相干接收PM-QPSK調(diào)制解調(diào)過程 - 100G系統(tǒng)中PM-QPSK光解調(diào)器的研究

　　PM-QPSK在偏振態(tài)、相位和波形多個維度進(jìn)行調(diào)制，具有較大的自由度且每個維度復(fù)雜度較低，發(fā)射機(jī)工作過程如下：連續(xù)激光器發(fā)出的光信號等分后作為兩個QPSK調(diào)制器的載波光源，數(shù)據(jù)經(jīng)QPSK編碼、驅(qū)動放大和低通濾波驅(qū)動后驅(qū)動QPSK調(diào)制器;兩路經(jīng)QPSK調(diào)制后輸出的光信號在偏振態(tài)正交化后由偏振合束器匯聚為一路光波信號進(jìn)入線路?？稍谶B續(xù)激光器和分光器之間引入脈沖發(fā)生器，通過改變光脈沖形狀進(jìn)一步抑制和補(bǔ)償光傳輸損傷。其過程如圖2所示。

　　數(shù)字相干接收機(jī)將傳輸通道設(shè)計的復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到了接收機(jī)。數(shù)字相干接收機(jī)通過相位分集和偏振態(tài)分集將光信號的所有光學(xué)屬性映射到電域，利用成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用和通道線性損傷(CD、PMD)補(bǔ)償，簡化傳輸通道光學(xué)色散補(bǔ)償和偏振解復(fù)用設(shè)計，減少和消除對光色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴。

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　　圖2 PM-QPSK調(diào)制解調(diào)過程

　　數(shù)字相干接收機(jī)工作過程如下：本振激光器發(fā)出的光信號等分后作為兩個90°混頻器的相干光源;線路輸入光信號經(jīng)偏振分束器分為兩路偏振態(tài)相互正交的光信號分別進(jìn)入兩個90°混頻器與本振光信號產(chǎn)生干涉;混頻器輸出光信號經(jīng)平衡接收光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電信號，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;數(shù)字信號在數(shù)字信號處理器中完成數(shù)據(jù)恢復(fù)[3]。

　　PM-QPSK光解調(diào)器

　　PM-QPSK光學(xué)解調(diào)器部分較為復(fù)雜，采用偏振分集內(nèi)差檢測，將光學(xué)屬性映射到電域以解析光調(diào)制格式的信息。內(nèi)差檢測與零差檢測結(jié)構(gòu)相似，利用90°光混頻器與本征混頻同時提取信號的同相分量和正交分量，通過電信號處理消除相位噪聲，從而實現(xiàn)信號調(diào)制相位的檢測和解調(diào)，放寬了對本振激光器與發(fā)射機(jī)激光器的頻率相位一致性要求，兼具零差檢測和外差檢測的優(yōu)點。

　　在本文所介紹的100G傳輸系統(tǒng)中，接收機(jī)前端光學(xué)解調(diào)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

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　　圖3 PM-QPSK光解調(diào)器結(jié)構(gòu)示意圖

　　其中本地振蕩源的光信號和從光纖中接收到的信號光分別經(jīng)過2個PBS結(jié)構(gòu)，將兩路光信號分別分為2個正交的極化模式，四路光信號可以表示為：

　　(2)

　　其中Esx,Esy,ELO.x,ELO.y分別表示信號光和本地振蕩源的TE、TM模式的光信號，α表示信號光TE模所占比例，δ表示初始相位，ws表示信號光角頻率，As表示信號光的振幅。

　　信號光和本地振蕩源的TE、TM模光信號，分別進(jìn)入對應(yīng)的90°混頻器，所得到的檢測信號分別為：

　　(3)

　　再經(jīng)過平衡光電探測器，最后所得到的差分電流可以表示為：

(4)

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　　這樣就將光學(xué)屬性轉(zhuǎn)移到電域中，通過對電信號的后期數(shù)字處理，就可以解調(diào)出所需的信息。

　　根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，可以用自由空間集成光學(xué)和平面光波導(dǎo)回路(PLC)這兩種技術(shù)來實現(xiàn)這種光學(xué)解調(diào)器模塊，但是傳統(tǒng)的自由空間集成光學(xué)技術(shù)設(shè)計出的PM-QPSK光解調(diào)器，體積較大，而且對大范圍溫度變化敏感，而用PLC技術(shù)制作的PM-QPSK光解調(diào)器不僅可以實現(xiàn)全部的光學(xué)功能，而且能將保偏光波導(dǎo)(PBS)與90°混頻器單片集成，大幅度降低了器件的尺寸，且穩(wěn)定性好，易于集成。

　　這種用PLC技術(shù)設(shè)計的單片集成解調(diào)器芯片結(jié)構(gòu)有以下兩種方案，第一種方案如圖4(a)所示，首先輸入信號通過一個基于MZI(馬赫曾德干涉)結(jié)構(gòu)的PBS，將輸入信號分為TE和TM兩個偏振態(tài)(此為第一級偏振分束),并沿上下兩個支路傳播，這兩路偏振信號再分別經(jīng)過2個PBS結(jié)構(gòu)，使得TE模和TM模進(jìn)一步分開(此為第二級偏振分束)，通過這兩級偏振分束可以大幅度改善偏振消光比。上支路傳播的TE模信號光，經(jīng)過一個與主軸成45°的半波片，轉(zhuǎn)化為TM模信號，另一方面，我們將從本地振蕩源輸入的光控制為TM模式，這個輸入的光信號經(jīng)過一個3dB耦合器，分為上下兩路光信號，并與上支路轉(zhuǎn)化的TM模信號光和下支路的TM模信號光一起分別導(dǎo)入上下兩個90°混頻器，并解調(diào)輸出8路光信號。在OFC2010上,Furukawa公司按這種方案設(shè)計制作出的芯片尺寸可以達(dá)到25×21mm,最小偏振消光比33.2dB[4]。

　　第二種方案如圖4(b)所示，這種設(shè)計方案采取相對折射率為Δ=1.8%的硅基二氧化硅波導(dǎo)材料，因為隨著Δ的增加，在波導(dǎo)的強(qiáng)折射率限制下，波導(dǎo)的彎曲半徑可以變小， 當(dāng)Δ=1.8%時，可使波導(dǎo)彎曲程度最大，且彎曲損耗最理想，此時彎曲半徑為1200um，為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)彎曲半徑的一半，這樣可以大幅度降低芯片尺寸，并且只用一級偏振分束，就能將TE與TM模信號較好的分離。NTT公司在EOCO2010會議,按這種方案設(shè)計制作出的超小型芯片尺寸可以達(dá)到12×12mm,符合了OIF對光學(xué)解調(diào)器尺寸的要求[5]。

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　　圖4 兩種方案波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

　　總結(jié)

　　100G技術(shù)已經(jīng)成熟，市場已經(jīng)初步形成，用PLC技術(shù)制作成的光前端數(shù)字相干接收機(jī)，是實現(xiàn)100G高速信號解調(diào)必不可少的器件，具有極大地研究價值。本文介紹了PM-QPSK的原理，及數(shù)字相干發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的工作原理，并詳細(xì)分析了接收機(jī)前端光PM-QPSK解調(diào)器的原理，并介紹兩種基于PLC技術(shù)的解調(diào)器芯片的設(shè)計方案。