100G系统中PM-QPSK光解调器的研究

 

　　PM-QPSK技术具有高的频谱效率，将传输符号的波特率降低为二进制调制的四分之一,并能使光信噪比极大改善，可以用强大的DSP来处理极化模复用信号。文章分析了PM-QPSK技术调制和解调的基本原理，对100G系统中接收机前端光解调器进行详细分析。

　　引言

　　PM-QPSK(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying,偏振复用正交相移键控)的信号在接收侧采用相干检测技术可以实现高性能的信号解调，和直接解调、差分解调方式相比，相干检测所使用的本地激光器的功率要远大于输入光信号的光功率，所以光信噪比可以极大地改善[1]。特别是相干检测技术充分利用强大的DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)技术来处理极化模复用信号，可以通过后续的数字信号处理补偿并进行信号重构，可以还原被传输的信号的特性(极化模、幅度、相位)，大幅度消除光纤带来的传输损伤，如PMD(Polarization Mode Dispersion，偏振模色散)容忍度达30ps,无需线路色散补偿就可以容忍几万ps/nm,相比与其他的100G传输方案，如非相干PM-DQPSK或OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用技术)，PM-QPSK结合相干检测提供了最优化的解决方案,这被大多数的系统供应商选择为100G传输方案。

　　PM-QPSK调制原理

　　四进制移相键控(QPSK)是一种多元(4元)数字频带调制方式，其信号的正弦载波有4个可能的离散相位状态，每个载波相位携带2个二进制符号，第n个时隙的QPSK信号可以表达为：

　　(1)

　　其中，A是信号的振幅，为常数;θn为受调制的相位，其取值有四种可能，具体值由该时隙所传的符号值决定;fc是载波频率;Ts为四进制符号间隔。QPSK常用的四种相位值有两套，分别称为A方式和B方式，若，则为0、π/2、π、3π/2，此初始相位为0的QPSK信号的矢量图如下图1中A方式;若，则为π/4、3π/4、5π/4、7π/4，此初始相位为π/4的QPSK信号的矢量图如下图1中B方式。QPSK调制是响应进入的码对(00、01、10、11)，对光载波作相移，表1给出了四元符号对应的两个比特和A、B两套相位值[2]。

　　单个100Gbps被分为两个极化模式-TE(横电模)与TM(横磁模)的两个50Gbps流，这一步骤产生出相同频率的两个载波，然后每个载波做QPSK调制，由于QPSK调制将2个比特封装在一个符号内，两个极化的模式可以分别得到两个25G符号/秒的流，总计为100Gbps。由于QPSK信号是以两个极化面且以复用的极化模形式传输，因此它可以叫做DP-QPSK(双极化QPSK)，或叫PM-QPSK(极化模式QPSK)。

　　

 

　　图1 QPSK A和B 两种方式矢量图

　　

 

　　表1 QPSK的两套相位值

　　相干接收PM-QPSK调制解调过程

　　PM-QPSK在偏振态、相位和波形多个维度进行调制，具有较大的自由度且每个维度复杂度较低，发射机工作过程如下：连续激光器发出的光信号等分后作为两个QPSK调制器的载波光源，数据经QPSK编码、驱动放大和低通滤波驱动后驱动QPSK调制器;两路经QPSK调制后输出的光信号在偏振态正交化后由偏振合束器汇聚为一路光波信号进入线路。可在连续激光器和分光器之间引入脉冲发生器，通过改变光脉冲形状进一步抑制和补偿光传输损伤。其过程如图2所示。

　　数字相干接收机将传输通道设计的复杂度转移到了接收机。数字相干接收机通过相位分集和偏振态分集将光信号的所有光学属性映射到电域，利用成熟的数字信号处理技术在电域实现偏振解复用和通道线性损伤(CD、PMD)补偿，简化传输通道光学色散补偿和偏振解复用设计，减少和消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖。

　　

 

　　图2 PM-QPSK调制解调过程

　　数字相干接收机工作过程如下：本振激光器发出的光信号等分后作为两个90°混频器的相干光源;线路输入光信号经偏振分束器分为两路偏振态相互正交的光信号分别进入两个90°混频器与本振光信号产生干涉;混频器输出光信号经平衡接收光电二极管转换为模拟电信号，经高速模数转换器采样量化后转换为数字信号;数字信号在数字信号处理器中完成数据恢复[3]。

　　PM-QPSK光解调器

　　PM-QPSK光学解调器部分较为复杂，采用偏振分集内差检测，将光学属性映射到电域以解析光调制格式的信息。内差检测与零差检测结构相似，利用90°光混频器与本征混频同时提取信号的同相分量和正交分量，通过电信号处理消除相位噪声，从而实现信号调制相位的检测和解调，放宽了对本振激光器与发射机激光器的频率相位一致性要求，兼具零差检测和外差检测的优点。

　　在本文所介绍的100G传输系统中，接收机前端光学解调器结构示意图如图3所示。

　　

 

　　图3 PM-QPSK光解调器结构示意图

　　其中本地振荡源的光信号和从光纤中接收到的信号光分别经过2个PBS结构，将两路光信号分别分为2个正交的极化模式，四路光信号可以表示为：

　　(2)

　　其中Esx,Esy,ELO.x,ELO.y分别表示信号光和本地振荡源的TE、TM模式的光信号，α表示信号光TE模所占比例，δ表示初始相位，ws表示信号光角频率，As表示信号光的振幅。

　　信号光和本地振荡源的TE、TM模光信号，分别进入对应的90°混频器，所得到的检测信号分别为：

　　(3)

　　再经过平衡光电探测器，最后所得到的差分电流可以表示为：

　　

(4)

 

　　这样就将光学属性转移到电域中，通过对电信号的后期数字处理，就可以解调出所需的信息。

　　根据这种结构，可以用自由空间集成光学和平面光波导回路(PLC)这两种技术来实现这种光学解调器模块，但是传统的自由空间集成光学技术设计出的PM-QPSK光解调器，体积较大，而且对大范围温度变化敏感，而用PLC技术制作的PM-QPSK光解调器不仅可以实现全部的光学功能，而且能将保偏光波导(PBS)与90°混频器单片集成，大幅度降低了器件的尺寸，且稳定性好，易于集成。

　　这种用PLC技术设计的单片集成解调器芯片结构有以下两种方案，第一种方案如图4(a)所示，首先输入信号通过一个基于MZI(马赫曾德干涉)结构的PBS，将输入信号分为TE和TM两个偏振态(此为第一级偏振分束),并沿上下两个支路传播，这两路偏振信号再分别经过2个PBS结构，使得TE模和TM模进一步分开(此为第二级偏振分束)，通过这两级偏振分束可以大幅度改善偏振消光比。上支路传播的TE模信号光，经过一个与主轴成45°的半波片，转化为TM模信号，另一方面，我们将从本地振荡源输入的光控制为TM模式，这个输入的光信号经过一个3dB耦合器，分为上下两路光信号，并与上支路转化的TM模信号光和下支路的TM模信号光一起分别导入上下两个90°混频器，并解调输出8路光信号。在OFC2010上,Furukawa公司按这种方案设计制作出的芯片尺寸可以达到25×21mm,最小偏振消光比33.2dB[4]。

　　第二种方案如图4(b)所示，这种设计方案采取相对折射率为Δ=1.8%的硅基二氧化硅波导材料，因为随着Δ的增加，在波导的强折射率限制下，波导的弯曲半径可以变小， 当Δ=1.8%时，可使波导弯曲程度最大，且弯曲损耗最理想，此时弯曲半径为1200um，为传统的结构弯曲半径的一半，这样可以大幅度降低芯片尺寸，并且只用一级偏振分束，就能将TE与TM模信号较好的分离。NTT公司在EOCO2010会议,按这种方案设计制作出的超小型芯片尺寸可以达到12×12mm,符合了OIF对光学解调器尺寸的要求[5]。

　　

 

　　图4 两种方案波导结构图

　　总结

　　100G技术已经成熟，市场已经初步形成，用PLC技术制作成的光前端数字相干接收机，是实现100G高速信号解调必不可少的器件，具有极大地研究价值。本文介绍了PM-QPSK的原理，及数字相干发射机和接收机的工作原理，并详细分析了接收机前端光PM-QPSK解调器的原理，并介绍两种基于PLC技术的解调器芯片的设计方案。