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【Tech Tip】什麼是“偏振狀態”?

可插拔相干光學在許多方面具有優勢,其中最重要的因素之一是電子色散補償,對於資料中心互聯(DCI)而言,傳統的“直接檢測”系統需要在鏈路中預先計劃詳細的色散補償,這既昂貴又難以部署,擴展和維護都很複雜。色散是光訊號在光纖中傳播時產生的訊號失真現象,它導致不同頻率的光訊號在光纖中傳播速度不同,從而使得訊號失真和間隔變大;在傳統的直接檢測系統中,由於無法直接處理和補償色散效應,需要在鏈路中添加特定的色散補償元件或技術;這些色散補償元件通常是昂貴且複雜的,需要精確的規劃和配置,以確保光訊號能夠正確地傳輸並恢復到原始狀態。


相比之下,可插拔相干光學模組具有內建的電子色散補償功能,可以在數位域中實現對色散的補償,這表示光訊號在通過相干模組的數位訊號處理器(DSP)時,可以校正由色散(CD)及極化模態色散(PMD)引起的訊號失真,這種內部補償的方式更為高效和方便,並且可以在實時和動態的情況下進行調整,無需額外的色散補償器件,且只需要有限的鏈路規劃。

偏振(極化)狀態

光訊號的偏振以及它在光纖中的行為和變化是一個明顯的複雜因素;相干發射器在相同波長上對兩個訊號進行多路復用 (multiplex),但使用正交偏振狀態是一種加倍資料傳輸速率的方法;在接收器使用電子補償算法之前,必須對這兩個訊號進行解多路復用;然而,由於所有單模光纖中存在微小殘餘雙折射現象(雙折射是由於偏振狀態和光傳播材料的方向不同,而導致的折射率差異),光纖中的雙折射會導致光訊號的偏振狀態不斷變化,鏈路中的光纖的雙折射特性可能會發生變化;隨著其變化,接收器的偏振狀態也會隨之變化;相干接收器必須能夠即時處理這個問題,正如上面提到的一樣。


雙折射的變化方式有很多種,我們可以根據變化率將其分為幾個類別;慢速變化包括溫度變化,導致膨脹和收縮,這些變化發生在幾秒鐘或幾分鐘的時間內,還有更快的變化,由於微小振動引起,這些振動導致光纖沿著應力和應變的方向發生變化(例如:風中搖擺的架空電纜或卡車通過時的振動),這些變化的頻率可以在Hz或KHz範圍內;最後,還有一些罕見但非常快速的變化,由於非線性電光事件引起,例如雷擊,這些干擾可以在MHz範圍內非常迅速地發生。

SOP Histogram

Decimated view of  Scrambling Sequence

雖然我們常常聽說偏振狀態 (SOP, State of Polarization) 的變化以krad/s或Mrad/s來表示,但當考慮這些不同類型的變化在數百、甚至數千公里的範圍內累積時,以統計方式思考訊號SOP的演變更有助於我們的理解。


在這個問題上有不同的觀點,許多人認為這種複雜性最好用純隨機分佈來描述 - 當前的SOP可以以相等的概率變化為任何其他的SOP;其他人則認為,SOP的分佈最好用瑞利分佈 (Rayleigh distribution) 來建模,其中較小的變化更有可能發生,然後偶爾會出現較大的狀態變化;在這兩種情況下,如果觀察者等待足夠長的時間,最終會涵蓋所有狀態;允許工程師在這兩種情況下驗證性能的測試系統至關重要。


無論是哪種情況,DSP模組都必須應對動態環境;首先,要解復用(demultiplex)這些快速變化的偏振訊號,然後對多種類型的色散進行補償;整合商和最終用戶需要驗證這種色散補償的實際性能,並驗證偏振狀態變化對光訊噪比的影響;如果沒有正確的實驗設置,和如何對模組進行「不良」處理的理解,這樣的量測可能會極具挑戰性。


VIAVI 的實驗室和生產團隊在相干系統的開發、測試和驗證方面擁有多年的經驗,VIAVI 的ONT 800G DCO模組MAP系列(特別是mPCX)的光子設置結合在一起,提供了一個全面的解決方案,用於驗證、測試和色散補償的壓力測試。

MAP-300 mPCX-C1 模組用於模擬光纖中偏振狀態的變化

圖1:MAP-300 mPCX-C1 模組用於模擬光纖中偏振狀態的變化;簡單的用戶介面使工程師能夠快速且簡單地修改偏振狀態變化的統計性質,包括:峰值速度、統計分佈和狀態覆蓋。


除了純粹的擾動(scrambling)外,還可以想像進行特定的壓力測試;一個例子是將偏振狀態調整到「激進」狀態,這可能代表著一組光電探測器具有高光功率,而另一組(偏振狀態)光電探測器的光功率非常低,這測試了模組的動態範圍,包括:光子學、自動增益控制(AGC)、和數位訊號處理(DSP)控制迴路;然後,MAP系統可以設定在不良狀態間快速切換,以驗證相干模組的穩定性,需要記住的關鍵點是儀器的偏振控制器必須能夠簡單且快速地在這些模式之間切換。


這樣的測試非常重要,它可以在幾乎靜態的壓力狀態、和動態條件下測試DCO的多個面向,同時,它還可以以不同的方式對DSP韌體進行壓力測試,以確保在實際運行條件下所有重要的控制迴路都能保持穩定;隨著大量可插拔相干光學元件預計在不久的將來部署,最終用戶將希望確保它們真正是「低觸摸」的,無需頻繁的人工調整或干預,並且他們希望這些高密度的400G DCI網路能夠在各種實際運行條件下順利部署和擴展,插拔式相干光學元件應該能夠適應不同的網路環境和負載需求,並在網路擴展時保持高性能和穩定性。


使用者期望這些網路能夠應對不斷變化的流量、距離和連接要求,並能夠提供可靠的傳輸和高品質的服務;因此,對插拔式相干光學器件進行全面的測試和驗證是至關重要的,以確保它們能夠在實際運行環境中實現低觸摸、可擴展的部署。


如果您對相干測試仍有疑問,我們很樂意與您分享我們多年來在相干系統測試方面的專業知識;如果您有任何問題或想要了解更多訊息,請立即與我們聯繫 - 翔宇科技為 VIAVI Solutions – Elite Partner – 最高等級的代理商,我們可以幫助您輕鬆應對這些模組的所有複雜性,並協助您順利推進產品的發展。


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