Chestnut Ridge, LeCroy
גילוי קוהרנטי של אות ממופתח בהזזת פאזה באופן רביעוני (quadrature phase shift keying) מרובב בחלוקת קיטוב (polarization division multiplexing) [PDM–QPSK] של 56 ג’יגה באוד (קצב קו של 224 ג’יגה סיביות בשנייה), שמשודר על פני 2,500 ק”מ (32 x 80 ק”מ) של סיב, מתבצע עם משקף תנודות (אוסצילוסקופ) של 80 ג’יגה דגימות בשנייה בעזרת עיבוד אות באופן לא מקוון.
עם טכנולוגיות העברה של 100 ג’יגה סיביות בשנייה שיהפכו בקרוב למסחריות, מתרכז כיום המחקר בהעלאת קצבי הסיביות לערוץ אל יותר מאשר 100 ג’יגה סיביות בשנייה, במטרה לפתח פתרונות יעילים בספקטרום עבור תקני Ethernet הבאים, שיהיו ככל הנראה ב– 400 ג’יגה סיביות בשנייה וב–1 טרה סיביות בשנייה. גישות אלו כוללות ריבוב רוחבי במסגרת חברות התשתית ואפנון בריבוי רמות של חברת תשתית יחידה בקצבי סימנים (באוד) גבוהים. השיטה השנייה מאפשרת יצירת מבנה פשוט יותר של משדר, כשעדיין משתמשים במקלט זהה, פחות או יותר, וחומרה לעיבוד אותות ספרתיים. השימוש במפתוח הזזת פאזה רביעוני בקיטוב יחיד
[QPSK] בקצב של 53.5 ג’יגה באוד, ובאפנון בינארי ב– 107 ג’יגה באוד הוצג בעזרת גילוי ישיר; החוסר בממירים מאנלוגי לספרתי [ADC] שיהיו מהירים במידה מספקת, מנע עד כה גילוי קוהרנטי, אלא אם נעזרו בגילוי ריבוב בחלוקת זמנים [OTDM] אופטי, אשר מסבך במידה רבה את הפיצוי הספרתי על הליקויים, כדוגמת נפיצת צבעים [Chromatic Dispersion–CD]. קצב הסימנים הגבוה ביותר שלגביו בוצע עד היום גילוי קוהרנטי ללא OTDM הוא 28 ג’יגה באוד עבור מפתוח QPSK, ו– 20 ג’יגה באוד עבור אפנון 16–QAM.
במאמר זה נדווח על היצירה, גילוי האפנון הקוהרנטי, ועל השידור למרחקים גדולים של מפתוח QPSK בריבוב חלוקת קיטוב [PDM], בקצב של 56 ג’יגה באוד שמייצר קצב קו של 224 ג’יגה סיביות בשנייה בערוץ יחיד.
משדר PDM–QPSK
ב– 56 ג’יגה באוד
המערך הניסויי מוצג באיור 1. בעזרת מאפנן משולב Mach–Zehnder מסוג LiNbO3 בעל קינון כפול, עם רוחב פס 3–dB של 25 ג’יגה הרץ, בוצע אפנון של לייזר מחילה (cavity) חיצונית [ECL] שניתן לכוונון באורך גל של 1550 ננו–מטר עם פס (linewidth) של 100 קילו–הרץ בערך. הענף שבתוך הפאזה [I] והענף הרביעוני [Q] של המאפנן מוזנים באופן דיפרנציאלי על ידי שני רצפים חשמליים בינאריים בקצב של 56 ג’יגה סיביות בשנייה. רצפים אלו נוצרים מתוך ביצוע ריבוב 4:1 של ארבעה עותקים שהתיאום ביניהם בוטל באמצעות השהיה של רצף סיביות דמוי–אקראי אמיתי [PRBS] באורך של 215 –1. ריבוב הקיטוב מושג על ידי פיצול 3–dB של אות QPSK ב– 56 ג’יגה באוד, השהיה של עותק אחד ב– 20 ננו שניות (1,120 סימנים) ושילובם במפצל אלומה מקטב [PBS] באמצעות בקרי קיטוב [PC] ידניים. ההשהיה מכוונת באופן כזה, שהסימנים בשני הקיטובים יהיו מיושרים ביניהם. דיאגרמות עין וספקטרום אופטי של QPSK ב– 56 ג’יגה באוד מוצגים באיור 1, בצד ימין למטה.
מקלט Intradyne קוהרנטי ב– 56 ג’יגה באוד
בצד המקלט, האות משולב עם מתנד מקומי [LO] מסוג ECL בהיבריד שינוי קיטוב (Polarization Diversity) של 90 מעלות, ולאחריו ארבעה גלאים מאוזנים. המתנד המקומי, הפועל באופן עצמאי, מכוון בתחום ±1 ג’יגה הרץ מהגל הנושא של האות. ארבעת מרכיבי האות (IX, QX, IY, QY) נדגמים באופן אסינכרוני ומומרים לספרתי באמצעות שני משקפי תנודות (אוסילוסקופים) לזמן אמת בעלי שני ערוצים של 80 ג’יגה דגימות בשנייה וברוחב פס של 30 ג’יגה הרץ, המשמשים כממירי ADC; תגובת התדר מופיעה באיור 2. רוחב הפס וקצב הדגימה הגבוהים מבוססים על סירוג (interleaving) של רוחב פס ספרתי [DBI]. מספר הסיביות היעיל
[ENoB] גדול מ– 4.5.
כדי ללכוד בשני משקפי התנודות אותו חלון זמן בדיוק, כפי שנדרש לעיבוד אות Intradyne, הופעל על שני המכשירים אות עירור מהיר משער לוגי של 50 ג’יגה סיביות בשנייה. ביצענו אפיון של עיוותי skew בשארית התזמון על ידי דגימה בו זמנית של אות ייחוס מהיר. הכיתוב באיור 2 מציג היסטוגרמות של כ– 1000 מדידות של עיוותי skew בתוך משקף התנודות (a) ובין שני משקפי התנודות (b). סטיית התקן של עיוות skew בין משקפי התנודות היא כ– 1 פיקו שנייה, ועיוות skew בתוך משקף התנודות יכולה להיות גדולה עד כדי ±1.5 דגימות (19 פיקו שנייה). הפיצוי על שני עיוותי skew האקראיים מתבצע מיידית בתוך אלגוריתם מקלט Intradyne.
בהקשר ליחס הדגימה, שמנו לב שממירי ADC של 80 ג’יגה דגימות בשנייה מבצעים דגימת יתר על אותות 56 ג’יגה באוד בגורם של 1.4 בלבד. מעגלי הכניסה של משקף התנודות פועלים כמסנן נגד קיפול תדרים (anti–aliasing) אשר מגביל את הספקטרום של האות לפחות מ– 30 ג’יגה הרץ, ולכן דגימה בקצב שגדול מ– 60 ג’יגה דגימות בשנייה עומדת בעיקרון Nyquist. (תהליך זה שווה ערך לסינון של אות אופטי בקצב 56 ג’יגה באוד עם מסנן אופטי רחב, של 60 ג’יגה הרץ, ולאחריו דגימת יתר כפולה של 112 ג’יגה דגימות בשנייה. חלון של 60 ג’יגה הרץ מוצג באופן יחסי לספקטרום האות באיור 1.)
תרשים בלוקים של אלגוריתם מקלט Intradyne מוצג באיור 1. ראשית ביצענו תיקון של חוסר השלמות של מעגלי הכניסה, לדוגמה עיוות skew של הדגימה ושגיאות הפאזה בהיבריד. לאחר מכן, ביצענו פיצוי על נפיצת הצבע במישור התדר. שחזור אות השעון שנוצר, מבצע דגימת יתר של חלק של האות בגורם של 3, באמצעות ריפוד–אפס (Zero–Padding) במישור התדר, והוא מחלץ את האות בקצב הסימנים (1/T) מהספקטרום של האות שעבר ריבוע בעוצמה. בעזרת השעון המשוחזר ביצענו באופן מסונכרון דגימה מעלה (upsample), מ– 1.4 ל– 2, של האות.
הפרדת מקור עיוורת, יצירת השוואה (equalization) מסתגלת ושחזור תזמון – מתבצעים באמצעות מסנן פרפר (butterfly) עם 16 מסנני FIR במרווחי T/2 (HXX, HXY, HYX, HYY) באמצעות אלגוריתם המודול הקבוע. ראשית מתבצעות ההערכות של התדירות והפאזה בעזרת האלגוריתם Viterbi–Viterbi, ולאחר מכן, מתבצעים החלטה ופענוח קידוד דיפרנציאלי.
אופיינים ברצף
איור 3 מציג את אופייני יחס הסיביות השגויות (BER) ברצף לעומת יחס אות לרעש האופטי
(OSNR, רוחב פס לייחוס 0.1 ננו–מטר, הרעש בשני הקיטובים). העיגולים מייצגים אותות QPSK בקיטוב יחיד בקצב של 112 ג’יגה סיביות בשנייה, עם הפרש של 0.5 dB בערך, בין קיטוב X לקיטוב Y כתוצאה מחוסר השלמות במעגלי התדר הגבוה (front end). באות PDM–QPSK בקצב של 224 ג’יגה סיביות בשנייה (מצוין על ידי ריבועים) אין “קנס” על ריבוב PDM עודף והוא מציג רגישות של 20.5 dB בערך בקצב BER = 10–3, וזו סטיה של 4 dB בערך מהגבול התיאורטי (מצוין בקו מרוסק). כל המדידות היו ללא שגיאות (EF) ביחס OSNR גבוה דיו (בתוך גבולות סטטיסטיים של כ– 2.5 מיליון סיביות ששימשו לחישוב יחס BER מתוך מיליון אחד של דגימות שנרשמו לכל קיטוב ורביעון).
שידור בסיב של 2,500 ק”מ
שידור PDM–QPSK של 56 ג’יגה–באוד בערוץ יחיד בוצע בלולאה חוזרת (איור 1) של ארבעה מפתחי (span) סיב אופטי חד אופני (single mode) סטנדרטיים של 80 ק”מ (SSMF, הפסדים של 16 dB עד 17 dB למפתח, אורך לולאה של 315 ק”מ), עם מסנן יצירת השוואת הגבר (GEF) וללא פיצוי על נפיצה בתוך הקו. נעשה שימוש בהגברת Raman לאחור (הגבר נטו של 10 dB) ובמגברי EDFA עם ספרות רעש של 5 dB בערך. הספק שיגור האות היה –2 dBm, והוא נמצא קרוב לאופטימום עד למרחק של 3,000 ק”מ.
המשולשים באיור 4 מייצגים את יחס BER (כגורם Q) לעומת מרחק השידור. עם סף תיקון שגיאות בהמשך (FER) של 2 x 10–3, אפשר לגשר על מרחק של 2,500 ק”מ. העיגולים מייצגים את יחס OSNR הנמסר ומציינים “קנס” שידור של 2.5 dB בערך במרחק של 2,500 ק”מ.
מסקנות
הדגמנו את ניסוי הגילוי הקוהרנטי הראשון ב–56 ג’יגה–באוד עם פיצוי ליקויים ספרתי מלא. לאות PDM–QPSK בקצב של 224 ג’יגה–סיביות בשנייה יש רגישות OSNR של 20.5 dB ואפשר לשדר אותו למרחק של 2,500 ק”מ עם יחס BER קטן מ–2 x 10–3.
*הכתבה נמסרה באדיבות להט טכנולוגיות
