光纤通信原理-相干光通信

第9章 相干光通信

引入：为什么要发展相干光通信？相干光通信的理论和实验始于20世纪80年代。9.1相干光通信9.1相干光通信 9.2高级光调制格式 9.3光信号的相干检测 9.4集成可调谐窄频激光器 9.5集成相干接收器 9.6高速数字信号处理 9.7光子集成芯片 9.8100G/400G光模块9.1相干光通信

9.1.1光调制技术9.1.2相干光通信9.1.1光调制技术

幅移键控（ASK）是以基带数字信号控制载波的幅度变化的调制方式。频移键控（FSK）是以基带数字信号控制载波频率变化的调制方式。相移键控（PSK）是以基带数字信号控制载波频率变化的调制方式，基带信号只控制光载波的相位变化，而振幅和频率保持不变。9.1.2相干光通信

1.相干光通信系统在发送端，用外调制方式将电信号以调幅、调相、或调频的方式调制到光载波上，调制后的光信号经过光纤链路传输后到达接收端；在接收端，光信号与本振光在90°混频器中进行相干混合，经过光检测器转换后的电信号被模数转换芯片（ADC）采样，送进数字信号处理芯片进行数字信号处理（DSP），实现数据的恢复。2.相干光通信的关键技术(1)窄线宽光源(2)高级光调制MPSK，MQAM(3)平衡接收(4)高速数字信号处理(5)偏振控制(6)非线性串扰控制3.相干光通信的优点(1)灵敏度高，中继距离长在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约10～20dB(2)波长选择性好，通信容量大(3)支持多种调制方式，提高了频谱利用率(4)电域内处理信号9.2高级光调制格式

9.2.1多进制相移键控9.2.2多进制正交幅度调制9.2.3脉冲幅度调制【思考与讨论】我们为什么要对传输的数字信号进行一些复杂的高级调制呢？9.2.1多进制相移键控

1．MPSK的基本原理奈奎斯特定理（Nyquist'sTheorem）1924年，奈奎斯特推导出理想低通信下，最高码元传输速率为2WBaud，其中W是理想低通信道的带宽。也就是说，每赫兹带宽的最高码元传输速率为每秒2个码元。对于编码方式的码元状态数为M，信道极限信息传输速率（信道容量）为奈奎斯特定理告诉我们要想增加信道的比特传送率有两条途径，一方面可以增加该信道的带宽，另一方面可以选择更高的编码方式。多进制数字相位调制简称多相制调制，它是用正弦波的M个相位状态来代表M组二进制信息码元的调制方式，包括多相位相移键控信号（MPSK）和多相位差分相移键控信号（MDPSK）。M表示每个码元可能的相位状态数，每个码元含有n比特，M满足M=2n，故采用这种调制格式时，比特率是波特率的n倍。M相调制波的时域形式可以表示为：所有码元的波形时序构成M相调制波的信号时域波形。一般用带箭头的线条来表示正弦载波信号的波形变化，相当于一个矢量以角速度逆时针旋转的投影的变化。箭头的长度是正弦波的振幅，也就是矢量的模；是正弦波的角频率；而模和横轴的夹角是正弦波的瞬时相位。通常把调制信号矢量端点在空间中的分布形式称为调制星座图BPSK、QPSK和8PSK的调制星座图QPSK规定了4种载波相位，分别为π/4、3π/4、5π/4、7π/4，每个载波相位携带2个二进制码元，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四进制的载波相位配合起来，则需要把二进制数据变换为四进制数据，也就是说，需要把二进制数字序列中每2比特分成一组，共有4种组合，即00、01、10、11，其中每一组称为双比特码元。每个双比特码元由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制4个码元中的一个码元。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的4种相位来传递的，显然，这比BPSK的比特率提高了一倍。2.IQ调制在该双平行调制器中，输入信号被平分为两路，每一路都通过一个相对低速的相位调制器。其中一路信号经过90°移相后与另一路相加，通过干涉效应，得到的信号再结合后形成QPSK信号，这种调制也称为IQ调制。I表示In-phase，是同相或实部，Q表示Quadrature，是正交相位或虚部，IQ调制器幅度IQ调制器相位3.QPSK信号在发射机中，基带信号经过串并转化后得到I、Q两路速率减半的二电平信号，分别通过MZM调制器，得到两路BPSK信号，其中一路信号经过90°相移后与另一路相加，得到QPSK调制的4个相位状态。QPSK调制的实质是输入的码对（00、01、10、11）对光载波做相移，最后得到相位分别为π/4、3π/4、5π/4、7π/4的光载波。4.偏振复用-正交相移键控第一路光信号正交偏振的第二路光信号携带独立信息，在同一光纤上传输。这样就实现了双通道并行传输，传输带宽加倍，而不需要第二个光纤PM-QPSK把1个光信号分离成2个偏振方向，再把信号调制到这两个偏振方向上。相当于数据做了“1分为“2”的处理，速率降低一半；QPSK，—个相位就表示2个数字比特，也相当于对数据做了“1分为2”的处理，速率降一半。【讨论与创新】如果想再提高传输速率，能使用16PSK，32PSK，64PSK吗？9.2.2多进制正交幅度调制

1.多进制正交幅度调制QAM是英文QuadratureAmplitudeModulation的缩略语，中文的意思为正交幅度调制，是一种数字调制方式。多进制正交振幅调制（MQAM）的时域波形表达式为MQAM调制信号的矢量端点在信号空间中的分布有很多种形式，通常把调制信号矢量端点在空间中的分布形式称为调制星座图。4QAM、8QAM以及16QAM的调制星座图16QAM是指包含16种符号的QAM调制方式，对于16QAM，n=4，因此有16个符号，每个符号是4bit，比如0000、0001、0010等，如图9-9所示，16QAM星座图是由I路和Q路信号组合所得到的16个点。2.MQAM调制的实现16QAM调制16QAM调制可以用下面的方法来实现一种是使用任意波形发生器（AWG，ArbitraryWaveformGenerator），输入的二进制电信号通过AWG产生四阶强度信号，通过IQ调制器，分别对相位差90°的I路光、Q路光进行多阶强度调制，这样I路、Q路光混合后产生0～π/2区间的星座点，同时AWG输出一路电信号驱动级联的相位调制器，使得IQ调制器输出的光信号相位发生旋转，最终生成16QAM光信号。第二种调制方案的通用模型如图9-10所示，当n=2时，实现16QAM调制，先产生QPSK信号，然后使用光衰减器，衰减信号具有不同的幅度，然后两路QPSK信号耦合生成16QAM信号。目前，实验室里已经实现1024QAM调制方式，先利用高精度AWG产生基带1024QAM信号，然后再通过IQ调制器将基带1024QAM信号调制到光上，实现光1024QAM的调制。目前，线路侧单波速率400G/800Gb/s的相干光模块，采用16QAM/64QAM调制技术。【讨论与创新】这里有一个有趣的问题，在移动通信4G和5G里面也有QPSK和QAM编码技术，光纤通信也有这样的编码技术，它们到底有什么不同呢？9.2.3脉冲幅度调制

脉冲幅度调制（PAM，PulseAmplitudeModulation）是下一代数据中心高速信号互连的热门的信号传输技术，可以广泛应用于200G/400G/800G接口的电信号或光信号传输。PAM4调制方式采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个码元可以表示2个bit的逻辑信息（0、1、2、3）。由于PAM4信号每个符号周期可以传输2bit的信息，因此要实现同样的信号传输能力，PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可，因此传输通道对其造成的损耗大大减小。9.3光信号的相干检测

9.3.1相干检测原理9.3.2PM-QPSK的相干检测 9.3.3信噪比和误码率引入直接检测的光电流只提供光振幅的信息，因此我们需要用更复杂、更全面的方法来检测包括相位信息在内的完整光场信息，究竟该如何检测一个光信号的相位呢？我们需要借助一个本地光源来检测光信号的相位。9.3.1相干检测原理

相干光检测原理信号光的光场本振光的光场信号光和本振光混合后的输出光功率1.零差检测若零差检测信号平均光功率与直接检测信号平均光功率之比为由于本振光没有经过传输，所以，零差检测接收光功率可以放大几个数量级，使接收机的灵敏度大大提高，约为10～25dB。虽然噪声也增加了，但是灵敏度仍然可以大幅度提高。2.外差检测与零差检测相似，外差检测接收光功率放大了，从而提高了灵敏度。外差检测信噪比的改善比零差检测低3dB，但是接收机设计相对简单，因为不需要相位锁定。2.外差检测9.3.2PM-QPSK的相干检测【思考】在相干光通信中，相干检测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方向，也就是说，两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度；否则，会使相干检测灵敏度下降。在这种情况下，因为只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方向上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。若失配角度超过60°，则接收机的灵敏度几乎得不到任何改善，从而失去相干接收的优越性。为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施：①偏振控制法，控制本振光的偏振态，使之始终与信号光保持一致；②偏振分集法，将信号光和偏振光都分成X、Y偏振方向的两部分（矢量投影）并由两个不同的光路传输，解调后再将信号合成。

1.相干接收与与平衡检测接收到的偏振复用信号经过偏振分束器（PBS），得到两个偏振态相互垂直的信号，即X路信号和Y路信号。每路信号都与一个进行90°混频，得到个偏振态和相位都正交的光信号。每个分支上产生的信号由一个光电二极管检测，进行光电转换（检测、放大器和滤波器），然后利用这两种光电流之间的差，进行数字信号处理。相干解调后的两路并行码元经过并串转换后成为原始的二进制数据输出。2.PM-QPSK信号的解调过程信号光本振光平衡光检测器，最后所得到的差分电流平衡光检测器之后得到的电信号，包括原来光信号的幅度和相位信息，这样就将光学相位属性转移到电域中。接下来，就要将这4路电信号进行ADC转换（采样和量化），并在DSP单元进行处理，通过对电信号的后期数字处理，最终解调出所需的信息。9.3.3信噪比和误码率

系统总平均噪声功率（均方噪声电流）外差检测的信噪比零差检测的平均信号光功率是外差检测的2倍，所以零差检测的信噪比零差检测误码率PSK的零差检测误码率PSK在零差检测的情况下，每比特光子数等于9，很容易实现。因此相干检测接收机的灵敏度至少比直接检测高20dB以上，这是因为借助增加本振光功率，使散粒噪声占支配地位的结果，提高了灵敏度，这也是相干光通信技术的真正的优势！9.4集成可调谐窄频激光器

集成可调谐窄频激光器（ITLA，IntegratableTunableLaserAssembly）一般采用半导体外腔激光器结构，通过腔内可调滤波器选择工作波长。腔内可调滤波器可由一个高稳定的栅格滤波器（ITU-TGridF-P）和一个基于微电子机械系统（MEMS）微镜组成，同时通过一个低压驱动的PZT和基于反馈的控制方法，灵活调整腔长，实现激光器输出波长可调谐。9.5集成相干接收器

集成相干接收器（ICR）包括偏振分束器、信号光和本振光输入、90°混合器、单片集成平衡光检测器以及线性带差动输出的跨阻抗放大器（TIA）。器件一般会采用紧凑的表面安装，在信号输入端有一个用于输入信号监测的光电二极管以及可变光衰减器。9.6高速数字信号处理

高速数字信号处理（DSP）的主要功能如下：(1)高速模数转换电路（ADC）(2)时钟同步模块(3)载波频率恢复(4)数据恢复9.7光子集成芯片

9.7.1光子集成技术9.7.2100G光子集成芯片光子集成电路（PIC，PhotonicIntegratedCircuit）照集成的元器件是否采用同种材料，PIC可分为单片集成和混合集成。按集成方式上划分，可以分为光子集成电路（PIC）和光电集成（OEIC）。光子集成电路技术是光纤通信最前沿、最有前途的领域，在未来的高速率、大容量信息网络体系中，光子集成技术将成为关键技术。9.7.1光子集成技术

硅（Si）光子集成SOI基板由三层构成：薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻电路，相当薄的绝缘二氧化硅中间层，非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑。2.磷化铟（InP）集成磷化铟是继硅和砷化镓之后又一重要的III-V族化合物半导体材料。9.7.2100G光子集成芯片

1.100G光子集成芯片偏振分束器把发送光分为X偏振和Y偏振两路，利用两个MZ干涉调制器和90°移相器实现IQ调制。InP-PIC光子集成芯片包括4ch高速模拟信号的DSP芯片信号的相干接收机（ICR）。包括一个偏振分束器（PBS），一个分束器（BS），两个90°混频器，八个光电二极管（PD），四个互阻抗放大器（TIA）。2.100G硅光子单芯片【讨论与创新】光子集成电路（PIC）是如何设计和制造的？OptSimCircuit软件为光子集成电路（PIC）提供了一个理想的技术仿真设计平台，OptoDesigner软件专注于可制造的集成设计环境，实现高效、高质量的PIC器件的开发。OptSimCircuit和OptoDesigner之间的接口为用户提供了从PIC设计到掩模版布局的无缝路径。另外，在一个通用的制造方法中，还需要通过工艺设计工具包（PDKs）给用户提供高性能的标准工艺，软件供应商已开始与晶圆厂合作提供工艺设计工具包。9.8100G/400G光模块

9.8.1客户侧光模块9.8.2线路侧光模块9.8.1客户侧光模块

1．100G光模块标准命名规则：XXXGBASE-mRn，其中：XXX表示数据速率；m表示传输距离；n表示通道数。例如：100GBASE-LR4名称中，LR表示LongReach，即10km；4表示四通道，即4×25Gb/s，组合在一起为可以传输10km的100G光模块。100GBASE-SR10光模块100GBASE-SR4光模块100GBASE-LR4光模块①100GBase-SR10光模块100GBase-SR10标准使用10×10Gb/s并行通道实现100Gb/s的点对点传输，电信号的传输速率为10Gb/s，光信号的传输速率也为10Gb/s，采用NRZ的调制方式及64B/66B的编码方式。①100GBase-SR10光模块。

②100GBase-SR4光模块单个波长的传输速率为25Gb/s，目前100GBase-SR4已经取代100GBase-SR10成为主流的短距离100G光模块标准。100GBase-SR4QSFP28光模块在发送端传输信号时，电信号经激光器阵列转换为光信号，然后在带状多模光纤上并行传输，在到达接收端时，光检测器阵列将并行光信号转换成并行电信号。③100GBase-LR4光模块其原理如图9-21所示。100GBase-LR4QSFP28光模块将4路25Gb/s电信号转换为4路LAN-WDM（简写为LWDM）光信号，然后将其复用为单通道，实现100Gb/s光传输。④100GBase-ER4光模块传输速率为25Gb/s，采用单模光纤，传输距离为40km。100GBase-SR4和100GBase-LR4是IEEE定义的最常用的100Gb/s接口规范。但是对于大型数据中心内部的互联场景，100GBase-SR4支持的距离太短，不能满足所有的互联需求，而100GBase-LR4成本太高。因此，MSA为市场带来了中距离互联的解决方案，PSM4和CWDM4应运而生。①100GBase-PSM4QSFP28光模块这是一款高速度和低功耗的产品，专门用于数据通信应用中的光互联。它符合100GPSM4MSA光接口规范，有可热插拔的QSFP外形，内置数字诊断功能，共有4个独立的全双工通道，每通道可达25.78Gb/s的传输速率，传输距离可达500m。②100GBase-CWDM4QSFP28光模块它的传输速率为103.1Gb/s，主要应用于计算中心等领域，其成本明显高于100GBase-PSM4QSFP28光模块。通过粗波分复用（CWDM）技术，该光模块将1271nm、1291nm、1311nm和1331nm这4种波长复用到一根单模光纤上进行传输，传输距离为2km。2.100G光模块的封装CFP系列光模块可插拔（CFP）是一个多源协议（MSA），是一种高速的可热插拔的支持数据通信和电信传输两大应用的新型模块标准。其中拉丁文字母C用来表示数字100（Centum），因此这个标准主要用于100G以太网系统的开发。CFP2的尺寸仅CFP的一半，电接口可以支持单路10Gb/s，也可以支持单路25Gb/s甚至50Gb/s，通过10×10Gb/s、4×25Gb/s、8×25Gb/s和8×50Gb/s电接口实现100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s的模块速率。CFP4的尺寸又缩减为CFP2的一半，电接口支持单路10Gb/s和25Gb/s，通过4×10Gb/s和4×25Gb/s实现40Gb/s及100Gb/s的模块速率。CFP4光模块兼容MSA协议，支持CFP2，与CFP2同样的速率，传输效率明显提升，但耗电量大幅下降。(2)QSFP/QSFP28光模块QSFP表示四通道SFP接口，是英文QuadSmallForm-factorPluggable的缩略语QSFP（QuadSmallForm-factorPluggable）表示4通道SFP接口，QSFP是为了满足市场对更高密度的高速可插拔解决方案的需求而诞生的，这种4通道的可插拔接口的传输速率可达到40Gb/s。QSFP28光模块即4通道小型可插拔光模块，它提供4个通道的高速差分信号，数据传输速率从25Gb/s到潜在的40Gb/s，满足100Gb/s以太网（4×25Gb/s）和100Gb/s4XInfiniBand增强传输速率（EDR）的要求。QSFP28光模块的传输距离较短，成本相对CFP系列较低，体积比CFP4小30%左右。QSFP28光模块和QSFP28互联线缆是专为光通信、数据中心和网络市场应用而设计的高密度、高速率的产品解决方案。QSFP28封装光模块如图9-23所示。目前，QSFP28是数据中心内部100G光模块的主流封装形式。3.400G光模块标准CFP8是专门针对400G提出的封装形式，其尺寸与CFP2相当。支持25Gb/s和50Gb/s的通道速率，通过16×25Gb/s或8×50Gb/s电接口实现400Gb/s模块速率。OSFP（OctalSmallFormFactorPluggable）封装，“O”代表“八进制”，2016年11月正式启动。它被设计为使用8个电气通道来实现400GbE（8×56GbE，但56GbE的信号由25Gb/s的DML激光器在PAM4的调制下形成），尺寸略大于QSFP-DD。OSFP和QSFP-DD封装都可以提供8路电信号接口。QSFP-DD，DD指的是“DoubleDensity（双倍密度）”。将QSFP的4通道增加了一排通道，变为了8通道。电口侧都是8路53Gb/sPAM4信号。光口侧情况稍微复杂一些，对于400G-SR8/FR8/LR8等模块来说，光模块内部只是做CDR（时钟恢复）以及电/光或光/电转换，因此光口侧与电口测一样，也是8路53Gb/sPAM4信号。400G光模块应用分类如下：(1)机框间互联以长度为30～100m的多模光纤（MMF）作为传输通道，可以采用16×25Gb/s垂直腔表面发射激光器（PSM16），它们的中心波长为840～860nm作为光模块技术（400GBASE-SR16），以便形成400GE方案。(2)数据中心互联以长度为500m～2km的单模光纤（SMF）作为传输通道，通过4×l00Gb/s方式（PSM4）形成400GE方案，采用4×l00G并行单模互联以满足至少500m的传输。(3)运营商机房间互联以长度为2～10km的单模光纤作为传输通道，采用8×50Gb/s（PAM4方案）或4×l00Gb/s。(4)城域核心网及汇聚层以长度为10～40km的单模光纤作为传输通道，采用8×50Gb/s（PAM4方案）或4×l00Gb/s。9.8.2线路侧光模块

1.100G线路侧光模块(1)发送部分100GPM-QPSK光模块的光信号发送原理如下：发送单元通过FEC编码器（FramerFECCoder）将需要传输的客户数据（Client）进行编码并分成X和Y两路，QPSK编码器（QPSKCoder）产生的数据输出到驱动器（Driver）上，驱动器输出信号加载到IQ调制器上。相干光纤传输系统线路侧光发送光源使用窄线宽可调谐激光器ITLA（TuableLaser）。可调谐激光器输出的连续光，集成式IQ调制器由两个MZM和一个90°相移器组成，其集成器件已经商用化。通过一个偏振分束器（PBS）后，激光器发出的信号被分为垂直和水平两个偏振态，每个偏振态分别由一个IQ调制器对该光波进行调制。两路经IQ调制器后输出的光信号在偏振态正交化后由偏振合束器（PBC）汇聚为一路光波信号后，得到112Gb/s的信号，通过光纤发送出去。(2)接收部分100GPM-QPSK光模块相干检测接收部分框图如图9-26所示。相干检测接收的关键组件是相干检测光子集成芯片（PIC），PIC包括4通道高速模拟信号平衡接收器、一个偏振分束器（PBS）、一个分束器（BS）、两个90°混频器（HybrideMixer）、8个光电二极管（PD）和4个互阻抗放大器（TIA）。接收到的光信号（Signal）通过一个偏振分束器（PBS）分解成两个正交信号。相干接收侧使用一个高稳定度的本地振荡激光器（LO），该本振光的载波频率控制精度为数百kHz。本振光的信噪比要远优于输入光信号的信噪比，改变本振光的“纯度”，就可提升接收端光信噪比约2dB的改善，本振光通过偏振保持光纤（PMF）接入集成相干检测接收机（ICR）。90°混频器是相干光接收端进行相位混频以解调光信号的器件，每个正交信号都与一个本振光混频。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（ADC）采样量化后转换为数字信号。在完成高速、高分辨率的模数转化后，接收器使用基于CMOS的数字信号处理（DSP）芯片来区分和跟踪这些信号。数字信号通过DSP芯片数字均衡的方式实现定时恢复、信号恢复、极化和PMD跟踪、色散补偿。相干光接收模块有DCO与ACO两种不同之处是DCO模块内置了DSP芯片，而ACO模块将DSP芯片放在线路卡上。ACO体积小了，功耗也低了，但后面的信号处理有不同的算法。DCO模块的数字接口更容易集成到现有网络设备，并支持现场可插拔，不需要复杂的校准，插拔式器件提供了更大的灵活性。2.400G线路侧光模块(1)4×100G传输方案，基于100GPM-QPSK多载波调制，在1个400G波道里包含4个100G子波，含FEC的符号速率为32GBaud。(2)2×200G传输方案，基于200GPM-1