Optiskās frekvenču ķemmes un optiskā pārraide?

Kā zināms, kopš 20. gs. deviņdesmitajiem gadiem WDM WDM tehnoloģija tiek izmantota simtiem vai pat tūkstošiem kilometru gariem tālsatiksmes optiskās šķiedras savienojumiem. Lielākajā daļā valsts reģionu optiskās šķiedras infrastruktūra ir visdārgākais aktīvs, savukārt raidītāju un uztvērēju komponentu izmaksas ir salīdzinoši zemas.
Tomēr, pieaugot datu pārraides ātrumam tādos tīklos kā 5G, WDM tehnoloģija kļūst arvien svarīgāka arī īso distanču saitēs, kuras tiek izvietotas daudz lielākos apjomos un tāpēc ir jutīgākas pret raidītāju un uztvērēju mezglu izmaksām un izmēru.

Pašlaik šie tīkli joprojām izmanto tūkstošiem vienmoda optisko šķiedru, kas tiek pārraidītas paralēli, izmantojot telpas dalīšanas multipleksēšanas kanālus, ar relatīvi zemu datu pārraides ātrumu, kas nepārsniedz dažus simtus Gbit/s (800 G) katrā kanālā, ar nelielu iespējamo pielietojumu skaitu T klasē.

Tomēr pārskatāmā nākotnē kopīgas telpiskās paralēlizācijas koncepcija drīz sasniegs savas mērogojamības robežas, un tā būs jāpapildina ar datu plūsmu spektrālo paralēlizāciju katrā šķiedrā, lai saglabātu turpmāku datu pārraides ātruma pieaugumu. Tas varētu pavērt pilnīgi jaunu WDM tehnoloģijas pielietojuma telpu, kurā maksimāla mērogojamība kanālu skaita un datu pārraides ātruma ziņā ir izšķiroša.

Šajā kontekstāoptiskā frekvences ķemmes ģenerators (FCG)spēlē galveno lomu kā kompakts, fiksēts, vairāku viļņu garumu gaismas avots, kas var nodrošināt lielu skaitu precīzi definētu optisko nesēju. Turklāt īpaši svarīga optisko frekvenču ķemmes priekšrocība ir tā, ka ķemmes līnijas ir vienādā attālumā viena no otras frekvencē, tādējādi atvieglojot prasību pēc starpkanālu aizsargjoslām un novēršot frekvences kontroli, kas būtu nepieciešama vienai līnijai parastā shēmā, izmantojot DFB lāzeru masīvu.

Ir svarīgi atzīmēt, ka šīs priekšrocības attiecas ne tikai uz WDM raidītājiem, bet arī uz to uztvērējiem, kur diskrētus lokālo oscilatoru (LO) blokus var aizstāt ar vienu ķemmes ģeneratoru. LO ķemmes ģeneratoru izmantošana vēl vairāk atvieglo digitālo signālu apstrādi WDM kanāliem, tādējādi samazinot uztvērēja sarežģītību un palielinot fāzes trokšņa toleranci.

Turklāt LO ķemmes signālu izmantošana ar fāzes bloķēšanu paralēlai koherentai uztveršanai pat ļauj rekonstruēt visa WDM signāla laika domēna viļņu formu, tādējādi kompensējot traucējumus, ko rada optiskā nelinearitāte pārraides šķiedrā. Papildus šīm uz ķemmes balstītas signāla pārraides konceptuālajām priekšrocībām, nākotnes WDM raidītājiem-uztvērējiem galvenie faktori ir arī mazāks izmērs un izmaksu ziņā efektīva masveida ražošana.
Tāpēc starp dažādajām ķemmes signālu ģeneratoru koncepcijām īpaši interesantas ir mikroshēmu mēroga ierīces. Apvienojumā ar ļoti mērogojamām fotoniskām integrētām shēmām datu signālu modulācijai, multipleksēšanai, maršrutēšanai un uztveršanai šādas ierīces varētu būt atslēga uz kompaktiem, ļoti efektīviem WDM raidītājiem/uztvērējiem, kurus var ražot lielos daudzumos par zemām izmaksām, ar pārraides jaudu līdz pat desmitiem Tbit/s uz vienu šķiedru.

Šajā attēlā redzama WDM raidītāja shematiska attēlošana, kurā kā daudzviļņu garumu gaismas avots tiek izmantota optiskā frekvenču ķemme FCG. FCG ķemmes signāls vispirms tiek atdalīts demultipleksorā (DEMUX) un pēc tam nonāk EOM elektrooptiskajā modulatorā. Tādējādi signāls tiek pakļauts uzlabotai QAM kvadratūras amplitūdas modulācijai, lai nodrošinātu optimālu spektrālo efektivitāti (SE).

Raidītāja izejā kanāli tiek rekombinēti multipleksorā (MUX), un WDM signāli tiek pārraidīti pa vienmoda šķiedru. Uztvērēja pusē viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanas uztvērējs (WDM Rx) izmanto otrā FCG LO lokālo oscilatoru daudzviļņu koherentai noteikšanai. Ievades WDM signālu kanālus atdala demultipleksors un padod uz koherento uztvērēju masīvu (Coh. Rx), kur lokālā oscilatora LO demultipleksēšanas frekvence tiek izmantota kā fāzes atskaites punkts katram koherentajam uztvērējam. Šādu WDM saišu veiktspēja acīmredzami lielā mērā ir atkarīga no pamatā esošā ķemmes signāla ģeneratora, jo īpaši no optiskās līnijas platuma un optiskās jaudas uz katru ķemmes līniju.

Protams, optisko frekvenču ķemmes tehnoloģija joprojām ir izstrādes stadijā, un tās pielietojuma scenāriji un tirgus apjoms ir salīdzinoši nelieli. Ja tā spēs pārvarēt tehniskās problēmas, samazināt izmaksas un uzlabot uzticamību, tad būs iespējams sasniegt mēroga pielietojumus optiskajā pārraidē.