準相干技術(shù)在C波段25 Gbit/s光模塊中的研究與應(yīng)用

孔令橋，卜勤練

(1.武漢郵電科學(xué)研究院, 武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205 )

0 引 言

隨著第五代移動通信(5th Generation Mobile networks， 5G)商用時代的到來，萬物互聯(lián)的逐步實現(xiàn)，人們需要使用網(wǎng)絡(luò)的場景將會越來越多，網(wǎng)絡(luò)流量和數(shù)據(jù)將迎來爆炸式的增長，這勢必會對光纖通信系統(tǒng)提出更高的要求。如何提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率和距離也成為了當前研究的主流方向。光纖通信系統(tǒng)性能的提升受到光纖中衰減、色散和非線性效應(yīng)的限制，隨著摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)的發(fā)明，光纖的衰減問題得到了很好地解決[1]，在實際工程應(yīng)用中，往往會忽略非線性效應(yīng)對系統(tǒng)的影響[2]，這樣一來，制約光通信系統(tǒng)性能的主要因素就在于光纖的色散。

為了提高光通信網(wǎng)絡(luò)容量,密集波分復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的使用。目前基于10 Gbit/s光模塊的網(wǎng)絡(luò)通常在C波段運行，以便能在超過20 km的傳輸距離上使用DWDM技術(shù)。由于當前光通信網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)流量的不斷增長，必須對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行升級，顯然，最簡單的升級方式應(yīng)該是盡量保持現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)不變，直接對光模塊進行升級[3]，比如說把系統(tǒng)中的10 Gbit/s光模塊更換為25 Gbit/s或更高速率的光模塊。但對于常規(guī)光纖來說，C波段光通信受色散的影響非常大，光模塊的速率越高，傳輸距離就越受限。據(jù)了解，目前絕大多數(shù)25 Gbit/s光模塊在C波段中的最大傳輸距離只有10～15 km。所以，如果直接更換更高速率的光模塊，那么網(wǎng)絡(luò)運營商就需要針對更短的傳輸距離來重新部署光纖通信網(wǎng)絡(luò)，這就會導(dǎo)致成本大大增加。

升級當前DWDM光通信網(wǎng)絡(luò)的思路之一是將相干光模塊和數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)技術(shù)相結(jié)合，從而在極大地提升系統(tǒng)單纖傳輸容量的同時也能有效處理傳輸鏈路中的損耗和色散，相關(guān)研究的主要區(qū)別在于采用了不同的調(diào)制格式，如差分相移鍵控(Differential Phase Shift Keying，DPSK)和正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)等，或采用了不同的電均衡技術(shù)，如最大似然序列估計(Maximum Likelihood Sequence Estimation,MLSE)均衡和常量模多入多出(Constant Modulus Algorithm Multiple Input Multiple Output,CMA-MIMO)系統(tǒng)盲均衡算法等[4-7]。雖然這些方案可以達到非常好的實驗效果，但目前相干光模塊的成本和功耗等還非常高，相干接收器的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，如果再加入具有新型調(diào)制格式和電色散補償功能的DSP芯片，升級光通信網(wǎng)絡(luò)的代價對運營商來說仍是無法接受的。還有一種升級DWDM光通信網(wǎng)絡(luò)的思路是：考慮到網(wǎng)絡(luò)雙向流量的非對稱性，將傳統(tǒng)的光收發(fā)器從一體化模式轉(zhuǎn)化為分離模式，即分解為獨立的發(fā)射器和接收器；或?qū)⒍鄠€發(fā)射器和多個接收器分別封裝，形成發(fā)射和接收陣列，然后再結(jié)合新型的可重構(gòu)光分插復(fù)用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer,ROADM)等技術(shù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率[8]。顯然，面對高速增長的網(wǎng)絡(luò)需求，僅僅提高利用率還不夠，仍然需要解決傳輸速率與色散的矛盾。

本文對一種準相干接收技術(shù)進行了研究，并結(jié)合現(xiàn)有25 Gbit/s光模塊進行了測試。結(jié)果表明，準相干接收技術(shù)以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，在大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的情況下，仍能有效減少色散對高速光模塊傳輸距離的影響，可以使C波段25 Gbit/s光模塊的傳輸距離達到25 km，并且有望實現(xiàn)35 km甚至更遠的傳輸距離。

1 準相干接收器的原理及結(jié)構(gòu)

準相干接收技術(shù)類似于外差相干檢測技術(shù)，但又不同，可以說是相干檢測技術(shù)的一種簡化版本。其使用更簡單的結(jié)構(gòu)和更低的成本，獲得的收益雖然不如相干檢測技術(shù)，但是對比現(xiàn)有的直接檢測技術(shù)來說提升非常明顯。

圖1所示為準相干接收器的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，信號光與本振光耦合后，將被偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)分成兩束正交的線偏振光。此時，每一束光內(nèi)都包含偏振態(tài)相同的信號光和本振光，由于兩者頻率有微小且穩(wěn)定的頻差，滿足外差檢測的條件，形成中頻信號。兩路光分別都經(jīng)過光電二極管(Photodiode,PD)、跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier,TIA)和包絡(luò)檢測器的處理，最終合成、放大轉(zhuǎn)化為輸出電信號。單獨分析其中一條支路，根據(jù)平面波的傳播理論，設(shè)接收光信號為ES(t)，頻率為ωS，本振光信號為EL(t)，頻率為ωL，其復(fù)數(shù)電場分布表達式分別為

圖1 準相干接收器結(jié)構(gòu)示意圖

式中：ES和EL分別為接收光信號和本振光信號的電場幅度值；φS和φL分別為接收光信號和本振光信號的相位調(diào)制信息；j為虛數(shù)單位；t為時間。由于入射到光電檢測器上的光強正比于[ES(t)+EL(t)]2，設(shè)輸出電流為I，則

式中：R為光電檢測器的響應(yīng)度；PS和PL分別為接收光信號和本振光信號強度；ωIF為中頻信號的頻率，且ωIF=ωS-ωL。式中前一項近似為與傳輸信息無關(guān)的直流項，后一項則為外差檢測后輸出的信號電流，所以輸出的信號電流與PL成正比。實際應(yīng)用中，PS一般比較小，遠小于PL，但即使接收信號光功率很小，也可以通過增大PL以獲得足夠大的輸出電流[9]。因此采用外差檢測技術(shù)有利于對微小信號的檢測。

外差相干檢測一般采用偏振分集和平衡探測方法，先通過兩個PBS分別將信號光與本振光的兩個正交偏量分離，然后通過兩個90 °光學(xué)混頻器對分離的兩組信號進行混頻，最后再對輸出的8路光信號進行處理。這樣不僅可以很好地抑制高功率本振激光器給系統(tǒng)中引入的本振光強度噪聲[10]，而且能夠完整地獲得接收光信號的頻率、振幅和相位的信息，從而可以適應(yīng)多種調(diào)制格式。與外差相干不同的是，準相干接收技術(shù)是針對現(xiàn)有的強度調(diào)制、直接檢測系統(tǒng)的升級，它不需要接收信號的頻率和相位信息，也不需要發(fā)射端采用另外的調(diào)制方式，因此準相干接收機的結(jié)構(gòu)相比普通外差相干檢測簡單很多。另外，準相干接收技術(shù)除了采用了外差相干檢測的原理之外，還利用了單邊帶濾波技術(shù)。在準相干接收技術(shù)中，信號通過PD和TIA后，獲得的中頻信號被去掉了一側(cè)邊帶，被轉(zhuǎn)化為單邊帶信號。又由于進行了單邊帶調(diào)制，兩個支流信號分別經(jīng)過包絡(luò)檢測器之后，進行相加和放大等處理，最后獲得的接收信號中由色散引起的頻率衰落和畸變都可以得到有效抑制。需要注意的是，單邊帶濾波僅能消除射頻衰落，不能完全消除色散引起的信號衰減，且保留的那側(cè)邊帶也會受到色散引起的脈沖展寬的影響，最終導(dǎo)致不可恢復(fù)的碼間串擾(Inter-Symbol Interference,ISI)。所以，雖然準相干接收技術(shù)能夠針對色散問題有效延長現(xiàn)有高速光模塊的傳輸距離，但對于非常長的傳輸距離，準相干接收技術(shù)仍然有其局限性。

2 實驗研究

2.1 實驗方案

實驗中使用了一只常規(guī)的25 Gbit/s DWDM 光模塊，其不僅作為發(fā)射光源，也要測試其接收靈敏度以得到一組對照數(shù)據(jù)。該光模塊接收端采用的是普通雪崩PD(Avalanche PD,APD)和直接檢測技術(shù)，另外還需要一個準相干接收器的測試盒，25 Gbit/s光模塊發(fā)出的光信號經(jīng)過不同長度的光纖后接入準相干測試盒內(nèi)，經(jīng)過準相干接收器處理后再接入誤碼儀，也可以得到一組接收靈敏度數(shù)據(jù)。除了靈敏度數(shù)據(jù)外，實驗還測試了發(fā)射光信號經(jīng)過不同長度光纖后得到的光眼圖，以及經(jīng)過準相干接收器處理后得到的電眼圖，通過對比兩種眼圖研究準相干接收器對接收信號的處理能力。圖2所示為實驗框圖。

圖2 實驗框圖

2.2 實驗步驟

(1) 按照實驗框圖連接好各個實驗儀器設(shè)備后，首先測試光模塊的發(fā)射光眼圖以及自發(fā)自收的0 km傳輸靈敏度；

(2) 測試發(fā)射光信號通過準相干接收器后的0 km傳輸靈敏度以及電眼圖；

(3) 將光纖長度更換為10 km，重新進行步驟(1)的測試，這里需要調(diào)整光模塊的發(fā)射參數(shù)，以得到一個最好的光眼圖以及最佳的傳輸靈敏度；

(4) 緊接著步驟(3)，重新測試發(fā)射光信號通過準相干接收器后的10 km傳輸靈敏度以及電眼圖，同樣需要調(diào)整光模塊發(fā)射參數(shù)以及準相干接收器的參數(shù)，以獲得最佳測試結(jié)果；

(5) 繼續(xù)改變傳輸光纖長度，重復(fù)測試靈敏度及眼圖，需要注意的是，為減少光模塊溫度及環(huán)境的影響，測試完光模塊本身的直接檢測性能后應(yīng)立即進行準相干接收器的測試。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗比較了普通25 Gbit/s C波段光模塊自發(fā)自收和使用準相干接收器在不同光纖長度下測得的接收靈敏度以及傳輸代價，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 接收靈敏度及傳輸代價(最佳參數(shù))

為了更直觀地比較APD直接檢測與準相干接收器的測試結(jié)果，根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制了如圖3所示的曲線圖。

圖3 隨距離變化的靈敏度曲線

由圖可知，光模塊自發(fā)自收的測試結(jié)果符合一般25 Gbit/s DWDM光模塊的性能，即滿足10 km傳輸要求，最長使用距離可達到15 km；而使用準相干接收器后可以看到測試靈敏度明顯提高，傳輸距離也可延長至25 km以上。

0 km條件下，準相干接收器的靈敏度為-23.2 dBm，比APD直接檢測高1.5 dBm；經(jīng)10 km光纖后，準相干接收器的靈敏度仍可達到-20.5 dBm，比直接檢測高1.2 dBm。雖然靈敏度有很大提高，但10 km以內(nèi)的傳輸距離顯然并不能體現(xiàn)準相干接收技術(shù)的優(yōu)勢，因為目前普遍使用的APD直接檢測技術(shù)所獲得的靈敏度值也能夠滿足一般使用需求。

15 km以上的距離，準相干接收器的測試數(shù)據(jù)全面優(yōu)于直接檢測，直接檢測在經(jīng)過15 km光纖后獲得的傳輸靈敏度為-17.0 dBm,傳輸代價達到4.7 dB，繼續(xù)延長光纖長度后，直接檢測技術(shù)已經(jīng)無法使誤碼儀測得的誤碼率小于5E-5了；而準相干接收器在15 km時測得的靈敏度高達-19.6 dBm，傳輸代價只有3.6 dB，當傳輸距離達到20 km時，測得的靈敏度為-17.8 dBm，依然優(yōu)于直接檢測的15 km傳輸靈敏度，當傳輸距離增長為25 km時，準相干接收器面對嚴重劣化的信號仍可得到高達-14.5 dBm的傳輸靈敏度。受限于實驗室傳纖筒條件，25 km傳輸距離后只能直接延長至35 km，此時準相干接收器最多只能使誤碼率達到8E-5。根據(jù)前面的測試數(shù)據(jù)推斷，本次測試的準相干接收器最遠可使普通25 Gbit/s DWDM光模塊傳輸距離達到30 km左右。

為探究準相干接收技術(shù)對長距離傳輸后光信號的處理能力，實驗還測試了一組光眼圖和電眼圖，如圖4～5所示。

圖4 不同傳輸距離下的光眼圖

由圖4可知，經(jīng)過10 km傳輸后光眼圖中間的“眼”就發(fā)生了畸變，不過并不明顯；經(jīng)15 km傳輸后，光眼圖的形變已經(jīng)相當嚴重了，但依然符合非歸零(Non-Return-to-Zero,NRZ)信號的眼圖；而在20 km傳輸之后，可以看到出現(xiàn)了上下兩個眼圖，這時傳統(tǒng)直接檢測技術(shù)就無法處理了；經(jīng)25和35 km傳輸后，光眼圖劣化更加嚴重，幾乎無法看出眼圖了。光眼圖經(jīng)過傳輸后發(fā)生劣化的現(xiàn)象主要是由于色散引起的選擇性頻率衰落導(dǎo)致的，在頻域內(nèi)，色散在信號中引入了線性變化的群時延[11]。當直接檢測中PD對信號進行平方時，相應(yīng)的上下邊帶的頻率分量會相互干擾。當給定頻率分量上下邊帶之間的群時延正好為180 °時，該頻率分量就會被抵消，從而導(dǎo)致嚴重的信號退化。

圖5所示為經(jīng)準相干接收器處理后不同傳輸距離下的電眼圖。由圖可知，雖然15 km傳輸后光眼圖形變嚴重，但是經(jīng)準相干接收器處理后，電眼圖已恢復(fù)得足夠清晰了；準相干接收器處理經(jīng)20 km傳輸后的光信號時依然表現(xiàn)良好，得到的電眼圖與10 km傳輸后的光眼圖差距不大，因此測得的靈敏度數(shù)據(jù)仍較好；經(jīng)25 km傳輸后得到的電眼圖也比光眼圖好很多，不過還是有生成兩個眼圖的趨勢，所以盡管25 km傳輸仍在準相干接收器的處理范圍之內(nèi)，但是測得的靈敏度數(shù)據(jù)較差。從靈敏度測試結(jié)果來看，經(jīng)過35 km傳輸后，準相干接收器也幾乎無法處理了，但是相比劣化嚴重的光眼圖來說，準相干接收器處理后的信號，依舊能顯現(xiàn)出肉眼可見的電眼圖，可知35 km也許并非準相干接收技術(shù)的極限。

圖5 經(jīng)準相干接收器處理后不同傳輸距離下的電眼圖

4 準相干接收技術(shù)的應(yīng)用

由實驗結(jié)果可知，在面對主流光模塊發(fā)射端產(chǎn)生的NRZ光信號時，相比傳統(tǒng)的APD直接檢測技術(shù)，準相干接收技術(shù)可以使模塊的靈敏度和傳輸距離都得到相當大的提升。因此，準相干接收器可以很好地兼容現(xiàn)有技術(shù)和光通信網(wǎng)絡(luò)，如果能將其應(yīng)用到現(xiàn)存的光模塊中，就能以一個較小的代價完成對DWDM光通信網(wǎng)絡(luò)的升級。但由于準相干技術(shù)剛提出不久，具體如何將準相干接收器應(yīng)用于光模塊中還需要討論和研究，以下為本文提出的一些設(shè)計和設(shè)想。圖6所示為準相干接收器最簡單的一種應(yīng)用方案結(jié)構(gòu)圖，該方案將準相干接收器直接應(yīng)用于光模塊中，相當于只是給現(xiàn)有光模塊更換了一個接收器。這種設(shè)計方案的優(yōu)點是模塊結(jié)構(gòu)簡單、清晰，易于實現(xiàn)。但是考慮到準相干接收器內(nèi)部元件遠比傳統(tǒng)接收器要多，即使進行集成后也難以使它的大小接近現(xiàn)有接收器，所以如果按照上圖的設(shè)計，在實際應(yīng)用時很可能需要采用更大的模塊封裝形式，這樣一來，不僅模塊的成本會相應(yīng)提高，模塊內(nèi)部空間的利用率也較低。

圖6 準相干接收器直接應(yīng)用于光模塊

為解決以上問題，本文又提出了一種新的設(shè)計方案，模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示。

圖7 雙通道準相干光模塊

圖7所示為準相干接收器的進一步應(yīng)用方案，該方案對準相干接收器的原有結(jié)構(gòu)進行了改進，并將其應(yīng)用于雙通道光模塊中。由圖可知，雖然這種設(shè)計方案明顯比第1種要復(fù)雜，但是它不僅能夠充分利用光模塊的內(nèi)部空間，而且還充分利用到了本振激光器。毫無疑問，將高功率激光器僅僅作為本振光源是比較浪費的，在雙通道設(shè)計中，光模塊的發(fā)射端具有兩個高功率激光器，只要使這兩個激光器具有一個穩(wěn)定且適當?shù)念l差，那么這兩個激光器在輸出光信號的同時，還能互相作為對方波長接收信號的本振光源。只要通過分光器將高功率激光器發(fā)出的光信號引入光模塊的接收端作為本振光，在接收對應(yīng)波長的光信號時，就可以滿足接收端準相干接收器的工作條件。

事實上，以上準相干接收器的改進設(shè)計顯然還可以有單通道的應(yīng)用版本，但是綜合考慮模塊的成本與性能，雙通道的光模塊還可以提升單個光模塊的傳輸速率，相對來說更適合實際應(yīng)用。另外，可以看到以上設(shè)計的兩種應(yīng)用方案的結(jié)構(gòu)圖中，都單獨列出了DSP單元，這其實是更進一步的設(shè)想；第一，可以通過DSP單元在光模塊中加入電色散補償功能，從而使得結(jié)合準相干接收技術(shù)后的模塊得到更好的接收靈敏度以及更遠的傳輸距離；第二，實驗證明了準相干接收器能夠很好地處理NRZ信號，那么它很可能只需要略作改進，在處理調(diào)制方式接近的四電平脈沖幅度調(diào)制(4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4)信號時，也能得到較好的結(jié)果，如果以后驗證了這個設(shè)想，那么DSP單元也可以用來輸出PAM4調(diào)制信號，這樣在提升模塊傳輸距離的同時還能提高模塊傳輸速率。

5 結(jié)束語

為解決使用強度調(diào)制和直接檢測技術(shù)的傳統(tǒng)高速光模塊在C波段傳輸距離過短的問題，本文對一種準相干接收技術(shù)進行了研究，分析了準相干技術(shù)的原理和準相干接收器的結(jié)構(gòu)；也結(jié)合常規(guī)的25 Gbit/s DWDM光模塊進行了實驗研究，測試了眼圖和靈敏度等數(shù)據(jù)；最后還提出了對如何應(yīng)用準相干接收技術(shù)的一些設(shè)計和設(shè)想。

實驗發(fā)現(xiàn)，準相干接收器在不使用任何電色散補償芯片或光學(xué)色散補償模塊時，就可以處理經(jīng)25 km常規(guī)單模光纖傳輸后的C波段25 Gbit/s強度調(diào)制信號。與傳統(tǒng)的直接檢測技術(shù)相比，準相干接收技術(shù)可以大大延長光模塊的傳輸距離，傳輸靈敏度也得到了提高；與相干檢測技術(shù)相比，準相干接收器的結(jié)構(gòu)更加簡單，成本也降低了許多。研究也表明，準相干接收技術(shù)仍有很大的進步空間，后續(xù)可以嘗試降低本振激光器以及PD等的要求以降低成本；或可以再加入DSP芯片，引入電色散補償和均衡技術(shù)，以提高準相干接收器對色散的處理能力。文章最后討論了準相干接收技術(shù)的應(yīng)用方案，提出了兩種準相干光模塊的設(shè)計，一種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，另一種設(shè)計為雙通道光模塊，對準相干接收器的結(jié)構(gòu)進行了改進，更具有實用性。

總而言之，本次研究體現(xiàn)了準相干接收技術(shù)的顯著優(yōu)點以及廣泛的應(yīng)用前景。它能夠應(yīng)用于主流的強度調(diào)制光模塊，在當前光通信網(wǎng)絡(luò)急需升級的情況下，可以作為一種相當有競爭力的備選技術(shù)。