40G100G相干光通信原理與關(guān)鍵技術(shù)

　　隨著40Gb/s的大規(guī)模部署的開(kāi)始，業(yè)界又涌現(xiàn)出多種新型的100G/s調(diào)制編碼格式。面對(duì)眾多特征各異的傳輸碼型，在綜合考慮其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，業(yè)界主要從傳輸距離、通路間隔、與40Gb/s和10Gb/s系統(tǒng)的兼容性、模塊成本與傳輸性能的平衡等方面進(jìn)行綜合選擇。

　　隨著高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)(ADC)的進(jìn)步，相干光通信成為研究的熱點(diǎn)。相干檢測(cè)與DSP技術(shù)相結(jié)合，可以在電域進(jìn)行載波相位同步和偏振跟蹤，清除了傳統(tǒng)相干接收的兩大障礙?；贒SP的相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有硬件透明性;可在電域補(bǔ)償各種傳輸損傷，簡(jiǎn)化傳輸鏈路，降低傳輸成本;支持多進(jìn)制調(diào)制格式和偏振復(fù)用，實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的傳輸。通過(guò)業(yè)界一兩年來(lái)對(duì)于100Gb/s模塊的研究和開(kāi)發(fā)，100G/s的偏振復(fù)用四相相移鍵控相干模塊(Coherent PM-QPSK)正在變成業(yè)界的主要選擇。

　　相干光通信的基本原理

　　相干光通信系統(tǒng)可以把光頻段劃分為許多頻道，從而使光頻段得到充分利用，即多信道光纖通信。相干光通信技術(shù)具有接收靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，采用相干檢測(cè)技術(shù)的接收靈敏度可比直接檢測(cè)技術(shù)高18dB。

　　作為載體的激光信號(hào)通過(guò)PBS(偏振分光器)分為X/Y兩路，每路信號(hào)在通過(guò)2個(gè)MZ調(diào)制器組成的I/Q調(diào)制器(I路和Q路相位差90°)分別將10.7/27.5Gb/s的信號(hào)調(diào)制到載波，然后再通過(guò)偏振復(fù)用器把X軸和Y軸光信號(hào)按偏振復(fù)用合并在一起通過(guò)光纖發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)了40/100Gb/s 在單光纖上的傳輸。

　　在接收端，與強(qiáng)度調(diào)制一一直接檢測(cè)系統(tǒng)不同，相干光纖通信系統(tǒng)在光接收機(jī)中增加了外差或零差接收所需的本地振蕩光源(LO)，該光源輸出的光波與接收到的已調(diào)光波在滿(mǎn)足波前匹配和偏振匹配的條件下，進(jìn)行光電混頻。稍微改變本振激光器的光頻，就可改變所選擇的信道，因此對(duì)本振激光器的線寬要求很高?；祛l后輸出的信號(hào)光波場(chǎng)強(qiáng)和本振光波場(chǎng)強(qiáng)之和的平方成正比，從中可選出本振光波與信號(hào)光波的差頻信號(hào)。由于該差頻信號(hào)的變化規(guī)律與信號(hào)光波的變化規(guī)律相同，而不像直檢波通信方式那樣，檢測(cè)電流只反映光波的強(qiáng)度，因而，可以實(shí)現(xiàn)幅度、頻率、相位和偏振等各種調(diào)制方式。

　　由于要探測(cè)偏振復(fù)用的信號(hào)，接受信號(hào)通過(guò)一個(gè)極化束分離器PBS(PolarizationBeamSplitter) 分解成兩個(gè)正交信號(hào)，每個(gè)正交信號(hào)都與一個(gè)本地光源LO混頻，該本地光源的載波頻率控制精度為數(shù)百KHz?；祛l后得到4個(gè)偏振和相位正交的光信號(hào)，分別用PIN檢測(cè)，經(jīng)電放大和濾波后由A/D電路轉(zhuǎn)化為4路數(shù)字電信號(hào)。數(shù)字電信號(hào)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片數(shù)字均衡的方式實(shí)現(xiàn)：定時(shí)恢復(fù)、信號(hào)恢復(fù)、極化和PMD跟蹤，以及色散補(bǔ)償。

　　相干光通信的主要優(yōu)點(diǎn)

　　相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混頻增益、出色的信道選擇性及可調(diào)性等特點(diǎn)。相干光通信系統(tǒng)與IM/DD系統(tǒng)相比，相干光通信系統(tǒng)具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)靈敏度高，中繼距離長(zhǎng)

　　相干光通信的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行相干探測(cè)，從而改善接收機(jī)的靈敏度。在相干光通信系統(tǒng)中，經(jīng)相干混合后輸出光電流的大小與信號(hào)光功率和本振光功率的乘積成正比。在相同的條件下，相干接收機(jī)比普通接收機(jī)提高靈敏度約18dB，可以達(dá)到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號(hào)的無(wú)中繼傳輸距離。

　　(2)選擇性好，通信容量大

　　(3)可以使用電子學(xué)的均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償光纖中光脈沖的色散效應(yīng)相干光通信的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高接收機(jī)的選擇性。在直接探測(cè)中， 接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測(cè)器前通常需要放置窄帶濾光片， 但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測(cè)中，探測(cè)的是信號(hào)光和本振光的混頻光，因此只有在中頻頻帶內(nèi)的噪聲才可以進(jìn)入系統(tǒng)，而其它噪聲均被帶寬較窄的微波中頻放大器濾除?？梢?jiàn)，外差探測(cè)有良好的濾波性能，這在相干光通信的應(yīng)用中會(huì)發(fā)揮重大作用。此外，由于相干探測(cè)優(yōu)良的波長(zhǎng)選擇性，相干接收機(jī)可以使頻分復(fù)用系統(tǒng)的頻率間隔大大縮小，即密集波分復(fù)用(DWDM)，取代傳統(tǒng)光復(fù)用技術(shù)的大頻率間隔，具有以頻分復(fù)用實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢(shì)。

　　如果外差檢測(cè)相干光通信中的中頻濾波器的傳輸函數(shù)正好與光纖的傳輸函數(shù)相反，即可降低光纖色散對(duì)系統(tǒng)的影響。

　　相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)

　　為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效、可靠的相干光通信，應(yīng)采用以下關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)光源技術(shù)

　　相干光纖通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)光源和本振光源的要求比較高，它要求光譜線窄、頻率穩(wěn)定度高。光源本身的諾線寬度將決定系統(tǒng)所能達(dá)到的最低誤碼率，應(yīng)盡量減小，同時(shí)半導(dǎo)體激光器的頻率對(duì)工作溫度與注入電流的變化非常敏感，其變化量一般在幾十GHz/℃和幾十GHz/mA左右，因此，為使頻率穩(wěn)定，除注入電流和溫度穩(wěn)定外，還應(yīng)采取其他穩(wěn)頻措施，使光頻保持穩(wěn)定。

　　(2)接收技術(shù)

　　相干光通信的接收技術(shù)包括兩部分，一部分是光的接收技術(shù)，另一部分是中頻之后的各種制式的解調(diào)技術(shù)。

　　平衡接收法：在FSK制式中，由于半導(dǎo)體激光器在調(diào)制過(guò)程中，難免帶有額外的幅度調(diào)制噪聲，利用平衡接收方法可以減少調(diào)幅噪聲。平衡法的主要思想是當(dāng)光信號(hào)從光纖進(jìn)入后，本振光經(jīng)偏振控制以保證與信號(hào)的偏振狀態(tài)相適應(yīng)，本振光和信號(hào)光同時(shí)經(jīng)過(guò)方向精合器分兩路，分別輸入兩個(gè)相同的PIN光電檢測(cè)器，使得兩個(gè)光電檢測(cè)器輸出的是等幅度而反相的包絡(luò)信號(hào)，再將這兩個(gè)信號(hào)合成后，使得調(diào)頻信號(hào)增加一倍，而寄生的調(diào)幅噪聲相互抵消，直流成分也抵消，達(dá)到消除調(diào)幅噪聲影響的要求。

　　偏振控制技術(shù)：相干光通信系統(tǒng)接收端必須要求信號(hào)光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混頻效果，提高接收質(zhì)量。信號(hào)光經(jīng)過(guò)單模光纖長(zhǎng)距離傳輸后，偏振態(tài)是隨機(jī)起伏的，為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了很多方法，如采用保偏光纖、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纖中傳輸時(shí)，相位和偏振面會(huì)隨機(jī)變化，保偏光纖就是通過(guò)工藝和材料的選擇使得光相位和偏振保持不變的特種光纖，但是這種光纖損耗大，價(jià)格也非常昂貴;偏振控制器主要是使信號(hào)光和本振光同偏，這種方法響應(yīng)速度比較慢，環(huán)路控制的要求也比較高;偏振分集接收主要是利用信號(hào)光和本振光混頻后，由偏振分束元件將混合光分成兩個(gè)相互垂直的偏振分量，本振光兩個(gè)垂直偏振分量由偏振控制器控制，使兩個(gè)分量功率相等，這樣當(dāng)信號(hào)光中偏振隨機(jī)起伏也許造成其中一個(gè)分支中頻信號(hào)衰落，但另一個(gè)分支的中頻信號(hào)仍然存在，所以該系統(tǒng)最后得到的解調(diào)信號(hào)幾乎和信號(hào)光的偏振無(wú)關(guān)，該技術(shù)響應(yīng)速度比較快，比較實(shí)用，但實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。

　　(3)外光調(diào)制技術(shù)

　　由于半導(dǎo)體激光器光載波的某一參數(shù)直接調(diào)制時(shí)，總會(huì)附帶對(duì)其他參數(shù)的寄生振蕩，如ASK直接調(diào)制伴隨著相位的變化，而且調(diào)制深度也會(huì)受到限制。另外，還會(huì)遇到頻率特性不平坦及張遲振蕩等問(wèn)題。因此，在相干光通信系統(tǒng)中，除FSK可以采用直接注入電流進(jìn)行頻率調(diào)制外，其他都是采用外光調(diào)制方式。

　　(4)非線性串?dāng)_控制技術(shù)

　　由于在相干光通信中，常采用密集頻分復(fù)用技術(shù)。因此，光纖中的非線性效應(yīng)[14]可能使相干光通信中的某一信道的信號(hào)強(qiáng)度和相位受到其他信道信號(hào)的影響，而形成非線性串?dāng)_。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　由于近幾年來(lái)，在光器件方面取得了很大的進(jìn)步，其中激光器的輸出功率，線寬，穩(wěn)定性和噪聲，以及光電探測(cè)器的帶寬，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波電子器件的性能也大幅提高。這些進(jìn)步使得相干光通信系統(tǒng)商用化變?yōu)榭赡堋?/p>