一项简单而高效的40Gbps调制技术

update · *发表于* 2010-11-25 09:42:31

Andre Vatarescu 《Lightwave》近期的文章中讨论了各种基于相移键控（PSK）的调制格式，这些作为未来40/100Gbps光传输系统中较有潜力的技术，都和电调制技术相关，并已经被用在了光学领域——这导致了复杂的设备和运行模式。本文指出一种简单且高效的光学幅移键控（ASK）调制技术。该技术将时变电频谱结构加载在一个电光调制器上，产生由数量随时间变化的光子构成的光学脉冲，而不展宽输入光载频的频谱分布。在某种程度上，该技术发挥了半导体分布反馈激光器（DFB）直调技术的优势，摒弃了频率啁啾的负面影响。

物理概念GuR光波通信
信号的频谱分布——无论是电频谱还是光频谱——都取决于信号产生的物理过程。真实频谱往往和信号傅立叶转换的结果不同。这体现在光通信中，就是用同样的电信号调制，直接调制半导体激光器输出光的频谱和电光调制器输出光的频谱也不同。

Winger频谱描述了信号频谱随时间变化的一个特例，即W(f,t)。频谱中的幅度分量开关交替。一个著名的时变频谱就是直接调制半导体激光器产生的频率啁啾。如Sato等指出（参考文献1），直接调制单纵模DFB激光器通过调制发出的光子数实现脉冲的上升沿，并没有用傅立叶频谱来描述脉冲。Loughlin和Cohen提出了通过时变频谱可能突破傅立叶极限的理论依据（参考文献2）。

传统意义上用来描述脉冲s(t)的傅立叶频谱S(f)是时间无关的。但是，同样的脉冲也可以通过Wigner谱W(f,t)产生。在光学上，仅仅探测了脉冲包络幅度，因此，脉冲强度|W(f,t)|2可以描述仅包含一个光学频谱分量的脉冲。

你可能会问：这是否违背了测不准原理？答案是，量子力学中的测不准原理引入了作用在波动方程上的量子算符，但并不存在时间的量子算符，它仅仅是一个参量。无论产生什么样的能量时间不确定性，我们都可以将能量与脉冲中的光子数目相关联以及将时间变化与到达探测器的光子数相关联的方法来解决。

现在的问题是，如何产生这样的电信号，并将它转化成光信号？我们只需要用电光调制器的特性就可以解决。

尽管传统电光调制器用在光载波的相位调制上，物理上该过程会在载波两侧产生边带。一种产生Wigner类型频谱的方法是调制加载在电光调制器上的电频谱功率水平，继而产生时变的边带幅度。采用合适的滤波器，这种方法可以工作在低比特率（1至5Gbps），但在超过5Gbps的速率上不大实用。不过我们可以找到基于电光调制器其它特性的不同的解决方案。

Wigner型脉冲传播GuR光波通信
我们可以列举一个简单的产生Wigner频谱的物理结构的例子。将连续光（CW）束直接注入光电探测器中，会产生稳态（DC）光电流。然后，用镜子截断光束并将光子反射走。当光电流降到零时，产生了电信号。光束调制仅仅和光子数相关，不用调制其能量和频率分布。（稍后将讨论如何在40Gbps中实现）

现在，我们用普通单模光纤（SMF）来传输Wigner型光脉冲。对于窄频谱分布的光脉冲，SMF的色度色散和二阶偏振模色散（PMD）都不会对其产生任何影响。对于PMD的差分群时延（DGD），则需要脉冲占空比小于100％。（普通单模光纤的PMD比色散位移光纤小。）如果光学滤波器设计合理，窄频谱也将减小带内串扰。

对于非线性效应，布里渊作用（或散射）将只能从噪声中产生，因为窄带光中不存在落在布里渊散射频移内（10－12GHz）的谱线。因此没有后向散射光子，例如产生受激信号的瑞利散射（斯托克斯波将会在特定位置提供给相邻光信道一些增益）。另外，高色散的SMF阻止了四波混频相互作用的产生。

基于波包的40Gbps传输链路设计GuR光波通信
之前描述的混合的时间频率信号传输系统已经在研发过程中，它包括了标准40Gbps强度调制和标准直调接收机的传输系统。该系统的创新点在于光电调制器的电驱动引入了简单的谱转换器。

传统的描述信号波形，如脉冲等，的解决方案通过控制和操作相应的傅立叶谱而受到傅立叶分析的限制。时域和频域的分离导致谱脉冲持续时间和用来描述脉冲的傅立叶谱宽成反比。

相比之下，通过混合时域和频域，频谱成为时间的函数，提供了额外而重要的描述信号的元素。这个概念中，波包——即短周期正弦波——可以突破傅立叶限制。调制格式为开关键控（OOK）或二进制ASK的归零码（RZ）脉冲，可以减轻PMD的影响。谱效率比双偏振四相相移键控（DP-QPSK）高。

该研究主要针对10Gbps和正在出现的40Gbps多距离光纤传输系统。它将会使用商用元器件和设备。有三个突出的优势：GuR光波通信
1. 非常窄的光频谱物理分布可以消除色散补偿元器件GuR光波通信
2. 相邻光学信道的串扰减少使得光信噪比增强，从而可以取消前向纠错码GuR光波通信
3. 简化的电驱动，使得可以采用数字混合逻辑电路，而不需要复杂的谱描述配置的模拟电路

在40Gbps系统优化调制格式的需求下，为了减轻光纤中非线性效应导致的信号劣化而使用的光载频的抑制技术中，挑选了DPSK作为优选方案。然而，对于相位解调和色散补偿的需求，尤其针对RZ脉冲，增加了网络的部署和运维成本。

而高速光学脉冲调制的波包方案则利用简单的系统配置可以提供高质量的传输能力，并有效降低运维成本。

参考文献：GuR光波通信
1. K. Sato. S. Kuwahara, Y. Miyamoto, “Chirp characteristics of 40-Gb/s directly modulated distributed-feedback laser diodes,” J. Lightwave Technol., Vol. 23, Issue 11, pp. 3790–3797, Nov. 2005. GuR光波通信
2. P.J. Loughlin, L. Cohen,“The uncertainty principle: global, local, or both?,”IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 52, Issue 5, pp. 1218–1227, May 2004.

BroadLight和Ralink推出GPON和WiFi集成家庭网关GuR光波通信
美国加州Santa Clara，2009年12月28日--GPON解决方案供应商BroadLight今天宣布，其领先的BL2348 GPON家庭网关和Ralink公司的RT3062 300Mbps 802.11n WiFi解决方案成功地集成在了一起。这一集成的参考设计提供了高性能、低成本的家庭网关，可以通过合并的GPON和WiFi网络为家庭提供下一代语音、视频、数据业务。Broadlight和Ralink的集成解决方案为用户提供了高品质、高可靠的网络解决方案。