تقاضای سیری ناپذیر جهانی برای داده، که توسط محاسبات ابری، سرویسهای جریان و اینترنت اشیا (IoT) هدایت میشود، سیستمهای ارتباطی نوری را به محدودیتهای نظری خود رسانده است. برای رویارویی با این چالش، قالبهای مدولاسیون پیشرفته که اطلاعات مربوط به فاز، دامنه و قطبش نور را رمزگذاری میکنند ضروری شدهاند. با این حال، این پیچیدگی یک مشکل اساسی را ایجاد می کند: حالت تصادفی و دینامیکی قطبش نور (SOP) هنگام عبور از صدها کیلومتر فیبر نوری. راه حلی که به بستر تشخیص منسجم مدرن تبدیل شده است، گیرنده منسجم تنوع قطبی است.
چالش: مسیری پیچیده برای نور
برخلاف کلیدهای ساده خاموش-سیستم های نوری اولیه، طرح های مدرن مانند فاز چهارگانه قطبی دوگانه-Shift Keying (DP{3}QPSK) و QAM مرتبه بالاتر{4} از هر دو قطبش نور برای دو برابر کردن ظرفیت انتقال داده استفاده می کنند. امواج نور دارای دو حالت قطبش متعامد هستند که معمولاً به عنوان قطبش X و Y شناخته می شوند. در حالت ایده آل، این ایالت ها متمایز باقی می مانند. با این حال، فیبر نوری یک رسانه کامل نیست. عیوب، تنش های خارجی، تغییرات دما، و انکسار ذاتی فیبر باعث می شود که SOP به طور تصادفی و غیرقابل پیش بینی در طول انتقال تغییر کند. اگر کنترل نشود، این چرخش پلاریزه منجر به محو شدن شدید سیگنال و خطا در گیرنده می شود و فرمت های مدولاسیون پیچیده را بی فایده می کند.
اصل اصلی: تقسیم برای تسخیر
گیرنده منسجم تنوع قطبی به زیبایی این مشکل را حل می کند. اصل اصلی آن ردیابی یا کنترل قطبی شدن ورودی نیست، بلکه جداسازی منفعلانه آن و پردازش مستقل آن است. گیرنده به گونه ای طراحی شده است که نسبت به SOP ورودی آگنوستیک باشد و سیگنالی پایدار و قابل اعتماد را بدون توجه به پیچ و تاب های فیبر تضمین کند.
معماری چنین گیرنده ای شاهکار فوتونیک و الکترونیک یکپارچه است. معمولاً شامل چندین مرحله کلیدی است:
شکاف پرتو قطبی (PBS): این نقطه ورود است. سیگنال ورودی با SOP ناشناخته و نوسانی خود به یک PBS تغذیه می شود. این دستگاه سیگنال را به دو جزء قطبی متعامد تقسیم می کند. به طور بحرانی، این دو خروجی تجزیه کامل نور ورودی را نشان می دهند. صرف نظر از SOP اصلی، ترکیب قدرت و اطلاعات در این دو مسیر ثابت می ماند.
هیبرید نوری 90-: هر یک از دو مؤلفه پلاریزاسیون PBS به هیبرید نوری 90- درجه خود وارد میشود. ورودی دیگر هر دو هیبرید یک لیزر معمولی و بسیار پایدار نوسانگر محلی (LO) است. هیبرید نوری یک عامل کلیدی برای تشخیص منسجم است. عملکرد آن مخلوط کردن سیگنال با LO و تولید سیگنال های خروجی است که اجزای درون فازی (I) و مربعی (Q) سیگنال و LO را برای هر قطبش نشان می دهد. برای یک قطبش واحد، یک هیبرید چهار خروجی تولید می کند: I و Q برای ترکیب سیگنال-LO و مکمل های آنها. در تنظیم تنوع قطبی، این فرآیند برای هر دو مسیر قطبش X و Y تکرار می شود و در مجموع 8 خروجی آنالوگ ایجاد می شود.
تشخیص نور و دیجیتال سازی: هشت خروجی نور از دو هیبرید نوری توسط مجموعه ای از آشکارسازهای نوری متعادل به جریان الکتریکی تبدیل می شوند. این آشکارسازها برای رد کردن صدای حالت رایج و بهبود حساسیت بسیار مهم هستند. سیگنالهای الکتریکی حاصله-IX، QX، IY، QY (و مکملهای آنها)-نمونههای آنالوگ میدان نوری پیچیده برای هر دو قطبش هستند.
پردازش سیگنال دیجیتال (DSP): نیروگاه واقعی: سیگنالهای آنالوگ توسط مبدلهای آنالوگ با سرعت بالا به دیجیتال (ADC) دیجیتالی میشوند. اینجاست که جادوی واقعی اتفاق می افتد. نمونه های دیجیتال به یک موتور قدرتمند DSP منتقل می شوند. DSP چندین عملکرد حیاتی را انجام می دهد:
پلاریزاسیون-Multiplexing: با استفاده از الگوریتم های یکسان سازی تطبیقی (مانند الگوریتم مدول ثابت یا الگوریتم مدول چند{1})، DSP به صورت پویا جریان های داده X و Y ارسال شده اصلی را بازیابی می کند. این چرخش قطبش را که در فیبر در حوزه دیجیتال رخ میدهد، به طور موثر "از بین میبرد".
بازیابی فاز حامل: فرکانس و رانش فاز بین سیگنال و لیزرهای نوسان ساز محلی را جبران می کند.
جبران پراکندگی رنگی: به صورت دیجیتالی اثرات گستردهکننده پالس-پراکندگی رنگی را معکوس میکند.
تصمیم گیری داده: در نهایت، تصمیم می گیرد که کدام نمادها منتقل شده و جریان داده اصلی را بازسازی می کند.
تاثیر و کاربردها
اختراع و تجاری سازی گیرنده منسجم تنوع قطبی انقلابی بوده است. این فناوری توانمند برای موارد زیر است:
کابلهای بلند-بلند و زیردریایی: بالاترین نرخ دادههای ممکن را در فواصل بین اقیانوسی، جایی که اثرات پلاریزاسیون بارزتر است، میدهد.
اتصالات مرکز داده (DCI): با استفاده از مدولاسیون پیشرفته، پیوندهایی با ظرفیت{0} بالا بین مراکز داده، اغلب از طریق کارخانه های فیبر قدیمی تر، فعال می کند.
انعطافپذیر-شبکههای نوری شبکهای: عملکرد پویا مورد نیاز برای شبکههای نوری تعریفشده نرمافزاری- را فراهم میکند که میتوانند ظرفیت را در صورت تقاضا تطبیق دهند.
در نتیجه، گیرنده منسجم تنوع قطبی به مراتب بیشتر از یک جزء است. این یک زیر سیستم اساسی است که نسلی از ارتباطات نوری را تعریف کرده است. با تقسیم هوشمندانه مشکل رانش قطبی و سپردن آن به یک مغز دیجیتال قدرتمند، تصادفی ذاتی نور در فیبر نوری را رام کرده و ظرفیت مقیاس ترابیت{1}} را که ستون فقرات دنیای متصل ما را تشکیل میدهد، باز میکند.