光频梳在WDM波分复用中的作用以及优势

我们知道，自上个世纪90年代以来，WDM波分复用技术已被用于数百甚至数千公里的长距离光纤链路。对大多数国家地区而言，光纤基础设施是其最昂贵的资产，而收发器组件的成本则相对较低。

然而，随着5G等网络数据传输速率的爆炸式增长，WDM技术在短距离链路中也变得越来越重要，而短链路的部署量要大得多，因此对收发器组件的成本和尺寸也更为敏感。

目前，这些网络仍然依赖于数千根单模光纤通过空分复用的信道并行进行传输，而每条信道的数据速率相对较低，最多只有几百Gbit/s（800G），T级别的可能有少量应用。

但在可以预见的未来，普通空间并行化的概念很快就会达到其可扩展性的极限，必须辅之以每条光纤中数据流的频谱并行化，才能维持数据速率的进一步提高。

这可能会为波分复用技术打开一个全新的应用空间，而其中信道数和数据速率的最大可扩展性至关重要。

在这种情况下，光频梳发生器（FCG）作为一种紧凑、固定的多波长光源，可以提供大量定义明确的光载波，从而发挥关键作用。另外，光频梳的一个特别重要的优势是，梳状线在频率上本质上是等距的，因此可以放宽对信道间保护带的要求，并避免了在使用DFB激光器阵列的传统方案中需要对单条线进行的频率控制。

需要注意的是，这些优势不仅适用于波分复用的发射机，也适用于其接收机，在接收机中，离散本地振荡器（LO）阵列可由单个梳状发生器取代。使用 LO 梳状发生器可进一步促进波分复用信道的数字信号处理，从而降低接收器的复杂性并提高相位噪声容限。

此外，使用带有锁相功能的LO梳状信号进行并行相干接收，甚至可以重建整个波分复用信号的时域波形，从而补偿传输光纤的光非线性造成的损伤。除了这些基于梳状信号传输的概念优势外，较小的体积和经济高效的大规模生产也是未来波分复用收发器的关键所在。

因此，在各种梳状信号发生器概念中，芯片级设备尤其引人关注。当与用于数据信号调制、多路复用、路由和接收的高度可扩展光子集成电路相结合时，此类器件可能成为紧凑型高效波分复用收发器的关键，这种收发器可以低成本大量制造，每根光纤的传输容量可达数十Tbit/s。

下图描述了使用光频梳FCG作为多波长光源的波分复用发射机的示意图。FCG梳状信号首先在解复用器（DEMUX）中分离，然后进入EOM电光调制器。通过，为获得最佳频谱效率（SE），会对信号进行先进的QAM正交振幅调制。

在发送端出口，各通道经过多路复用器（MUX）中重新组合，波分复用信号通过单模光纤传输。在接收端，波分复用接收器（WDM Rx），利用第2个FCG的LO本地振荡器进行多波长相干检测。输入波分复用信号的信道通过解复用器分离，然后送入相干接收器阵列（Coh. Rx）。其中，本地振荡器LO的解复用频率作为每个相干接收器的相位参考。这种波分复用链路的性能显然在很大程度上取决于基本的梳状信号发生器，特别是光线宽和每条梳状线的光功率。

当然，光频梳技术还处于发展阶段，其应用场景和市场规模相对较小。如果它能够克服技术瓶颈、降低成本并提高可靠性，那么在光传输中将可能实现规模级的应用。

审核编辑：刘清