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。面對眾多特征各異的傳輸碼型，在綜合考慮其他系統(tǒng)設(shè)計參數(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)簡單，具有硬件透明性；可在電域補(bǔ)償各種傳輸損傷，簡化傳輸鏈路，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)，采用相干檢測技術(shù)的接收靈敏度可比直接檢測技術(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(fù)用器把X軸和Y軸光信號按偏振復(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，因此對本振激光器的線寬要求很高。混頻后輸出的信號光波場強(qiáng)和本振光波場強(qiáng)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(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)相干檢測方式，由于要探測偏振復(fù)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。混頻后得到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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)：定時恢復(fù)、信號恢復(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

　　相干光通信的一個最主要的優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行相干探測，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的無中繼傳輸距離。

　　（2）選擇性好，通信容量大