40G/100G相干光通信原理與關(guān)鍵技術(shù)

引言

　　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。

　　圖1為發(fā)射機(jī)采用偏振復(fù)用，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。混頻后輸出的信號(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。

　　圖2中的接收機(jī)相干檢測(cè)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)：

　?。?）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。

　?。?）選擇性好，通信容量大