40G100G相干光通信原理與關鍵技術

　　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。面對眾多特征各異的傳輸碼型，在綜合考慮其他系統(tǒng)設計參數(shù)的基礎上，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行綜合選擇。

　　隨著高速數(shù)字信號處理技術(DSP)和模數(shù)轉換技術(ADC)的進步，相干光通信成為研究的熱點。相干檢測與DSP技術相結合，可以在電域進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的相干接收機結構簡單，具有硬件透明性;可在電域補償各種傳輸損傷，簡化傳輸鏈路，降低傳輸成本;支持多進制調(diào)制格式和偏振復用，實現(xiàn)高頻譜效率的傳輸。通過業(yè)界一兩年來對于100Gb/s模塊的研究和開發(fā)，100G/s的偏振復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。相干光通信技術具有接收靈敏度高的優(yōu)點，采用相干檢測技術的接收靈敏度可比直接檢測技術高18dB。

　　作為載體的激光信號通過PBS(偏振分光器)分為X/Y兩路，每路信號在通過2個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的信號調(diào)制到載波，然后再通過偏振復用器把X軸和Y軸光信號按偏振復用合并在一起通過光纖發(fā)送出去，從而實現(xiàn)了40/100Gb/s 在單光纖上的傳輸。

　　在接收端，與強度調(diào)制一一直接檢測系統(tǒng)不同，相干光纖通信系統(tǒng)在光接收機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，因此對本振激光器的線寬要求很高?；祛l后輸出的信號光波場強和本振光波場強之和的平方成正比，從中可選出本振光波與信號光波的差頻信號。由于該差頻信號的變化規(guī)律與信號光波的變化規(guī)律相同，而不像直檢波通信方式那樣，檢測電流只反映光波的強度，因而，可以實現(xiàn)幅度、頻率、相位和偏振等各種調(diào)制方式。

　　由于要探測偏振復用的信號，接受信號通過一個極化束分離器PBS(PolarizationBeamSplitter) 分解成兩個正交信號，每個正交信號都與一個本地光源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個偏振和相位正交的光信號，分別用PIN檢測，經(jīng)電放大和濾波后由A/D電路轉化為4路數(shù)字電信號。數(shù)字電信號通過數(shù)字信號處理(DSP)芯片數(shù)字均衡的方式實現(xiàn)：定時恢復、信號恢復、極化和PMD跟蹤，以及色散補償。

　　相干光通信的主要優(yōu)點

　　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。相干光通信系統(tǒng)與IM/DD系統(tǒng)相比，相干光通信系統(tǒng)具有以下獨特的優(yōu)點：

　　(1)靈敏度高，中繼距離長

　　相干光通信的一個最主要的優(yōu)點是能進行相干探測，從而改善接收機的靈敏度。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，相干接收機比普通接收機提高靈敏度約18dB，可以達到接近散粒噪聲極限的高性能，因此也增加了光信號的無中繼傳輸距離。

　　(2)選擇性好，通信容量大

　　(3)可以使用電子學的均衡技術來補償光纖中光脈沖的色散效應相干光通信的另一個主要優(yōu)點是可以提高接收機的選擇性。在直接探測中， 接收波段較大，為抑制噪聲的干擾，探測器前通常需要放置窄帶濾光片， 但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測中，探測的是信號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?，外差探測有良好的濾波性能，這在相干光通信的應用中會發(fā)揮重大作用。此外，由于相干探測優(yōu)良的波長選擇性，相干接收機可以使頻分復用系統(tǒng)的頻率間隔大大縮小，即密集波分復用(DWDM)，取代傳統(tǒng)光復用技術的大頻率間隔，具有以頻分復用實現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢。

　　如果外差檢測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系統(tǒng)的影響。

　　相干光通信的關鍵技術

　　為了實現(xiàn)準確、有效、可靠的相干光通信，應采用以下關鍵技術：

　　(1)光源技術

　　相干光纖通信系統(tǒng)中對信號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)所能達到的最低誤碼率，應盡量減小，同時半導體激光器的頻率對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，還應采取其他穩(wěn)頻措施，使光頻保持穩(wěn)定。

　　(2)接收技術

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

　　平衡接收法：在FSK制式中，由于半導體激光器在調(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光信號從光纖進入后，本振光經(jīng)偏振控制以保證與信號的偏振狀態(tài)相適應，本振光和信號光同時經(jīng)過方向精合器分兩路，分別輸入兩個相同的PIN光電檢測器，使得兩個光電檢測器輸出的是等幅度而反相的包絡信號，再將這兩個信號合成后，使得調(diào)頻信號增加一倍，而寄生的調(diào)幅噪聲相互抵消，直流成分也抵消，達到消除調(diào)幅噪聲影響的要求。

　　偏振控制技術：相干光通信系統(tǒng)接收端必須要求信號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。信號光經(jīng)過單模光纖長距離傳輸后，偏振態(tài)是隨機起伏的，為了解決這個問題，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，相位和偏振面會隨機變化，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，價格也非常昂貴;偏振控制器主要是使信號光和本振光同偏，這種方法響應速度比較慢，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光和本振光混頻后，由偏振分束元件將混合光分成兩個相互垂直的偏振分量，本振光兩個垂直偏振分量由偏振控制器控制，使兩個分量功率相等，這樣當信號光中偏振隨機起伏也許造成其中一個分支中頻信號衰落，但另一個分支的中頻信號仍然存在，所以該系統(tǒng)最后得到的解調(diào)信號幾乎和信號光的偏振無關，該技術響應速度比較快，比較實用，但實現(xiàn)比較復雜。

　　(3)外光調(diào)制技術

　　由于半導體激光器光載波的某一參數(shù)直接調(diào)制時，總會附帶對其他參數(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)制深度也會受到限制。另外，還會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)非線性串擾控制技術

　　由于在相干光通信中，常采用密集頻分復用技術。因此，光纖中的非線性效應[14]可能使相干光通信中的某一信道的信號強度和相位受到其他信道信號的影響，而形成非線性串擾。

　　結束語

　　由于近幾年來，在光器件方面取得了很大的進步，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。這些進步使得相干光通信系統(tǒng)商用化變?yōu)榭赡堋?/p>