技術(shù)文章 | 相干光通信初探

  最近相干光通信越來越火，雖然大部分工程師都知道它傳輸距離長的優(yōu)勢，但不知道其機(jī)制。筆者期望通過該文章在原理對其進(jìn)行解析。

  光通信從字面上理解就是利用光作為載波進(jìn)行信號傳輸。其本質(zhì)是通過對光載波進(jìn)行調(diào)制的帶通傳輸技術(shù)，這點(diǎn)和無線通信可以類比。由于光纖的衰減和色散特性，850nm / 1310nm / 1550nm 為三個(gè)主要應(yīng)用的載波波長，對應(yīng)頻率為352.9 THz / 229.0 THz / 193.5 THz。調(diào)制信號的頻率最高只有幾十GHz量級，僅為載波頻率的萬分之一量級。波分復(fù)用技術(shù)，就是在光纖上同時(shí)利用多路不同波長的光載波傳輸信號而不會相互影響。

  相干調(diào)制和解調(diào)技術(shù)早已經(jīng)在無線通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用卻不廣泛。究其原因就是光載波頻率高達(dá)幾百THz，遠(yuǎn)高于無線通信中的幾十GHz量級，因此需要更復(fù)雜的技術(shù)和更高的成本才能從光信號中提取相位信息。得益于DSP技術(shù)的發(fā)展和大容量中長距離傳輸?shù)男枨螅?A href="http://m.odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%9b%b8%e5%b9%b2&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">相干光傳輸技術(shù)在未來會扮演更重要的角色。

  一、非相干光通信

  我們首先從非相干光通信說起，其包含非相干調(diào)制和非相干解調(diào)兩部分。非相干調(diào)制會對光信號的幅度進(jìn)行模擬調(diào)制(AM)，需要激光器(或光調(diào)制器)盡量工作在線性區(qū)間。在傳輸NRZ數(shù)字信號時(shí)，我們用OOK(2ASK)做為一個(gè)簡化版的調(diào)制模型以利于計(jì)算。下圖中上面的綠色方波為調(diào)制信號(光通信中對應(yīng)基頻為幾十GHz量級)，中間的粉色正弦波為載波信號(光通信中為幾百THz)，下面的紅色波形即為OOK調(diào)制后的信號。

  我們也可以從頻域上對其進(jìn)行分析。下圖中載波信號為1310nm波長光源。我們用光譜儀就可以找到其對應(yīng)的光譜的峰值頻率為229THz。調(diào)制信號我們假設(shè)為20THz的方波周期信號以利于觀察。其FFT對應(yīng)峰值頻率為(2n+1)*20THz，0Hz位置的峰對應(yīng)直流分量。調(diào)制后信號頻譜為載波和調(diào)制信號頻譜的卷積，因此我們用高精度光譜儀可以同時(shí)觀察到229THz處調(diào)制信號的直流分量以及其兩側(cè)(2n+1)*20THz處調(diào)制信號的交流分量對應(yīng)的波峰。

  非相干解調(diào)是采用包絡(luò)檢測法來恢復(fù)信號。光探測器上就是一個(gè)低通濾波器以檢測光信號的包絡(luò)信息并將其轉(zhuǎn)換為電信號。整個(gè)系統(tǒng)框圖如下，誤碼率受信噪比影響。經(jīng)過一通復(fù)雜的計(jì)算可得到在大信噪比情況下，

  r為解調(diào)器輸入端的信噪比。

  注意這里我們只考慮了信道噪聲，實(shí)際場景下每一部分器件都會引入或者過濾一部分噪聲，導(dǎo)致誤碼率偏離理論值。

  二、相干光通信

  非相干光通信只是使用了幅度調(diào)制，雖然簡單但是帶寬利用率不高。在長距離大容量場景下，相干光通信漸成主流。其主要也包含相干調(diào)制和相干解調(diào)兩部分。目前主流的兩種調(diào)制方式是DP-QPSK和DP-16QAM，未來可能會用到DP-64QAM以進(jìn)一步提升傳輸速率。這里DP是指利用光載波正交偏振態(tài)不相關(guān)的特性達(dá)到信號傳輸速率翻倍的效果。為了同時(shí)表征信號的幅度和相位信息，我們引入了星座圖的概念。星座圖的橫坐標(biāo)對應(yīng)調(diào)制信號的同相分量I，縱坐標(biāo)對應(yīng)調(diào)制信號的正交分量Q。(前文中的OOK就是將坐標(biāo)原點(diǎn)作為信號0，I軸上值為1的點(diǎn)作為信號1的調(diào)制技術(shù))QPSK、16QAM和64QAM的矢量圖如下所示：

  我們通過下圖的架構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)IQ調(diào)制的效果。在相干光調(diào)制中，Osc是由本地未調(diào)制的窄線寬激光器加偏振分束器構(gòu)成，然后通過外置的調(diào)相器實(shí)現(xiàn)編碼和定量的相位延遲，最后合路輸出。需要注意的一點(diǎn)是偏振分束器會產(chǎn)生兩路相互正交的偏振光，每一路均可以進(jìn)行QAM調(diào)制，從而達(dá)到DP的效果。因此DP-QPSK的帶寬利用率是相同波特率NRZ幅度調(diào)制的4倍。

  既然可以通過輸入NRZ信號來產(chǎn)生QPSK信號，我們也能通過輸入高階幅度調(diào)制信號生成更高階的QAM信號。下圖中即為通過輸入一對PAM4信號來調(diào)制輸出16QAM信號的原理圖。借助飛速發(fā)展的DSP芯片技術(shù)，我們可以很方便地生成更高階QAM信號。

  類比無線通信，我們也是通過EVM(Error Vector Magnitude)來評估相干光發(fā)射機(jī)信號的質(zhì)量。如下圖所示，實(shí)際輸出的信號會在相位和幅度上偏離理想位置，我們通過EVM反映了實(shí)際信號偏離其理想位置的比例。

  在考慮存在EVM后，我們實(shí)際測到的發(fā)送端QPSK、16QAM和64QAM的矢量圖可能會劣化到下圖這個(gè)樣子。不難發(fā)現(xiàn)，越是高階調(diào)制對EVM的要求越高，目前主流的400G相干光調(diào)制不會超過16QAM，同時(shí)我們也會像PAM4一樣借助FEC算法降低QAM調(diào)制對EVM的要求。未來64QAM能否在800G以上速率得以廣泛應(yīng)用需要綜合考慮市場需求以及光電芯片的性能和成本。

  上面介紹的矢量圖看起來都比較復(fù)雜，但是其本質(zhì)上都是通過對光載波進(jìn)行相位調(diào)制得到的，只是調(diào)制的復(fù)雜程度不一樣而已。為了和OOK進(jìn)行對比，我們分析一下2PSK場景下的誤碼率。其星座圖和波形如下所示，和OOK相比2PSK的1對應(yīng)載波不變，0對應(yīng)載波由消失變成幅度不變的180度反向輸出。

  相干光解調(diào)方式也比上面的包絡(luò)檢測要復(fù)雜一些。典型的零差檢測系統(tǒng)如下所示，會需要用到和發(fā)送光源相干的光源2cosωc(t)進(jìn)行混頻以提取光信號中的相位成分。由于本地相干光源功率可以調(diào)的非常高，靈敏度只和經(jīng)過信道衰減后載波的幅度呈線性相關(guān)。而上面的包絡(luò)檢測卻是和衰減后載波幅度平方(光功率)相關(guān)聯(lián)。這個(gè)混頻效應(yīng)可以大大提升相干光解調(diào)的靈敏度(20dB以上)。經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，我們可以得到2PSK的誤碼率為

  r為解調(diào)器輸入端的信噪比。

  最后一步我們以 信噪比r為橫坐標(biāo)，誤碼率Pe為縱坐標(biāo)分別畫出OOK和2PSK對應(yīng)的曲線，并對比差異?？梢园l(fā)現(xiàn)為了達(dá)到相同誤碼率，2PSK比OOK對高斯白噪聲的容忍能力要好6dB以上。同時(shí)我們也考慮到非相干通信遠(yuǎn)距離傳輸場景需要用到大量EDFA等器件進(jìn)行中繼以補(bǔ)償光纖衰減和色散等效應(yīng)，提升了成本并降低了可靠性。而相干傳輸可以十分方便地利用DSP算法進(jìn)行相位補(bǔ)償，理論上可以將靈敏度做到量子極限。

  安立公司緊隨相干光發(fā)展的趨勢，在40/100G DP-QPSK時(shí)代即推出了MP1800A誤碼儀用于同時(shí)輸出和檢測多路相干調(diào)制信號。通過最新推出的MP1900A誤碼儀搭配Quantifi Photonics的相干光發(fā)射/接收器以及Tektronix高帶寬實(shí)時(shí)示波器即可滿足當(dāng)前400G相干光需求，且未來可通過板卡升級支持800G、1.6T的應(yīng)用。

  另外安立公司的模塊化光電矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ME7848A也可以用于評估相干光器件的帶寬，測量范圍高達(dá)70kHz~70GHz。其矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主機(jī)部分最高支持到220GHz，隨著未來更高帶寬外置OE/EO的推出，可不斷擴(kuò)展更高速光器件的測試能力。

  參考文獻(xiàn)：

  1.Trends in Telecommunications Technologies

  作者：張昊，安立公司高級應(yīng)用工程師