クラウド コンピューティング、ストリーミング サービス、モノのインターネット (IoT) によって引き起こされるデータに対する世界的な飽くなき需要により、光通信システムは理論上の限界まで押し上げられています。この課題に対処するには、光の位相、振幅、偏光に関する情報をエンコードする高度な変調フォーマットが不可欠になっています。しかし、この高度化により、光が数百キロメートルの光ファイバーを通過する際の光のランダムで動的な偏光状態 (SOP) という根本的な問題が生じます。最新のコヒーレント検出の基盤となっているソリューションは、偏波ダイバーシティ コヒーレント受信機です。
挑戦: 光の曲がりくねった道
初期の光学システムの単純なオン{0}オフ キーイングとは異なり、デュアル偏波直交位相{{2}シフト キーイング（DP-QPSK）や高次 QAM などの最新の方式では、光の両方の偏波を使用してデータ伝送容量を 2 倍にします。-光波には 2 つの直交する偏光状態があり、通常は X 偏光と Y 偏光と呼ばれます。理想的には、これらの状態は区別されたままになります。ただし、光ファイバーは完璧な媒体ではありません。欠陥、外部応力、温度変化、およびファイバー固有の複屈折により、SOP は伝送中にランダムかつ予測不能に変化します。この偏波回転を管理せずに放置すると、受信機での深刻な信号フェージングやエラーが発生し、高度な変調フォーマットが役に立たなくなります。
基本原則: 征服するために分割する
偏波ダイバーシティ コヒーレント受信機は、この問題を見事に解決します。その中心原理は、入ってくる偏波を追跡したり制御したりするのではなく、受動的に偏波を分離し、独立して処理することです。受信機は、受信 SOP に依存しないように設計されており、ファイバーのねじれや曲がりに関係なく、安定した信頼性の高い信号を保証します。
このような受信機のアーキテクチャは、フォトニクスとエレクトロニクスを統合した傑作です。通常、これはいくつかの主要な段階で構成されます。
偏光ビーム スプリッター (PBS): これがエントリ ポイントです。未知の変動する SOP を含む受信信号は、PBS に供給されます。このデバイスは信号を 2 つの直交する偏波成分に分割します。重要なことに、これら 2 つの出力は、入射光の完全な分解を表しています。元の SOP に関係なく、これら 2 つのパスの結合された電力と情報は一定のままです。
90- 度光ハイブリッド: PBS からの 2 つの偏光成分はそれぞれ、独自の 90- 度光ハイブリッドに供給されます。両方のハイブリッドへのもう 1 つの入力は、共通の非常に安定した局部発振器 (LO) レーザーです。光ハイブリッドは、コヒーレント検出を可能にする重要な要素です。その機能は、信号を LO と混合し、各偏波の信号と LO の両方の同相 (I) 成分と直角位相 (Q) 成分を表す出力信号を生成することです。単一偏波の場合、ハイブリッドは 4 つの出力 (信号と LO の組み合わせの I と Q、およびそれらの補数) を生成します。偏波ダイバーシティ設定では、このプロセスが X 偏波パスと Y 偏波パスの両方で複製され、合計 8 つのアナログ出力が得られます。
光検出とデジタル化: 2 つの光ハイブリッドからの 8 つの光出力は、バランスの取れた光検出器のセットによって電流に変換されます。これらの検出器は、コモンモード ノイズを除去し、感度を向上させるために非常に重要です。-結果として得られる電気信号-IX、QX、IY、QY (およびそれらの補数)-は、両方の偏波の複素光場のアナログ表現です。
デジタル信号処理 (DSP): 真のパワーハウス: アナログ信号は、高速-アナログ デジタル コンバータ-- コンバータ (ADC) によってデジタル化されます。ここで本当の魔法が起こります。デジタル サンプルは強力な DSP エンジンに渡されます。 DSP はいくつかの重要な機能を実行します。
偏波分離多重化: 適応等化アルゴリズム (定数モジュラス アルゴリズムやマルチモジュラス アルゴリズムなど) を使用して、DSP は元の送信された X および Y データ ストリームを動的に復元します。-これは、デジタル領域のファイバー内で発生した偏波回転を効果的に「ねじれを解く」ものです。-
キャリア位相リカバリ: 信号と局部発振器レーザー間の周波数と位相のドリフトを補償します。
波長分散の補償: 波長分散によるパルス広がり効果をデジタル的に逆転させます。-
データ決定: 最後に、どのシンボルが送信されたかを決定し、元のデータ ストリームを再構築します。
影響と応用
偏波ダイバーシティコヒーレント受信機の発明と商品化は革新的でした。これは以下を実現するテクノロジーです。
長距離ケーブルと海底ケーブル: 偏波の影響が最も顕著になる大洋横断距離で可能な限り最高のデータ レートが可能になります。
データセンター相互接続（DCI）: 高度な変調を使用して、多くの場合古いファイバー プラントを介して、データセンター間の大容量リンクを可能にします。{0}
柔軟な-グリッド光ネットワーク: オンデマンドで容量を調整できるソフトウェア定義の光ネットワークに必要な動的なパフォーマンスを提供します。-
結論として、偏波ダイバーシティ コヒーレント受信機は単なるコンポーネントではありません。これは、光通信の世代を定義した基本的なサブシステムです。偏波ドリフトの問題を巧みに分割し、強力なデジタル頭脳に引き渡すことで、光ファイバーに固有の光のランダム性を抑制し、私たちの接続された世界のバックボーンを形成するテラビット規模の容量を解放しました。-