摘要：PM-QPSK技術(shù)具有高的頻譜效率，將傳輸符號(hào)的波特率降低為二進(jìn)制調(diào)制的四分之一,并能使光信噪比極大改善，可以用強(qiáng)大的DSP來(lái)處理極化模復(fù)用信號(hào)。文章分析了PM-QPSK技術(shù)調(diào)制和解調(diào)的基本原理，對(duì)100G系統(tǒng)中接收機(jī)前端解調(diào)器" title="光解調(diào)器">光解調(diào)器進(jìn)行詳細(xì)分析。
關(guān)鍵詞： 偏振復(fù)用正交相移鍵控；解調(diào)器；平面光波導(dǎo)回路
引言
PM-QPSK(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying,偏振復(fù)用正交相移鍵控)的信號(hào)在接收側(cè)采用相干檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)解調(diào)，和直接解調(diào)、差分解調(diào)方式相比，相干檢測(cè)所使用的本地激光器的功率要遠(yuǎn)大于輸入光信號(hào)的光功率，所以光信噪比可以極大地改善[1]。特別是相干檢測(cè)技術(shù)充分利用強(qiáng)大的DSP(Digital Signal Processing,數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)來(lái)處理極化模復(fù)用信號(hào)，可以通過(guò)后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理補(bǔ)償并進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，可以還原被傳輸?shù)男盘?hào)的特性（極化模、幅度、相位），大幅度消除光纖帶來(lái)的傳輸損傷，如PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）容忍度達(dá)30ps,無(wú)需線路色散補(bǔ)償就可以容忍幾萬(wàn)ps/nm,相比與其他的100G傳輸方案，如非相干PM-DQPSK或OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用技術(shù))，PM-QPSK結(jié)合相干檢測(cè)提供了最優(yōu)化的解決方案,這被大多數(shù)的系統(tǒng)供應(yīng)商選擇為100G傳輸方案。
PM-QPSK調(diào)制原理
四進(jìn)制移相鍵控(QPSK)是一種多元(4元)數(shù)字頻帶調(diào)制方式，其信號(hào)的正弦載波有4個(gè)可能的離散相位狀態(tài)，每個(gè)載波相位攜帶2個(gè)二進(jìn)制符號(hào)，第n個(gè)時(shí)隙的QPSK信號(hào)可以表達(dá)為：
(1)
其中，A是信號(hào)的振幅，為常數(shù)；θn為受調(diào)制的相位，其取值有四種可能，具體值由該時(shí)隙所傳的符號(hào)值決定；fc是載波頻率；Ts為四進(jìn)制符號(hào)間隔。QPSK常用的四種相位值有兩套，分別稱為A方式和B方式，若
，則為0、π/2、π、3π/2，此初始相位為0的QPSK信號(hào)的矢量圖如下圖1中A方式；若
，則為π/4、3π/4、5π/4、7π/4，此初始相位為π/4的QPSK信號(hào)的矢量圖如下圖1中B方式。QPSK調(diào)制是響應(yīng)進(jìn)入的碼對(duì)(00、01、10、11)，對(duì)光載波作相移，表1給出了四元符號(hào)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)比特和A、B兩套相位值[2]。
單個(gè)100Gbps被分為兩個(gè)極化模式-TE(橫電模)與TM(橫磁模)的兩個(gè)50Gbps流，這一步驟產(chǎn)生出相同頻率的兩個(gè)載波，然后每個(gè)載波做QPSK調(diào)制，由于QPSK調(diào)制將2個(gè)比特封裝在一個(gè)符號(hào)內(nèi)，兩個(gè)極化的模式可以分別得到兩個(gè)25G符號(hào)/秒的流，總計(jì)為100Gbps。由于QPSK信號(hào)是以兩個(gè)極化面且以復(fù)用的極化模形式傳輸，因此它可以叫做DP-QPSK(雙極化QPSK)，或叫PM-QPSK(極化模式QPSK)。
圖1 QPSK A和B 兩種方式矢量圖
表1 QPSK的兩套相位值
相干接收PM-QPSK調(diào)制解調(diào)過(guò)程
PM-QPSK在偏振態(tài)、相位和波形多個(gè)維度進(jìn)行調(diào)制，具有較大的自由度且每個(gè)維度復(fù)雜度較低，發(fā)射機(jī)工作過(guò)程如下：連續(xù)激光器發(fā)出的光信號(hào)等分后作為兩個(gè)QPSK調(diào)制器的載波光源，數(shù)據(jù)經(jīng)QPSK編碼、驅(qū)動(dòng)放大和低通濾波驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)QPSK調(diào)制器；兩路經(jīng)QPSK調(diào)制后輸出的光信號(hào)在偏振態(tài)正交化后由偏振合束器匯聚為一路光波信號(hào)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(guò)改變光脈沖形狀進(jìn)一步抑制和補(bǔ)償光傳輸損傷。其過(guò)程如圖2所示。
數(shù)字相干接收機(jī)將傳輸通道設(shè)計(jì)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(guò)相位分集和偏振態(tài)分集將光信號(hào)的所有光學(xué)屬性映射到電域，利用成熟的數(shù)字信號(hào)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(jiǎn)化傳輸通道光學(xué)色散補(bǔ)償和偏振解復(fù)用設(shè)計(jì)，減少和消除對(duì)光色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴。
圖2 PM-QPSK調(diào)制解調(diào)過(guò)程
數(shù)字相干接收機(jī)工作過(guò)程如下：本振激光器發(fā)出的光信號(hào)等分后作為兩個(gè)90°混頻器的相干光源；線路輸入光信號(hào)經(jīng)偏振分束器分為兩路偏振態(tài)相互正交的光信號(hào)分別進(jìn)入兩個(gè)90°混頻器與本振光信號(hào)產(chǎn)生干涉；混頻器輸出光信號(hào)經(jīng)平衡接收光電二極管轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，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(hào)；數(shù)字信號(hào)在數(shù)字信號(hào)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(cè)，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(cè)與零差檢測(cè)結(jié)構(gòu)相似，利用90°光混頻器與本征混頻同時(shí)提取信號(hào)的同相分量和正交分量，通過(guò)電信號(hào)處理消除相位噪聲，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制相位的檢測(cè)和解調(diào)，放寬了對(duì)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(cè)和外差檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
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。
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(hào)和從光纖中接收到的信號(hào)光分別經(jīng)過(guò)2個(gè)PBS結(jié)構(gòu)，將兩路光信號(hào)分別分為2個(gè)正交的極化模式，四路光信號(hào)可以表示為：
（2）
其中Esx,Esy,ELO.x,ELO.y分別表示信號(hào)光和本地振蕩源的TE、TM模式的光信號(hào)，α表示信號(hào)光TE模所占比例，δ表示初始相位，ws表示信號(hào)光角頻率，As表示信號(hào)光的振幅。
信號(hào)光和本地振蕩源的TE、TM模光信號(hào)，分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的90°混頻器，所得到的檢測(cè)信號(hào)分別為：
(3)
再經(jīng)過(guò)平衡光電探測(cè)器，最后所得到的差分電流可以表示為：
(4)
這樣就將光學(xué)屬性轉(zhuǎn)移到電域中，通過(guò)對(duì)電信號(hào)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(lái)實(shí)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(jì)出的PM-QPSK光解調(diào)器，體積較大，而且對(duì)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(shí)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(jì)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(hào)通過(guò)一個(gè)基于MZI(馬赫曾德干涉)結(jié)構(gòu)的PBS，將輸入信號(hào)分為T(mén)E和TM兩個(gè)偏振態(tài)(此為第一級(jí)偏振分束),并沿上下兩個(gè)支路傳播，這兩路偏振信號(hào)再分別經(jīng)過(guò)2個(gè)PBS結(jié)構(gòu)，使得TE模和TM模進(jìn)一步分開(kāi)(此為第二級(jí)偏振分束)，通過(guò)這兩級(jí)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(hào)光，經(jīng)過(guò)一個(gè)與主軸成45°的半波片，轉(zhuǎn)化為T(mén)M模信號(hào)，另一方面，我們將從本地振蕩源輸入的光控制為T(mén)M模式，這個(gè)輸入的光信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)3dB耦合器，分為上下兩路光信號(hào)，并與上支路轉(zhuǎn)化的TM模信號(hào)光和下支路的TM模信號(hào)光一起分別導(dǎo)入上下兩個(gè)90°混頻器，并解調(diào)輸出8路光信號(hào)。在OFC2010上,Furukawa公司按這種方案設(shè)計(jì)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(jì)方案采取相對(duì)折射率為Δ=1.8%的硅基二氧化硅波導(dǎo)材料，因?yàn)殡S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(shí)，可使波導(dǎo)彎曲程度最大，且彎曲損耗最理想，此時(shí)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(jí)偏振分束，就能將TE與TM模信號(hào)較好的分離。NTT公司在EOCO2010會(huì)議,按這種方案設(shè)計(jì)制作出的超小型芯片尺寸可以達(dá)到12×12mm,符合了OIF對(duì)光學(xué)解調(diào)器尺寸的要求[5]。
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(chǎng)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(shí)現(xiàn)100G高速信號(hào)解調(diào)必不可少的器件，具有極大地研究?jī)r(jià)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(jì)方案。
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