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作者：ChristopherWree、AbhayJoshi、DonBecker，Discovery 由于采用了EDFA光放大器、波分复用技术、色散补偿技术以及前向纠错技术（FEC），超长距离光传输系统的容量近年来迅速攀升。 广泛使用的幅度键控（OOK）调制方式以及直接强度检测接收技术在信道速率小于10Gbits/s的WDM系统应用中游刃有余。 然而在“后泡沫时代”，人们降低单位传输成本的节奏加快了。为了高效地延长现有光缆网的传输距离和提高传输容量，需要解决多个技术难题。这些技术难题包括：提高系统克服噪声、传输劣化的能力，要具有较高的频谱效率。为了达到这个目标，需要考虑使用新的调制技术，如：差分相位键控（DPSK）调制技术，同时还要采用电均衡技术。 为了进一步提高传输容量和无中继传输距离，我们需要突破现有的直接检测接收机理，采用相干光检测技术。相干光检测技术，除了检测光信号的幅度，还能检测光信号的相位和偏振态（极化态）。采用相干光技术后，在同样的光谱带宽内就可以传输更大容量的数据。此外，相干光系统中，光信号的相位信息可用来高效地补偿光传输所引起的信号在电域内的劣化。 图:相干光接收机能够使用“零差”接收技术和“外差”接收技术。“零差”接收时，本振频率和信号频率一致；“外差”接收时，二者频率相差为某固定的中频频率。 相干光接收机的配置 图1显示的是相干光接收机的基本结构，接收到的信号光同本振光（LO）信号相混合。将信号从极高的光频（1550nm波段，相当于200THz）向下变频到微波波段（频率在GHz量级）。光电检测器产生出差拍信号，这个信号称为中频信号（IF），频率设为fIF，该频率是信号光频率与本振光频率的差。 若信号光频率与本振光频率相同，该检测技术称为“零差”接收。信号光频率与本振光频率不相同时，该检测技术称为“外差”接收，fIF=fC-fLO，其中fC、fLO分别是接收光信号、本振光信号的中心频率。 对于外差接收技术，为了形成完整的双边带，这个中频必须是数据信号速率的两倍以上。零差接收技术则要求本振激光器必须和接收光信号相位锁定；对比来说，外差接收则要求二者频率锁定，频率差保持恒定。 相干光接收机的主要组成部件包括：本振光源、光耦合器、平衡光检波器、相位/频率锁定器、偏振控制回路以及电信号处理器。为了提高接收机灵敏度，以下器件必不可少： （1）本振光源，要求光功率高、相对强度噪声（RIN）低、谱线宽度窄。1 （2）平衡式光电探测器，具有高响应度、输入光功率动态范围大、共模抑制比（CMRR）高。2 （3）为了降低中频信号的频率、相位噪声，系统要求本振激光器频率、相位锁定。 相干光接收机的性能和优点 相干光接收有诸多优点，可以提高光网络的性能。优点包括提升现有光纤的数据容量，能支持多种调制方式，接收机灵敏度高，而且可以在电域补偿光传输带来的劣化。 例如，已经证明多电平调制方式，如差分四相移键控技术可提升现有光链路的数据容量。也就是说，在相同的光谱带宽内，比起常用的幅度键控调制方式，相移键控技术能传输更多的数据。 Wree等人曾报道过采用DQPSK调制技术的传输试验，通过采用偏振复用技术，传输总速率能达到40Gbits/s，而采用通常的幅度调制技术，在同样光谱带宽内只能传输10Gbits/s的数据3。这样，在通常光放大器所适用的光谱带宽内数据容量可以提升到原来的4倍。该信号可以通过使用四个Mach-Zehnder干涉延迟器，利用自身的相关性解调出数据来，但是这四个Mach-Zehnder干涉器各自需要一套控制电路。 这种接收机比相干光接收机要复杂的多。传输距离也有限，只有数百公里。这主要是由于传输过程中，各偏振模式互相耦合带来了信号失真。 采用相干光接收技术后，接收信号的相位和偏振都可以在电域更高效的检测。光传输引起的失真也可以很好地通过电均衡器来补偿，进而实现更远的传输距离。这样还可以省去接收机侧的色散补偿光纤以及光放大器。 相干光接收机的另外一个优势是可以支持多种调制方式。目前，光转发器制造商正在研发新的调制方式，例如：DPSK、DQPSK以及多进制编码方式。在这些技术实际应用时，光网络中的相关设备也要逐步适应这些调制技术。基于相干光检测技术的光接收机就具备这个能力，只需要稍稍改动电处理环节，而不必变动系统光器件就可以灵活地适用于多种调制方式。3 使用相移键控（FSK）调制技术时，为了减小频率抖动、相位抖动所引起的噪声，锁相环（PLL）的使用显得特别重要。如图2所示，相干光系统的中频信号线宽（谱宽）以前通常是数兆赫兹，使用现有的DFB激光器以及优化设计后的锁相环，现在可以减小到仅仅100Hz，差距达104倍（图2）。4 锁相环（PLL）经过优化后，相干光检测系统输出的中频信号的线宽只有100Hz。 此外，若忽略本振光源的相对强度噪声，接收信号同本振信号混频后，可以得到放大，而噪声指标却不会劣化。同不带前置光放大器（预放）的直接检测效果相比，采用相干接收技术的灵敏度可以提高20dB左右。也正是由于这个优点，在1980年代EDFA使用之前，相干光技术是被关注的焦点。附表显示了，即使采用光放大器，直接检测方式在灵敏度方面也比相干接收技术逊色一些。5 附表是在比特误码率小于1-9时，接收机的理论接收灵敏度，以每比特需要的光子数（photons/bit）为单位，并假设放大器的自发辐射噪声是直接检测接收的主要噪声源。表中也同时给出了相干接收技术对光信噪比（OSNR）的改善情况。这个理论结果已被图3所示的试验结果所验证4。试验中，在前置光放大器后加一个窄带的ASE噪声滤波器，在外差和零差检测中，系统对OSNR的要求是一致的。 为了应对信号的劣化，相干接收机可以在电域使用自适应电均衡器来补偿光信号传输后的质量劣化，同光域补偿相比，电域补偿的成本要低一些。6如果采用直接强度检测法，那么接收到的光信号只有幅度能被检测到，相位信息被丢弃了，信号由光域变换到电域，这个非线性变换使得电域的均衡变得相对复杂。 相比之下，相干光检测技术保留了信号的相位信息，将光信号线性地转换成电信号。这样，人们可以通过相对简单的电域数字信号处理技术，如延迟线抽头滤波器等，去除诸如色度色散、偏振模色散（PMD）所引起的信号畸变。D.E.Crivelli等人已经对40Gbits/s的光信号进行了验证，该信号由两路DQPSK信号经偏振复用后得到，该信号在普通单模光纤中传输300km，光纤有明显的PMD效应：约10ps/（km）-1，他们采用一个有15个抽头的延迟线抽头滤波器，在电域对信号成功地进行了均衡。7同时，A.H.Gnauck等人使用由微带传输线组成的无源器件，对220km普通单模光纤传输系统进行了补偿。8采用以上这些电域的补偿措施后，光传输系统可以大大降低对色散补偿光纤以及PMD补偿器的依赖。 降低成本 为了能在通信领域充分发挥相干光接收技术的潜能，必须采用一定的集成技术，也就是说封装要做得很小，功耗也较小，而且成本同直接检测相比也相当。从参考文献[1]我们已经得知，人们已经开始研究高集成度的相干光接收机，内部集成有本振激光器、锁相环、光耦合器、平衡光检波器以及用于控制激光器偏置电路等的电信号处理器。 2.5Gbit/s直接强度调制下，不同误码率情况下，2种检测技 术对光信噪比要求的对比，该结果印证了表1中的理论数据。 一旦相干光接收系统成型，它将在以下几个方面降低系统的资本支出： （1）它可以充分利用光的相位、偏振等信息，实现多电平检测，这样可以将现有光纤链路的容量提高到原来的4倍； （2）在电域就能有效地对色度色散和偏振模色散进行补偿，这样可以省去复杂的光域补偿。 （3）相同误码指标下，相干光接收机具有更高的灵敏度，所需的光信噪比也更低，这将提高系统的传输距离，减少中继点数目。如果采用相位键控（PSK）技术，这个效果会更加明显。 （4）它能升级WDM网络，一种接收机就能应对不同的调制方式。 此外，由于相干光接收技术需要的OSNR更低，因此系统允许有更大的损耗余量，维护工作量也降低了，因为清洁光连接器属于维护工作，所以也就降低了运维成本。此外，使用较少的可重配置光器件，相干接收机还可以实现光信号的路由重构，这主要是即使采取电域自适应均衡技术，光路的相位信息还依旧可以保持下去。 将相干光接收技术与先进的调制方式以及电信号处理技术相结合，可以大大提高现有光传输链路的容量和传输距离、提高频谱效率，降低建设成本以及运维成本；同时，相干接收技术可以使用电均衡技术来准确补偿光传输造成的劣化，网络设计也因此可以变得更为灵活。 表1:接检测和相干检测的对比 参考文献： [1].D.Becker，C.Wree，D.Mohr， and A.Joshi，“Optical Coherent Receivers for 2.5 and 10 Gbits/sec，”Proceedings of the IEEE Avionics Fiber-Optics and Photonics Conference， Minneapolis，MN，September 20-22， 2005，pp.33-34. [2].A.Joshi，X. Wang，D.Mohr， D.Becker，and C.Wree，“Balanced photoreceivers for analog and digital fiber-optic communications，”Proceedings of SPIE，vol.5814，2005，pp. 39-50. [3].C.Wree，N.Hecker-Denschlag，E.Gottwald，P.Krummrich，J.Leibrich， E.-D.Schmidt，B.Lankl，and W. Rosenkranz，“High Spectral Efficiency 1.6-bit/sec/Hz Transmission（8x40 Gbits/sec with a 25-GHz Grid） over 200 km SSMF Using RZ-DQPSK and Polarization Multiplexing，”Photonics Technology Letters，vol. 15， no. 9，September 2003， pp. 1303-1305. [4].PrivateCommunications，DanMohr，senior engineer，Discovery Semiconductors，2005. [5].J.M.Kahnand K.-P.Ho， “Spectral Efficiency Limits and Modulation/Detection Techniques for DWDM Systems，”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics， vol.10，no. 2，January/April 2004，pp. 259-272. [6].A.Faerbert，S.Langenbach，N.Stojanovic，C. Dorschky，T. Kupfer， C. Schulien，J.-P. Elbers，H. Wernz，H. Griesser，and C.Glingener， “Performance of a 10.7-Gbit/sec Receiver with Digital Equaliser using Maximum Likelihood Sequence Estimation，” Proceedings of the European Conference on Optical Communication （ECOC），Stockholm，Sweden，September 5-9，2004，post-deadline paper PD-Th4.1.5. [7].D.E.Crivelli，H.S. Carrer，and M.R. Hueda，“Adaptive Digital Equalization in the Presence of Chromatic Dispersion，PMD，and Phase Noise in Coherent Fiber-Optic Systems，”Proceedings of the IEEE Global Communications Conference（GLOBECOM）， Dallas， TX， November 29-December 3， 2004， vol. 4， pp. 2545-2551. [8].A.H.Gnauck，J.Sinsky，P.J. Winzer，and S.Chandrasekhar，“Linear Microwave-Domain Dispersion Compensation of 10-Gbit/sec Signals using Heterodyne Detection，”Proceedings of the Optical Fiber Communications Conference （OFC），Anaheim，CA， January 5-10，2005，post-deadline paper PDP31. |
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