Multipleksowanie z Podziałem Modów (MDM)

Multipleksowanie z podziałem modów

Multipleksowanie z Podziałem Modów (MDM) jest techniką multipleksacji przestrzennej, w której niezależne strumienie danych przechodzą różnymi modami propagacji w jednym falowodzie lub światłowodzie. W światłowodzie o małej liczbie modów mody opisuje się często oznaczeniami takimi jak LP01 i LP11. W idealnych warunkach różne mody są ortogonalne, dlatego multiplekser modów może je połączyć, a odbiornik może je rozróżnić. MDM wykorzystuje wymiar przestrzenny. Multipleksowanie z podziałem długości fali rozdziela długości fal, a multipleksowanie z podziałem czasu rozdziela przedziały czasowe.

W nadajniku każdy strumień danych jest modulowany i przypisywany do wybranego modu. Multiplekser modów łączy rozkłady pól w jeden złożony sygnał optyczny. Niedoskonałości, zgięcia, spawy i inne elementy mogą powodować sprzęganie energii między modami, dlatego odebrany mod może zawierać składniki kilku strumieni. Demultiplekser modów oraz, gdy jest to potrzebne, odbiorniki koherentne z cyfrowym przetwarzaniem MIMO (MIMO-DSP) oszacowują kanał i odtwarzają strumienie. Zysk pojemności zależy od liczby użytecznych modów, przesłuchu międzymodowego, różnicowego opóźnienia modowego, strat zależnych od modu i złożoności odbiornika.

a) Kanały modalne w światłowodach o małej liczbie modów

Łącze MDM wymaga falowodu obsługującego kilka modów prowadzonych w wymaganym paśmie i na wymaganej odległości. Światłowód o małej liczbie modów ogranicza ich liczbę, dzięki czemu generowanie i separacja pozostają możliwe do opanowania. Zwykły światłowód wielomodowy może obsługiwać większy zbiór modów, lecz rosną wtedy wymagania dotyczące ich kontroli i korekcji. Wartość tę wyznaczają właściwości falowodu i warunki pracy. Liczba fizycznych włókien opisuje odrębną cechę infrastruktury.

Najważniejsze cechy

• Ortogonalność modalna: W idealnym, jednorodnym falowodzie różne mody prowadzone mają zerowe nakładanie według właściwego iloczynu skalarnego pól. Ta właściwość pozwala traktować je jako oddzielne kanały przestrzenne.
• Przesłuch modalny: Zgięcia, niedoskonałości, spawy i elementy wybierające mody mogą przenosić energię między nimi. Odbiornik obserwuje wtedy mieszaninę, a poziom przesłuchu ogranicza skuteczną separację strumieni.
• Różnicowe opóźnienie i tłumienie modów: Mody mogą mieć różne prędkości grupowe i tłumienie. Skutkiem jest rozciągnięcie sygnałów w czasie oraz zmiana ich względnych mocy, dlatego odbiornik MDM może wymagać korekcji i sterowania mocą.

b) Multipleksowanie i separacja modów

Nadajnik i odbiornik muszą zachować rozróżnienie kanałów modalnych podczas przejścia sygnału przez łącze. MDM może używać tej samej długości fali optycznej dla kilku modów i może współistnieć z multipleksowaniem falowym oraz polaryzacyjnym. Każdy dodatkowy wymiar zwiększa liczbę kanałów, a elementy i przetwarzanie sygnału muszą obsłużyć ich wzajemne oddziaływanie.

Główne etapy procesu

• Przygotowanie strumieni: Niezależne strumienie danych są ramkowane, zabezpieczane korekcją błędów i odwzorowywane na symbole modulacji. Nadajnik przypisuje każdy strumień do modu zgodnie ze skonfigurowanym zbiorem.
• Multipleksowanie modów: Modulatory i multiplekser modów tworzą pola o wybranych rozkładach przestrzennych oraz łączą je na wejściu światłowodu. Kanały modalne mogą współdzielić nośną optyczną i zajmowane pasmo.
• Propagacja i sprzęganie: Mody przechodzą przez światłowód z własnymi stałymi propagacji, opóźnieniami grupowymi i stratami. Zaburzenia mogą je sprzęgać i tworzyć zależną od częstotliwości mieszaninę na wyjściu.

c) Przetwarzanie sygnału MDM i kompromisy

W łączu ze sprzęganiem modów nadawany i odbierany wektor modalny są powiązane macierzą kanału zmieniającą się z częstotliwością. Odzyskiwanie sygnału MDM przypomina detekcję MIMO, przy czym mody przestrzenne pełnią rolę kanałów antenowych. Projekt musi równoważyć pojemność, przesłuch, straty zależne od modu, różnicowe opóźnienie modalne, kalibrację, pobór mocy i koszt wykonania.

Wymagania przetwarzania

Praktyczny odbiornik wykorzystuje symbole treningowe lub piloty do oszacowania funkcji przenoszenia modów. Korektor kompensuje następnie mieszanie i różnice opóźnień przed zdekodowaniem poszczególnych strumieni. Zakres przetwarzania rośnie wraz z liczbą modów oraz siłą i pasmem sprzęgania.

• Estymacja kanału: Znane symbole lub piloty opisują wzmocnienie, fazę, opóźnienie i sprzęganie między modami wejściowymi i wyjściowymi.
• Korekcja modalna: Korektor wielowejściowy i wielowyjściowy odwraca oszacowany kanał lub przybliża jego odwrotność w zajmowanym paśmie, z uwzględnieniem wzmacniania szumu i ograniczeń numerycznych.
• Sterowanie mocą zależne od modu: Różne straty modalne mogą powodować nierówne stosunki sygnału do szumu. Moce wejściowe i przetwarzanie odbiorcze można dostosować w dozwolonym zakresie optycznym i elektrycznym.
• Monitorowanie łącza: Przesłuch, różnicowe opóźnienie modalne i straty zależne od modu trzeba mierzyć lub śledzić, ponieważ zgięcia, temperatura i zmiany elementów mogą zmieniać kanał modalny.