摘要：PM-QPSK技術具有高的頻譜效率，將傳輸符號的波特率降低為二進制調(diào)制的四分之一,并能使光信噪比極大改善，可以用強大的DSP來處理極化模復用信號。文章分析了PM-QPSK技術調(diào)制和解調(diào)的基本原理，對100G系統(tǒng)中接收機前端解調(diào)器" title="光解調(diào)器">光解調(diào)器進行詳細分析。
關鍵詞： 偏振復用正交相移鍵控；解調(diào)器；平面光波導回路
引言
PM-QPSK(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying,偏振復用正交相移鍵控)的信號在接收側采用相干檢測技術可以實現(xiàn)高性能的信號解調(diào)，和直接解調(diào)、差分解調(diào)方式相比，相干檢測所使用的本地激光器的功率要遠大于輸入光信號的光功率，所以光信噪比可以極大地改善[1]。特別是相干檢測技術充分利用強大的DSP(Digital Signal Processing,數(shù)字信號處理)技術來處理極化模復用信號，可以通過后續(xù)的數(shù)字信號處理補償并進行信號重構，可以還原被傳輸?shù)男盘柕奶匦裕O化模、幅度、相位），大幅度消除光纖帶來的傳輸損傷，如PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）容忍度達30ps,無需線路色散補償就可以容忍幾萬ps/nm,相比與其他的100G傳輸方案，如非相干PM-DQPSK或OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用技術)，PM-QPSK結合相干檢測提供了最優(yōu)化的解決方案,這被大多數(shù)的系統(tǒng)供應商選擇為100G傳輸方案。
PM-QPSK調(diào)制原理
四進制移相鍵控(QPSK)是一種多元(4元)數(shù)字頻帶調(diào)制方式，其信號的正弦載波有4個可能的離散相位狀態(tài)，每個載波相位攜帶2個二進制符號，第n個時隙的QPSK信號可以表達為：
(1)
其中，A是信號的振幅，為常數(shù)；θn為受調(diào)制的相位，其取值有四種可能，具體值由該時隙所傳的符號值決定；fc是載波頻率；Ts為四進制符號間隔。QPSK常用的四種相位值有兩套，分別稱為A方式和B方式，若
，則為0、π/2、π、3π/2，此初始相位為0的QPSK信號的矢量圖如下圖1中A方式；若
，則為π/4、3π/4、5π/4、7π/4，此初始相位為π/4的QPSK信號的矢量圖如下圖1中B方式。QPSK調(diào)制是響應進入的碼對(00、01、10、11)，對光載波作相移，表1給出了四元符號對應的兩個比特和A、B兩套相位值[2]。
單個100Gbps被分為兩個極化模式-TE(橫電模)與TM(橫磁模)的兩個50Gbps流，這一步驟產(chǎn)生出相同頻率的兩個載波，然后每個載波做QPSK調(diào)制，由于QPSK調(diào)制將2個比特封裝在一個符號內(nèi)，兩個極化的模式可以分別得到兩個25G符號/秒的流，總計為100Gbps。由于QPSK信號是以兩個極化面且以復用的極化模形式傳輸，因此它可以叫做DP-QPSK(雙極化QPSK)，或叫PM-QPSK(極化模式QPSK)。
圖1 QPSK A和B 兩種方式矢量圖
表1 QPSK的兩套相位值
相干接收PM-QPSK調(diào)制解調(diào)過程
PM-QPSK在偏振態(tài)、相位和波形多個維度進行調(diào)制，具有較大的自由度且每個維度復雜度較低，發(fā)射機工作過程如下：連續(xù)激光器發(fā)出的光信號等分后作為兩個QPSK調(diào)制器的載波光源，數(shù)據(jù)經(jīng)QPSK編碼、驅(qū)動放大和低通濾波驅(qū)動后驅(qū)動QPSK調(diào)制器；兩路經(jīng)QPSK調(diào)制后輸出的光信號在偏振態(tài)正交化后由偏振合束器匯聚為一路光波信號進入線路。可在連續(xù)激光器和分光器之間引入脈沖發(fā)生器，通過改變光脈沖形狀進一步抑制和補償光傳輸損傷。其過程如圖2所示。
數(shù)字相干接收機將傳輸通道設計的復雜度轉移到了接收機。數(shù)字相干接收機通過相位分集和偏振態(tài)分集將光信號的所有光學屬性映射到電域，利用成熟的數(shù)字信號處理技術在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復用和通道線性損傷（CD、PMD）補償，簡化傳輸通道光學色散補償和偏振解復用設計，減少和消除對光色散補償器和低PMD光纖的依賴。
圖2 PM-QPSK調(diào)制解調(diào)過程
數(shù)字相干接收機工作過程如下：本振激光器發(fā)出的光信號等分后作為兩個90°混頻器的相干光源；線路輸入光信號經(jīng)偏振分束器分為兩路偏振態(tài)相互正交的光信號分別進入兩個90°混頻器與本振光信號產(chǎn)生干涉；混頻器輸出光信號經(jīng)平衡接收光電二極管轉換為模擬電信號，經(jīng)高速模數(shù)轉換器采樣量化后轉換為數(shù)字信號；數(shù)字信號在數(shù)字信號處理器中完成數(shù)據(jù)恢復[3]。
PM-QPSK光解調(diào)器
PM-QPSK光學解調(diào)器部分較為復雜，采用偏振分集內(nèi)差檢測，將光學屬性映射到電域以解析光調(diào)制格式的信息。內(nèi)差檢測與零差檢測結構相似，利用90°光混頻器與本征混頻同時提取信號的同相分量和正交分量，通過電信號處理消除相位噪聲，從而實現(xiàn)信號調(diào)制相位的檢測和解調(diào)，放寬了對本振激光器與發(fā)射機激光器的頻率相位一致性要求，兼具零差檢測和外差檢測的優(yōu)點。
在本文所介紹的100G傳輸系統(tǒng)中，接收機前端光學解調(diào)器結構示意圖如圖3所示。
圖3 PM-QPSK光解調(diào)器結構示意圖
其中本地振蕩源的光信號和從光纖中接收到的信號光分別經(jīng)過2個PBS結構，將兩路光信號分別分為2個正交的極化模式，四路光信號可以表示為：
（2）
其中Esx,Esy,ELO.x,ELO.y分別表示信號光和本地振蕩源的TE、TM模式的光信號，α表示信號光TE模所占比例，δ表示初始相位，ws表示信號光角頻率，As表示信號光的振幅。
信號光和本地振蕩源的TE、TM模光信號，分別進入對應的90°混頻器，所得到的檢測信號分別為：
(3)
再經(jīng)過平衡光電探測器，最后所得到的差分電流可以表示為：
(4)
這樣就將光學屬性轉移到電域中，通過對電信號的后期數(shù)字處理，就可以解調(diào)出所需的信息。
根據(jù)這種結構，可以用自由空間集成光學和平面光波導回路(PLC)這兩種技術來實現(xiàn)這種光學解調(diào)器模塊，但是傳統(tǒng)的自由空間集成光學技術設計出的PM-QPSK光解調(diào)器，體積較大，而且對大范圍溫度變化敏感，而用PLC技術制作的PM-QPSK光解調(diào)器不僅可以實現(xiàn)全部的光學功能，而且能將保偏光波導(PBS)與90°混頻器單片集成，大幅度降低了器件的尺寸，且穩(wěn)定性好，易于集成。
這種用PLC技術設計的單片集成解調(diào)器芯片結構有以下兩種方案，第一種方案如圖4(a)所示，首先輸入信號通過一個基于MZI(馬赫曾德干涉)結構的PBS，將輸入信號分為TE和TM兩個偏振態(tài)(此為第一級偏振分束),并沿上下兩個支路傳播，這兩路偏振信號再分別經(jīng)過2個PBS結構，使得TE模和TM模進一步分開(此為第二級偏振分束)，通過這兩級偏振分束可以大幅度改善偏振消光比。上支路傳播的TE模信號光，經(jīng)過一個與主軸成45°的半波片，轉化為TM模信號，另一方面，我們將從本地振蕩源輸入的光控制為TM模式，這個輸入的光信號經(jīng)過一個3dB耦合器，分為上下兩路光信號，并與上支路轉化的TM模信號光和下支路的TM模信號光一起分別導入上下兩個90°混頻器，并解調(diào)輸出8路光信號。在OFC2010上,Furukawa公司按這種方案設計制作出的芯片尺寸可以達到25×21mm,最小偏振消光比33.2dB[4]。
第二種方案如圖4（b）所示，這種設計方案采取相對折射率為Δ=1.8%的硅基二氧化硅波導材料，因為隨著Δ的增加，在波導的強折射率限制下，波導的彎曲半徑可以變小， 當Δ=1.8%時，可使波導彎曲程度最大，且彎曲損耗最理想，此時彎曲半徑為1200um，為傳統(tǒng)的結構彎曲半徑的一半，這樣可以大幅度降低芯片尺寸，并且只用一級偏振分束，就能將TE與TM模信號較好的分離。NTT公司在EOCO2010會議,按這種方案設計制作出的超小型芯片尺寸可以達到12×12mm,符合了OIF對光學解調(diào)器尺寸的要求[5]。
圖4 兩種方案波導結構圖
總結
100G技術已經(jīng)成熟，市場已經(jīng)初步形成，用PLC技術制作成的光前端數(shù)字相干接收機，是實現(xiàn)100G高速信號解調(diào)必不可少的器件，具有極大地研究價值。本文介紹了PM-QPSK的原理，及數(shù)字相干發(fā)射機和接收機的工作原理，并詳細分析了接收機前端光PM-QPSK解調(diào)器的原理，并介紹兩種基于PLC技術的解調(diào)器芯片的設計方案。
參考文獻
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