Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией и способ создания этого устройства
APPARATUS FOR OPTICAL RECOVERY OF TELECOMMUNICATION SIGNAL WITH AMPLITUDE MODULATION AND METHOD FOR PRODUCTION OF APPARATUS

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для исправления искажений оптических телекоммуникационных сигналов. Оно может быть использовано для компенсации хроматической дисперсии и нелинейных искажений в сигнале до момента непосредственного детектирования.
Волоконные линии связи с высокой скоростью передачи (100 Гбит/с) по одномодовому волокну на небольшие расстояния (до 10 км) широко востребованы в центрах обработки данных для реализации протокола IEEE 802.3bs 400 Гбит/с [1]. Для достижения таких скоростей передачи данных необходимо избавиться от искажений в оптическом сигнале, накладываемым нелинейными эффектами и эффектом хроматической дисперсии. Численная обработка сигнала для компенсации этих эффектов приводит к дополнительным затратам энергии и времени. Предлагаемое изобретение, основанное на волноводных элементах, позволяет восстанавливать сигнал до непосредственного детектирования, при этом не требует дополнительных затрат энергии и имеет широкую частотную полосу пропускания.
Уровень техники:
Для компенсации искажений оптического телекоммуникационного сигнала используются как численные, так и аналоговые методы. Метод обратного распространения является наиболее точным методом для компенсации эффектов хроматической дисперсии и нелинейности, однако требует больших вычислительных затрат [2]. Большинство приемников, используемых в современных оптических системах связи, относятся к типу прямого детектирования. При переходе сигнала из оптической в электрическую область постобработка способна компенсировать только ограниченную часть дисперсии [3, 4]. Помимо численной пост-обработки сигнала, существуют методы предобработки сигнала, которые модулируют оптический сигнал перед линией оптической связи для компенсации дисперсии волокна [5, 6]. Численные методы компенсации искажений предлагают мощный инструмент для решения поставленной проблемы, однако их использование приводит к значительному увеличению стоимости линии связи, а также к дополнительным энергетическим и временным затратам.
Среди аналоговых способов постобработки данных можно выделить применение оптических резервуарных вычислителей [7]. Особенностью данных устройств является необходимость дополнительной модуляции полученного сигнала с частотой на порядок большей, чем частота несущей сигнала. Таким образом, на текущем уровне технологии оптических модуляторов с частотой модуляции порядка 100 ГГц, подобные оптические резервуарные вычислители могут применяться для обработки сигналов с частотой порядка 10 ГГц.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является фотонный резервуар [8], который реализуется на кремниевом фотонном чипе. Каждый выходной канал кремниевого чипа модулируется отдельным оптическим модулятором, что значительно увеличивает стоимость и энергопотребление устройства.
Раскрытие изобретения:
Задача, решаемая изобретением - создание устройства аналоговой обработки информационного сигнала, техническим результатом использования которого будет уменьшение количества ошибок битовой идентификации, которая происходит за счет искажения оптического информационного сигнала нелинейными эффектами и эффектом хроматической дисперсии при распространении через линию связи.
Поставленная задача решена созданием волноводной системы, состоящей из набора ответвителей с установленными параметрами. Параметры элементов волноводной системы определяются алгоритмом машинного обучения на тестовом оптическом сигнале.
На Фиг 1 приведена схема предлагаемого изобретения, которая состоит из 3 волоконных ответвителей и 3 волоконных объединителей.
На Фиг. 1.
1. Волоконный ответвитель с коэффициентом деления α1
2. Волоконный ответвитель с коэффициентом деления α2
3. Волоконный ответвитель с коэффициентом деления α3
4. Волоконный объединитель
5. Волоконный объединитель
6. Волоконный объединитель
7. Детектор.
Количество ответвителей может варьироваться, в этом случае нижний выход 3-его ответвителя далее попадает на 4-ый ответвитель и дальше все повторяется по аналогии, как и показано на Фиг 1.
Количество ответвителей и длина волоконной линии между ними являются гиперпараметрами предлагаемого устройства, которые подбираются для каждой скорости передачи сигнала и расстояния между ответвителями.
Длина волоконной линии между ответвителями является фиксированной и зависит от частоты передаваемого сигнала. При этом она не должна превышать значения, определяемого формулой (1)
где с - скорость света, n - коэффициент преломления, f - частота сигнала.
Таким образом, для сигнала с частотой 50 ГГц (100 Гбит/с или 50 ГБод) и n=1.468 (для λ=1550) расстояние между ответвителями не должно превышать 4 мм.
Количество ответвителей и длина волоконной линии между соседними ответвителями, являясь гиперпараметрами предлагаемого изобретения, подбираются для каждой скорости передачи сигнала и расстояния телекоммуникационной линии связи.
Для каждого набора гиперпараметров коэффициенты деления ответвителей а определяются методом обратного распространения ошибки. Перебор количества ответвителей и длин волоконной линии между ними ведется до тех пор, пока ни достигается желаемое улучшение принимаемого сигнала. Метод обратного распространения ошибки находит набор значений коэффициентов деления ответвителей а, который обеспечивает минимальную среднеквадратичную ошибку Err между детектируемым сигналом и первоначальным сигналом без искажений. (2)
где u - сигнал на выходе из оптической линии связи, F - функция преобразования устройства, которая зависит от набора коэффициентов деления ответвителей α, D - функция детектора, Y - сигнал до передачи по линии оптической связи, i - номер передаваемого символа от 0 до N.
Способ создания описанного устройства состоит в следующем:
Для численного определения коэффициентов деления ответвителей устройство предлагается заменить на эквивалентную схему (Фиг 2.).
На Фиг. 2
8. Блок волоконных ответвителей с коэффициентом деления α
9. Блок волоконных аттенюаторов w.
10. Волоконный объединитель.
j
В эквивалентной схеме коэффициенты деления всех ответвителей приравниваются к фиксированному значению k, а после каждого ответвителя введен аттенюатор с коэффициентом поглощения W, где j - номер аттенюатора. Таким образом, коэффициент деления n-го ответвителя в устройстве определяется рекуррентной формулой (3)
i
Предлагаемый подход позволяет выразить функцию преобразования устройства в матричной форме. Входной сигнал, проходя через систему ответвителей разбивается на m сигналов, где i-ый сигнал имеет амплитуду k(1-k) от входной амплитуды сигнала и задержку по времени dt * i, где i=0,…m-1, a dt - время прохождения сигнала через волокно между ответвителями. Данные m сигналов можно представить в виде матрицы размерностью (m х N * d+m), где N - количество символов в сигнале, a d - дискретизация сигнала (d точек на символ). Пустые места матрицы заполнены нулями. Обозначим за X центральную часть матрицы размера (m х N*d), то дальнейшее прохождение сигналов через аттенюаторы, объединитель и детектор можно записать в матричной форме:
out
где u сигнал на детекторе. Таким образом можно выразить среднеквадратичную ошибку между сигналом, который мы получаем на детекторе и сигналом, который хотим передать изначально:
где w - вектор столбец коэффициентов аттенюаторов. Для данного выражения можно аналитически выписать градиент по w и методом обратного распространения ошибки найти такие значения для коэффициентов аттенюаторов, которые минимизируют среднеквадратичную ошибку.
После вычисления вектора w эквивалентной численной схемы устройства, коэффициенты деления ответвителей реального устройства (Фиг. 1.) рассчитываются согласно формуле (3).
Пример осуществления способа.
Для примера возьмем волоконную линию связи длиной 27 км и сигнал 4-РАМ модуляции с двойной поляризацией. Средняя мощность сигнала 0 дБм, а скорость передачи 14 Гига-бод. В процессе определения параметров схемы, описанном выше, мы получили следующую архитектуру устройства: 4 ответвителя с расстоянием 0.9116 мм между ними. И коэффициентами 0.99; 0.45; 0.08; 0.25 соответственно. Интенсивность битовых ошибок (BER) без применения предлагаемого изобретения составляет 0.00415 а после применения 0.00026. На Фиг. 3 представлены глазковые диаграммы сигнала после детектирования для случая, когда применялось изобретение (а) и для случая прямого детектирования (б). Такие же расчеты были проделаны для сигнала мощностью 4 дБм. BER без применения предлагаемого изобретения составил 0.0042 а после применения 0.00038. Глазковые диаграммы представлены на Фиг. 4. Коэффициенты ответвителей составили 0.95; 0.4; 0.09 и 0.66 соответственно.
Использованные источники информации
1. "IEEE Standard for Ethernet, Standard 802.3bs", 2017.
2. Du L.В., Lowery A.J. Improved single channel backpropagation for intra-channel fiber nonlinearity compensation in long-haul optical communication systems //Optics express. - 2010. - T. 18. - №. 16. -C. 17075-17088.
3. Cartledge J.C, McKay R.G., Nowell M.C. Performance of smart lightwave receivers with linear equalization //Journal of lightwave technology. - 1992. - T. 10. - №. 8. - C. 1105-1109.
4. Winters J.H., Gitlin R.D. Electrical signal processing techniques in long-haul fiber-optic systems // IEEE Transactions on Communications. - 1990. - T. 38. - №. 9. - C. 1439-1453.
5. Koch Т., Alferness R. Dispersion compensation by active predistorted signal synthesis //Journal of lightwave technology. - 1985. - T. 3. - №. 4. - C. 800-805.
6. McNicol J. et al. Optical dispersion compensation in the electrical domain in an optical communications system: пат. 9559778 США. - 2017.
7. Argyris A., Bueno J., Fischer I. PAM-4 transmission at 1550 nm using photonic reservoir computing post-processing // IEEE Access. - 2019. - T. 7. - C. 37017-37025.
8. Vandoorne K. et al. Experimental demonstration of reservoir computing on a silicon photonics chip //Nature communications. - 2014. - T. 5. - C. 3541.