигнала, S — коэффициент растяжения во времени, φDIP — фаза дисперсии, m — индекс модуляции.
Уравнение выше иллюстрирует дифференциальную функциональность FEOM, где разность фаз π между компонентами I и Ī, а также, аналогично, между компонентами Q и Ǭ, эффективно устраняет интенсивный шум и расширяет динамический диапазон системы.
В BPD после выполнения дифференциальной операции фототоки равны P5(+)(t) = P4I(t) — P4Ī(t) и P5(-)(t) = P4Q(t) — P4Ǭ(t), что эквивалентно (для простоты ученые используют в докладе P(±) вместо P5(±)):
Благодаря дифференциальной модуляции огибающая импульса суперконтинуума и составляющая модуляции второго порядка могут быть эффективно подавлены. Согласно уравнению выше, выходные сигналы обладают частотой ωRF/S, т.е. сигналы растянуты во времени. Включение фазового члена sin(φDIP) приводит к замиранию частоты, также известному как нарушение дисперсии*.
Нарушение дисперсии* — явление, при котором импульсы и фронты сигналов данных, передаваемых по кабелю, размываются, что затрудняет приемнику на другом конце различение единиц и нулей.
Это вызвано деструктивной интерференцией радиочастотных составляющих, генерируемых биением несущей и боковыми полосами модуляции внутри BPD. Архитектура FEOM, представленная в уравнении выше, демонстрирует уникальную и мощную особенность в виде дополнительных характеристик замирания между каналами P(+) и P(-). Эти разнесенные по фазе выходы позволяют эффективно противодействовать нарушению дисперсии на полное восстановление исходного аналогового сигнала за счет использования алгоритма объединения с максимальным соотношением (MRC от maximal ratio combining). Алгоритм увеличивает SNR, а не просто объединяет два выхода.
Изображение №3
Разработанные устройства были оптимизированы для обеспечения широкой полосы пропускания EO и эффективности модуляции, а также предназначен для поперечно-электрического (TE от transverse-electric) одномодового режима с использованием RF-модуля инструмента моделирования COMSOL. Кроме того, пакет программного обеспечения для моделирования с конечной разностью во временной области (FDTD от finite-difference time-domain) Ansys Lumerical был использован для проектирования пассивных компонентов, работающих на оптической длине волны 1560 нм. Выше представлены схема профилей FEOM, схема RF-электрического поля и оптических мод, а также рисунок изготовленного устройства.
Реализованное устройство (3a) включает в себя два фазовых модулятора, в отличие от оригинальной концепции FEOM (1c). Фазовые модуляторы позволяют точно настраивать фазу и могут нейтрализовать несовершенства изготовления и связанные с ними отклонения ожидаемой фазы каждого канала. Слоистая структура одного из внутренних плеч вложенных МЗМ показана на 3b. На 3c–3e показаны снимки, полученные сканирующим электронным микроскопом (SEM от scanning-electron microscope) в искусственных цветах и оптическим микроскопом, из разных сечений изготовленных устройств.
Радиочастотные копланарные волноводы (CPW от coplanar waveguide) ориентированы вдоль оси y кристалла TFLN с X-срезом, чтобы максимально эффективно использовать самый высокий коэффициент EO LN для TE-мод (r33). Как показано на 3a и 3e, на обоих концах электродов добавлены изгибы для облегчения зондирования и измерения.
Была проведена комплексная серия симуляций с использованием системы TSADC в качестве платформы для проверки функциональных возможностей, заложенных в конструкцию FEOM. Параметры моделирования были выбраны так, чтобы они соответствовали экспериментальной установке, описанной в исследовании, включая параметры дисперсии первого и второго волоконных элементов, представленных как D1 и D2, которые были установлены на -120 и -984 пс/(нм·км) соответственно. В результате коэффициент растяжения системы составил S = 9.2. Аналого-цифровой преобразователь, использованный при моделировании, имел частоту дискретизации 50 Гвыб/с (гига выборка в секунду) и эффективное число бит (ENOB от effective number of bits), равное 7.
Изображение №4
Результаты моделирования во временной и частотной областях показаны на 4a–4f. На 4a и 4d показаны входной импульс и искаженный выходной импульс системы растяжения во времени. Нули в частотном спектре принятого импульсного сигнала вызваны нарушением дисперсии. На 4b и 4e показаны дифференциальные выходы системы TSADC после включения FEOM. На 4c и 4f изображен отклик системы после применения алгоритма MRC. Как можно видеть, исходный сигнал полностью восстановлен. Небольшое количество искажений в восстановленном сигнале связано с недостаточной дискретизацией при моделировании.
Модулятор был разработан так, чтобы обладать достаточно высокой полосой пропускания EO, чтобы эффективно улавливать первые несколько нулей выходных сигналов P(+) и P(-) в частотной характеристике, как показано на 4e. Это должно было позволить четко наблюдать взаимодополняющие характеристики затухания двух выходных сигналов. Была определена полоса пропускания 3 дБ изготовленного FEOM, в результате чего получено расчетное значение примерно 44 ГГц. Кроме того, было измерено низкочастотное полуволновое напряжение Vπ устройств, составившее 7.66 В при длине модуляции 0.7 см, в результате чего VπL составило 5.36 В·см. Стоит подчеркнуть, что если бы современные устройства были сконфигурированы в стандартной двухтактной конфигурации, как это обычно делается в литературе по модуляторам TFLN, измеренное напряжение VπL уменьшилось бы вдвое до 2.68 В·см.
Изображение №5
Функциональность TFLN FEOM была подтверждена экспериментально. Установка была основана на осциллографе с расширенной записью по времени (TiSER), который представляет собой одноканальную версию TSADC (5a). Частота выборки осциллографа установлена на уровне 50 Гвыб/с, а коэффициент растяжения системы равен 9.2, в результате чего эффективная частота выборки (fs) составляет около 460 Гвыб/с для TSADC. Общий эффективный джиттер* является еще одним важным параметром производительности систем TSADC, который рассчитывается как:
где τj, laser — межимпульсный джиттер лазера, а τj, clock — тактовый джиттер цифрового преобразователя.
Джиттер* или фазовое дрожание цифрового сигнала данных — нежелательные фазовые или частотные отклонения передаваемого сигнала.
Цифровой преобразователь, реализованный в данном исследовании, имел среднеквадратичный джиттер выборки 270 фс. Использование одновибрационной системы, такой как TiSER, эффективно сводило на нет любое дрожание синхронизации, которое могло присутствовать в лазере с синхронизацией мод. В результате эффективный джиттер TSADC составляет ~ 29.4 фс.
После предварительной характеризации системы FEOM и TSADC, возможности дифференциального и фазового разнесения модулятора были исследованы с использованием измерительной установки (5a). Во время измерения FEOM смещается в своей квадратурной точке для устранения интермодуляционных искажений второго порядка и питается от генератора сигналов. Чтобы свести к минимуму влияние искажений третьего порядка, модулятор не перегружается. Нормированные радиочастотные передаточные функции каналов P(+) и P(-) после выполнения операций дифференциального и фазового разнесения показаны на 5b. Алгоритм MRC использовался для исключения влияния нарушения дисперсии и восстановления исходного сигнала, что выполнялось в цифровом виде на ветвях P(+) и P(-). Первые нули в частотной характеристике появились на частотах ~ 13.3 ГГц и ~ 27.5 ГГц, что в целом соответствовало результатам моделирования, представленным на 4e.
Изображение №6
Как отмечают ученые, объединение четырех выходов структуры на 1c не подходит для использования преимущества дифференциального режима работы в телекоммуникационных приложениях. Однако если наборы {I, Q} и {Ī, Ǭ} передаются через режимы ортогональной поляризации оптоволоконной линии, вся информация, необходимая для дифференциальной работы во время сбалансированного обнаружения, может быть получена. FEOM на 1d может достичь этой цели. В предлагаемом устройстве компоненты I и Q мультиплексируются в одну поляризацию направленной моды, а компоненты Ī и Ǭ мультиплексируются в другую. Такое разделение четырех компонентов на основе поляризации позволяет устранить синфазный шум, используя дифференциальный режим после длинноволоконного дисперсионного элемента.
Моделирование такого FEOM проводилось с помощью коммерческого пакета программ VPIphotonics Inc. При моделировании была предпринята попытка точно воспроизвести практическую систему связи путем включения всех соответствующих физических параметров. Примерами являются: RIN и ширина линии передающего лазера; тип перехода генератора шаблонов; тепловой и дробовой шум фотоприемника; шум усиленного спонтанного излучения (ASE от amplified spontaneous emission) оптического усилителя, включая шумы ASE-ASE и биений сигнал-ASE; и потеря модулятора. Выходной сигнал FEOM передавался по оптическому волокну длиной 100 км с дисперсией 16 пс/(нм·км) и демультиплексировался перед отправкой на пару оптических когерентных детекторов. Сигналы P(+) и P(-) генерировались парой дифференциальных детекторов. Сигналы P(+) и P(-) изображены во временной и частотной областях на 6a и 6b соответственно. Характеристики фазового разнесения FEOM между двумя каналами показаны на 6b. Сравнение исходного входного сигнала и восстановленного сигнала после выполнения алгоритма MRC показано на 6c и 6d во временной и частотной областях соответственно.
На 6e показана глазковая диаграмма, а на 6f показан соответствующий BER вместе с коэффициентом Q, связанным с SNR, и показано, как на них влияет мощность лазера в передатчике. Как подчеркивают ученые, эти иллюстрации дают ценную информацию об оценке производительности систем оптической связи. Глазковая диаграмма демонстрирует отличное качество сигнала, а при мощности лазера более 26 мВт значение BER падает ниже минимально допустимого порога 1 × 10–9 (что соответствует Q = 6). Результаты, представленные выше, подтверждают, что FEOM может использоваться в системах оптической связи, поскольку он эффективно устраняет синфазный шум и дисперсию.
Недостатком предлагаемого FEOM является то, что он имеет только один порт ввода данных, в отличие от двух в модуляторе QPSK или четырех в модуляторе DPQPSK. Другими словами, бит на символ FEOM в два-четыре раза меньше. Это связано с тем, что две поляризации используются для получения фазового разнесения и дифференциальных каналов в FEOM. Однако за счет устранения дисперсии волокна уменьшенному количеству входных данных в FEOM противодействует значительно большее расстояние передачи.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали новый класс интегрированных фотонных устройств, а именно четырехфазный электрооптический модулятор (FEOM от four-phase electrooptic modulator). Архитектура FEOM эффективно преодолевает ограничения полосы пропускания и динамического диапазона фотонных систем. FEOM позволяет одновременно выполнять фазовое разнесение и дифференциальные операции на одном PIC и реализована на платформе из ниобата лития TFLN.
Практические испытания показали, что предлагаемый FEOM способен устранить дисперсию и шум в оптической линии связи с двойной поляризацией. Кроме того, FEOM дополнен двумя дисперсионными волоконно-оптическими элементами и волоконно-оптическими линиями задержки для растяжения времени и синхронизации соответственно. Экспериментально продемонстрировано, что присущие нули в частотной характеристике осциллографа TiSER можно устранить. Как считают ученые, эта демонстрация является значительным достижением и заметным прогрессом в практической реализации фотонных систем растяжения времени и когерентных оптических систем связи.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
