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。基于DSP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。通過業(yè)界一兩年來對(duì)于100Gb/s模塊的研究和開發(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PBS(偏振分光器)分為X/Y兩路，每路信號(hào)在通過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?，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

　　由于近幾年來，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>