从40G到100G：WTD高速光模块对偏振复用相干检测技术的选择
发布时间：2013-12-30 08:53:17 热度：3702
12/30/2013，众所周知，40G模块是下一代高速率和大容量的光网络核心技术与关键部件。伴随40G光模块大规模部署初现端倪，100G调制编码格式也渐渐浮出水面。面对众多特征各异的传输码型，在综合考虑其他系统设计参数的基础上，业界主要从传输距离、通路间隔、向下兼容、模块成本与传输性能的平衡等方面进行综合选择。目前，烽火科技旗下的武汉电信器件公司（WTD）已相继成功开发了40GTransponder和CFP系列光收发模块产品，为设备商和系统集成商缩减开发周期提供了方便。WTD密切关注业界动向，在攻克了高速数字信号处理（DSP）技术与模数转换（ADC）技术方面的难关后，又将目光投向了相干光通信领域。
相干检测与DSP技术相结合，可以在电域进行载波相位同步和偏振跟踪，清除了传统相干接收的两大障碍。基于DSP的相干接收机结构简单，具有硬件透明性；可在电域补偿各种传输损伤，简化传输链路，降低传输成本；支持多进制调制格式和偏振复用，实现高频谱效率的传输。结合目前国内光通信行业实际情况来看，这无疑是一种非常理想的高速解决方案。业界近年来对于100G模块的研究和开发动向也验证了这一点。那么，WTD在偏振复用相干检测光模块产品的开发过程中采用了怎样的技术思路呢？
一．相干光通信技术的特点与优势
相干光通信充分利用了相干通信方式所具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。与IM/DD系统相比，相干光通信系统具有以下独特的优点：
1.灵敏度高，中继距离长
相干光通信的一个最主要的优点是能进行相干探测，从而改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后输出的光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约18dB，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。
2.选择性好，通信容量大
相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中，接收波段较宽，为抑制噪声的干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片，但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其他噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能，这在相干光通信的应用中会发挥重大作用。此外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使波分复用系统的频率间隔大大缩小，即密集波分复用(DWDM)，取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以波分复用实现更高传输速率的潜在优势。
3.可以用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应
如果外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函数相反，即可降低光纤色散对系统的影响。
二．WTD开发高速偏振复用相干检测光模块的技术考量
为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，WTD在利用相干光通信技术开发高速偏振复用相干检测光模块产品系列时主要考虑了以下几个技术要点。
1.采用高标准的光源技术
相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高，它要求光谱线窄、频率稳定度高。光源本身的谱线宽度决定了系统所能达到的最低误码率，应尽量减小，同时半导体激光器的频率对工作温度与注入电流的变化非常敏感，其变化量一般在每摄氏度几十吉赫兹和每毫安几十吉赫兹左右，因此，为使频率稳定，除注入电流和温度稳定外，还应采取其他稳频措施，使光频保持稳定。
2.在接收技术方面实现突破
相干检测的接收技术包括两部分，一部分是光的接收技术，另一部分是中频之后的各种制式的解调技术。
平衡接收法：在频移键控(FSK)制式中，由于半导体激光器在调制过程中难免带有额外的幅度调制噪声，利用平衡接收方法可以减少调幅噪声。平衡法的主要思想是当光信号从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和信号光同时经过偏振分束器分为两路，分别输入两个相同的PIN光电检测器，使得两个光电检测器输出的是等幅度而反相的包络信号，再将这两个信号合成后，使得调频信号增加1倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，达到消除调幅噪声影响的要求。
偏振控制技术：相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混频效果，提高接收质量。信号光经过单模光纤长距离传输后，偏振态是随机起伏的，为了解决这个问题，提出了很多方法，如采用保偏光纤、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纤中传输时，相位和偏振面会随机变化，保偏光纤就是通过工艺和材料的选择使得光相位和偏振保持不变的特种光纤，但是这种光纤损耗大，价格也非常昂贵；偏振控制器主要是使信号光和本振光同偏，这种方法响应速度比较慢，环路控制的要求也比较高；偏振分集接收主要是利用信号光和本振光混频后，由偏振分束元件将混合光分成两个相互垂直的偏振分量，本振光两个垂直偏振分量由偏振控制器控制，使两个分量功率相等，这样当信号光中偏振随机起伏也许造成其中一个分支中频信号衰落，但另一个分支的中频信号仍然存在，所以该系统最后得到的解调信号几乎和信号光的偏振无关，该技术响应速度比较快，比较实用，但实现比较复杂。
3.采用外光调制技术
由于半导体激光器光载波的某一参数直接调制时，总会附带产生对其他参数的寄生振荡，如幅移键控(ASK)直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张弛振荡等问题。因此，在相干光通信系统中，除FSK可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制方式。
4.合理运用非线性串扰控制技术
由于在相干光通信中，常采用密集波分复用技术。因此，光纤中的非线性效应可能使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响，而形成非线性串扰。
三．WTD40G/100G高速光收发模块的技术成果
业界近年来在光器件方面取得了很大的进步，其中激光器的输出功率、线宽、稳定性和噪声，以及光电探测器的带宽、功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波电子器件的性能也大幅提高，这些进步使得相干光通信系统商用化变为可能。在40G/100G高速光收发模块领域，WTD开发的40G光收发模块正逐步采用公司自主开发的40G光器件及40GPIN管芯，产品采用的偏振复用相干检测技术、40G光器件侧向耦合光纤构件设计、DPSK/DQPSK模块延迟干涉控制和高速光电组件及其芯片倒装结构等方案独具创新性，产品在长距离传输上具有更好的色度色散容限、偏振模色散容限和抗非线性的性能，光信噪比、抖动特性、色散容限等重要指标达到国际同类产品先进水平，目前正力争实现具有自主知识产权的40G/100G高速率大容量高端光器件以及完全国产化的目标。在100G光收发模块产品领域，WTD已开展相关技术的开发和方案设计工作，目前正朝向提供40G/100G高速光收发模块完整解决方案的目标迈进。伴随高速光收发模块产品在一批国内外知名系统设备商的数据通信设备上的批量应用，在我国国家重点工程，高速城域网重点工程以及高速骨干网中工程已越来越多地采用了WTD的高速光收发模块，产品更引起了日本和欧洲的一些著名设备制造商的关注，2012年有望在国际市场上取得突破。WTD成功开发的40G/100G高速光收发模块将以低成本的优势，满足全球高速模块旺盛的市场需求，从而带动整个光通信产业链的发展。
来源：烽火科技
相干检测与DSP技术相结合，可以在电域进行载波相位同步和偏振跟踪，清除了传统相干接收的两大障碍。基于DSP的相干接收机结构简单，具有硬件透明性；可在电域补偿各种传输损伤，简化传输链路，降低传输成本；支持多进制调制格式和偏振复用，实现高频谱效率的传输。结合目前国内光通信行业实际情况来看，这无疑是一种非常理想的高速解决方案。业界近年来对于100G模块的研究和开发动向也验证了这一点。那么，WTD在偏振复用相干检测光模块产品的开发过程中采用了怎样的技术思路呢？
一．相干光通信技术的特点与优势
相干光通信充分利用了相干通信方式所具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。与IM/DD系统相比，相干光通信系统具有以下独特的优点：
1.灵敏度高，中继距离长
相干光通信的一个最主要的优点是能进行相干探测，从而改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后输出的光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约18dB，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。
2.选择性好，通信容量大
相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中，接收波段较宽，为抑制噪声的干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片，但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的噪声才可以进入系统，而其他噪声均被带宽较窄的微波中频放大器滤除。可见，外差探测有良好的滤波性能，这在相干光通信的应用中会发挥重大作用。此外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使波分复用系统的频率间隔大大缩小，即密集波分复用(DWDM)，取代传统光复用技术的大频率间隔，具有以波分复用实现更高传输速率的潜在优势。
3.可以用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应
如果外差检测相干光通信中的中频滤波器的传输函数正好与光纤的传输函数相反，即可降低光纤色散对系统的影响。
二．WTD开发高速偏振复用相干检测光模块的技术考量
为了实现准确、有效、可靠的相干光通信，WTD在利用相干光通信技术开发高速偏振复用相干检测光模块产品系列时主要考虑了以下几个技术要点。
1.采用高标准的光源技术
相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求比较高，它要求光谱线窄、频率稳定度高。光源本身的谱线宽度决定了系统所能达到的最低误码率，应尽量减小，同时半导体激光器的频率对工作温度与注入电流的变化非常敏感，其变化量一般在每摄氏度几十吉赫兹和每毫安几十吉赫兹左右，因此，为使频率稳定，除注入电流和温度稳定外，还应采取其他稳频措施，使光频保持稳定。
2.在接收技术方面实现突破
相干检测的接收技术包括两部分，一部分是光的接收技术，另一部分是中频之后的各种制式的解调技术。
平衡接收法：在频移键控(FSK)制式中，由于半导体激光器在调制过程中难免带有额外的幅度调制噪声，利用平衡接收方法可以减少调幅噪声。平衡法的主要思想是当光信号从光纤进入后，本振光经偏振控制以保证与信号的偏振状态相适应，本振光和信号光同时经过偏振分束器分为两路，分别输入两个相同的PIN光电检测器，使得两个光电检测器输出的是等幅度而反相的包络信号，再将这两个信号合成后，使得调频信号增加1倍，而寄生的调幅噪声相互抵消，直流成分也抵消，达到消除调幅噪声影响的要求。
偏振控制技术：相干光通信系统接收端必须要求信号光和本振光的偏振同偏，才能取得良好的混频效果，提高接收质量。信号光经过单模光纤长距离传输后，偏振态是随机起伏的，为了解决这个问题，提出了很多方法，如采用保偏光纤、偏振控制器和偏振分集接收等方法。光在普通光纤中传输时，相位和偏振面会随机变化，保偏光纤就是通过工艺和材料的选择使得光相位和偏振保持不变的特种光纤，但是这种光纤损耗大，价格也非常昂贵；偏振控制器主要是使信号光和本振光同偏，这种方法响应速度比较慢，环路控制的要求也比较高；偏振分集接收主要是利用信号光和本振光混频后，由偏振分束元件将混合光分成两个相互垂直的偏振分量，本振光两个垂直偏振分量由偏振控制器控制，使两个分量功率相等，这样当信号光中偏振随机起伏也许造成其中一个分支中频信号衰落，但另一个分支的中频信号仍然存在，所以该系统最后得到的解调信号几乎和信号光的偏振无关，该技术响应速度比较快，比较实用，但实现比较复杂。
3.采用外光调制技术
由于半导体激光器光载波的某一参数直接调制时，总会附带产生对其他参数的寄生振荡，如幅移键控(ASK)直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。另外，还会遇到频率特性不平坦及张弛振荡等问题。因此，在相干光通信系统中，除FSK可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制方式。
4.合理运用非线性串扰控制技术
由于在相干光通信中，常采用密集波分复用技术。因此，光纤中的非线性效应可能使相干光通信中的某一信道的信号强度和相位受到其他信道信号的影响，而形成非线性串扰。
三．WTD40G/100G高速光收发模块的技术成果
业界近年来在光器件方面取得了很大的进步，其中激光器的输出功率、线宽、稳定性和噪声，以及光电探测器的带宽、功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善，微波电子器件的性能也大幅提高，这些进步使得相干光通信系统商用化变为可能。在40G/100G高速光收发模块领域，WTD开发的40G光收发模块正逐步采用公司自主开发的40G光器件及40GPIN管芯，产品采用的偏振复用相干检测技术、40G光器件侧向耦合光纤构件设计、DPSK/DQPSK模块延迟干涉控制和高速光电组件及其芯片倒装结构等方案独具创新性，产品在长距离传输上具有更好的色度色散容限、偏振模色散容限和抗非线性的性能，光信噪比、抖动特性、色散容限等重要指标达到国际同类产品先进水平，目前正力争实现具有自主知识产权的40G/100G高速率大容量高端光器件以及完全国产化的目标。在100G光收发模块产品领域，WTD已开展相关技术的开发和方案设计工作，目前正朝向提供40G/100G高速光收发模块完整解决方案的目标迈进。伴随高速光收发模块产品在一批国内外知名系统设备商的数据通信设备上的批量应用，在我国国家重点工程，高速城域网重点工程以及高速骨干网中工程已越来越多地采用了WTD的高速光收发模块，产品更引起了日本和欧洲的一些著名设备制造商的关注，2012年有望在国际市场上取得突破。WTD成功开发的40G/100G高速光收发模块将以低成本的优势，满足全球高速模块旺盛的市场需求，从而带动整个光通信产业链的发展。
来源：烽火科技
