100G光调制接收技术简介
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目录
☼ 简介 ☼ 通道损伤 ☼ 调制技术 ☼ 相干接收 ☼ 均衡补偿 ☼ 纠错编码 ☼ 相关标准
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调制技术及其频谱效率
☯
相同数据率情况下，调制符号所表示的比特数越大，所需符号传输的波特率越小，所需传输带宽越窄， 频谱效率越高；
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相干接收PM-QPSK调制
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PM-QPSK在偏振态、相位和波形多个维度进行调制，具有较大的自由度且每个维度的复杂度较低；数 字相干接收机将传输通道设计的复杂度转移到了接收机。数字相干接收机通过相位分集和偏振态分集将 光信号的所有光学属性映射到电域，利用成熟的数字信号处理技术在电域实现偏振解复用和通道线性损 伤（CD、PMD）补偿，简化传输通道光学色散补偿和偏振解复用设计，减少和消除对光色散补偿器和 低PMD光纤的依赖。 调制过程如下：连续激光器发出的光信号等分后作为两个QPSK调制器的载波光源；数据经QPSK编码、 驱动放大和低通滤波驱动后驱动QPSK调制器；两路经QPSK调制后输出的光信号在偏振态正交化后由偏 振合束器汇聚为一路光波信号进入线路。可在连续激光器和分光器之间引入脉冲发生器，通过改变光脉 冲形状进一步抑制和补偿光传输损伤。 数字相干接收机工作过程如下：本振激光器发出的光信号等分后作为两个90°混频器的相干光源；线路 输入光信号经偏振分束器分为两路偏振态相互正交的光信号分别进入两个90°混频器与本振光信号产生 干涉；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，经高速模数转换器采样量化后转换 为数字信号；数字信号在数字信号处理器中完成数据恢复。 囿于当前电子技术水平，高速ADC和DSP为数字相干接收实现的关键和难点，其电源完整性设计和低功 耗设计非常关键。
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100G调制接收方案特性比较
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☼ 简介 ☼ 通道损伤 ☼ 调制技术 ☼ 相干接收 ☼ 均衡补偿 ☼ 纠错编码 ☼ 相关标准
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100G光调制接收技术简介
冯勇华
烽火通信光网络产品部 2010年12月
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☼ 简介 ☼ 通道损伤 ☼ 调制技术 ☼ 相干接收 ☼ 均衡补偿 ☼ 纠错编码 ☼ 相关标准
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☼ 简介 ☼ 通道损伤 ☼ 调制技术 ☼ 相干接收 ☼ 均衡补偿 ☼ 纠错编码 ☼ 相关标准
色度色散
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11
脉冲通过光纤后脉冲变宽，其能量在时间上发散的现象称为色散； 色散导致前后光脉冲重叠而无法区分引起符号间干扰，限制了光传输速率和距离； 单模光纤色散因其产生的机制不同，可分为色度色散和偏振模式色散； 色度色散为一定频谱线宽的光脉冲因介质折射系数以及芯覆层结构的频率相关性所导致传播时延差异； 适度的色散可以破坏相位匹配条件，抑制非线性效应；
通道特性及其对传输信号的损伤
☯ ☯
光信号传输过程中，传输通道引起的损伤包括衰减、色度色散、偏振色散、强度噪声、相位噪声等； 随着传输速率的提升，光信号对色度色散、偏振模色散、光纤非线性效应、ROADM级联窄带滤波效 应以及光电器件缺陷更加敏感；
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马赫-曾德调制器
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16
通过外加电场改变光电介质（波导的有效折射系数对光波相位进行调制；相位调制大小与光波长，外加 电场电极长度以及光电介质波导有效折射系数的变化有关；若仅考虑普克尔效应，光电介质波导有效折 射系数的变化与外加电场呈线性关系；对特定波长相位改变$\pi$所需最小的电压变化称为$V_{\pi}$； MZM工作在差分推挽模式，可实现无啁啾幅度调制； 常见MZM光波导介质包括LiNbO_3、GaAs以及InP，其典型$V_{pi}$取值为3－6V。
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PM-(D)QPSK
☯ ☯
与传统的二进制调制不同，PM-QPSK同时在偏振态、相位和幅度多个维度进行调制，具有较大的自由 度且每个维度的复杂度较低； PM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合的方式获得十六进制（四比特）调制的效 果，将传输符号的波特率降低为二进制调的四分之一 ；
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偏振模色散
☯ ☯ ☯
12
偏振模色散源于光纤制作工艺导致的非均匀轴对称结构以及外部应力所引起的双折射系数。 光纤折射系数与光波的偏振态紧密相关，引起两正交偏振态光场的传播时延产生一定差异，即差分群时 延(DGD: Differential Group Delay )，导致光脉冲能量在时间上发散，称为偏振模色散。 差分群时延随时间、温度、波长以及外部环境变化。PMD值为差分群时延归一化统计均值。
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需求与挑战
☯ ☯
4
WDM系统容量的提升，要求提高单通道传输速率和减小通道间隔，以提高频谱效率； 带宽限制要求频谱效率最大化，非线性限制要求功率效率最大化；
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光互连结构及其发展趋势
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非相干接收PM-DQPSK调制
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发射机工作过程如下：连续激光器发出的光信号等分后作为两个QPSK调制器的载波光源；数据经 DQPSK编码、驱动放大和低通滤波驱动后驱动QPSK调制器对载波进行调制；两路经QPSK调制后输出 的光信号在偏振态正交化后由偏振合束器汇聚为一路光波信号进入线路。 接收机通过动态偏振对准控制器和偏振分离器将线路输入光信号分离为两束偏振态相互正交的光信号实 现偏振解复用，接收机无须本振激光器和混频器；差分编码的相位调制信号经马赫－曾德延时干涉仪 (MZDI)自相干转换为模拟电信号；电信号经模数转换后由数字信号处理抑制和消除非线性相位噪声，完 成色度色散以及偏振模色散的均衡补偿、符号相位重构和数据恢复。通过相邻符号相位差解调数据信息 ，对相位噪声容忍度较高，降低了对激光器线宽的要求。 由于光纤双折射的随机性使其对信号偏振态的旋转不可预测，传输通道上PMD、PDL的存在及其与非线 性、色度色散等相互作用，负面影响大于各单独作用之和。采用偏振对准的方式实现解偏振复用时， DGD的存在导致脉冲前中后各部分偏振态各异，仅当两偏振支路与接收机偏振分束器)的PSP恰好完全 对准耦合时，DGD的影响表现为两支路的时延，其偏振解复用过程不产生功率代价。因此，接收机需 动态校准输入光信号偏振态，使之与偏振分束器的偏振态主轴耦合，以减小和消除主偏振态失准而引起 的噪声和功率代价。 其偏振解复用动态对准控制实现比较复杂。
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相干接收光正交频分复用
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时间周期为T且中心频率间隔为1/T整数倍的脉冲信号在时域和频域具有正交性。可将传统的宽带光载波 通道细分为多个相互正交的窄带子载波分别进行编码调制后复用传输，以减小和消除宽带载波调制所固 有的色度色散和偏振模色散，抑制符号间的干扰。OFDM具有如下优势：①子频带割分增强对器件和模 块选择的灵活性；②导频副载波便于信道和相位估计；③极高的频谱效率和极好的可扩展性。 CO-OFDM采用光正交相位调制器作为电光转换前端，采用相干检测作为光电转换前端，兼具相干检测 和正交频分复用的优点，具有优异的频谱效率、接收机灵敏度和偏振模色散容忍度； 调制、传输和解调过程的线性变换是OFDM能够实现的关键。高峰均值功率比(PAPR)和对相位和频率 噪声极其敏感是OFDM存在的主要问题。OFDM发射光信号的峰均值功率比值随着所分割子载波的数量 增加而增大，导致光信号在光纤传输过程中的非线性效应严重，引起较大的非线性相位噪声。另外， OFDM所需高速DAC的目前几乎没有厂商提供。
☯ ☯ ☯
5
光互连结构在物理实现上可分为光域、电域和逻辑域三个层次；电域处理、光域传输，各尽其能； 软件定义光传输(SDOT) ：①无需人为干涉动态建立、调整物理链路的配置；②根据链路特性选择最优 线速率；③多种传输模式选择；④自动检测并报告信道参数和故障预警； 收发机结构将趋于固定：DSP、D/A、E/O、O/E、A/D、DSP；典型代表：OFDM；
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光纤非线性效应及其影响
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光纤折射率与光信号功率密度的相关性导致光信号频率和相位随其功率非线性变化； 光脉冲信号沿光纤通道传播过程中因CD、PMD以及与ASE相互作用引起脉冲形状发生改变，经光纤非 线性效应引起非线性相位噪声，对相位调制的信号影响严重，并随着相位调制级数增加而恶化； 光纤内光功率变化引起折射系数波动对载波相位产生调制，为自相位调制 ；交叉相位调制与自相位调 制相似，因不同频率脉冲在时间和空间上叠加引起介质折射率产生波动； 由于产生机理的差异，自相位调制可通过均衡补偿，但交叉相位调制无法有效补偿； 相位调制的光脉冲信号通过光放大器时，与其伴随产生的放大自发辐射噪声相干引起光脉冲功率波动， 经克尔效应引起非线性相位噪声，对相位调制系统影响比较显著。
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长距离光互连技术
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6
光互连性能的提升需从复用、调制、编码、均衡、线路等各个环节入手； 目前，电域处理相对于光域具有较优的性价比； 趋势：相位调制、相干接收、偏振复用、电域补偿、非线性补偿、 OFDM；
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100G WDM关键技术
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☯
要求100G在目前的10G线路上具有与10G相当的传输性能需要综合运用多维度调制解调、多维度复用解复 用技术，并最大限度地利用目前成熟的微电子技术，使其在性能、复杂度、成本以及功耗上获得平衡； 目前业界认可的关键技术包括相位调制、相干接收、偏振复用、数字信号处理(FEC,EDC)以及多载波技术 ，认同的调制方式主要有相干接收偏振复用正交相移键控、非相干接收偏振复用差分正交相移键控以及相 干光正交频分复用； 100G PM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合的方式获得十六进制调制的效果，将传 输符号的波特率降低为二进制调的四分之一，以较小的功率代价获得35GHz的带宽容限。PM-QPSK调制的 低波特率降低了ADC采样速率的要求，提高了数字信号处理技术可实现性。 相对于OOK而言，100G PM-QPSK调制相干接收可提供约6dB增益，高增益的SD FEC可提供2-3dB增益， EDC对CD和PMD的补偿可提供1-2dB增益，藉此可获得9-10dB增益以使得100G PM-QPSK调制相干接收 传输系统具有目前10G OOK系统相当的性能。
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二进制调制
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DQPSK
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偏振态复用
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两线性正交偏振态可有效复用，可进一步降低光信号传输波特率，提高频谱效率和CD、PMD容忍度， 但PMD、PDL以及SOP的控制对偏振复用非常关键； SOPMD由波长相关的偏振色度色散(PCD)和波长相关的主偏振态(PSP)变化构成，其方差正比于DGD 均值（即PMD）的四次方，对宽频谱的高波特率传输影响较大； 通道间以及通道内交叉偏振调制(XPolM)引起非线性相位噪声和去极化，改变两偏振态的相对相位进而 改变SOP，在偏振复用传输中体现为串扰噪声； 可通过相位分集和偏振态分集将光信号的所有光学属性映射到电域以解析任意光调制格式的信息。
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马赫－曾德调制器传递函数
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MZM调制器功率传递函数与电场传递函数的差异性； MZM工作在正交点，直流偏置电压为$V_{\pi}/2$，峰峰值为$V_{\pi}$，功率传递函数随调制电压单 调变化，可用于强度调制； MZM工作在最小点，直流偏置电压为$V_{\pi}*2$，峰峰值为$V_{\pi}*2$，电场传递函数随调制电压 单调变化，可用于相位调制； MZM工作在最大点，直流偏置电压为$V_{\pi}$，峰峰值为$V_{\pi}*2$，功率传递函数随调制电压V形 变化，可用于产生33%RZ脉冲；
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☼ 简介 ☼ 通道损伤 ☼ 调制技术 ☼ 相干接收 ☼ 均衡补偿 ☼ 纠错编码 ☼ 相关标准
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调制技术及其频谱效率
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相同数据率情况下，调制符号所表示的比特数越大，所需符号传输的波特率越小，所需传输带宽越窄， 频谱效率越高；
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相干接收PM-QPSK调制
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PM-QPSK在偏振态、相位和波形多个维度进行调制，具有较大的自由度且每个维度的复杂度较低；数 字相干接收机将传输通道设计的复杂度转移到了接收机。数字相干接收机通过相位分集和偏振态分集将 光信号的所有光学属性映射到电域，利用成熟的数字信号处理技术在电域实现偏振解复用和通道线性损 伤（CD、PMD）补偿，简化传输通道光学色散补偿和偏振解复用设计，减少和消除对光色散补偿器和 低PMD光纤的依赖。 调制过程如下：连续激光器发出的光信号等分后作为两个QPSK调制器的载波光源；数据经QPSK编码、 驱动放大和低通滤波驱动后驱动QPSK调制器；两路经QPSK调制后输出的光信号在偏振态正交化后由偏 振合束器汇聚为一路光波信号进入线路。可在连续激光器和分光器之间引入脉冲发生器，通过改变光脉 冲形状进一步抑制和补偿光传输损伤。 数字相干接收机工作过程如下：本振激光器发出的光信号等分后作为两个90°混频器的相干光源；线路 输入光信号经偏振分束器分为两路偏振态相互正交的光信号分别进入两个90°混频器与本振光信号产生 干涉；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，经高速模数转换器采样量化后转换 为数字信号；数字信号在数字信号处理器中完成数据恢复。 囿于当前电子技术水平，高速ADC和DSP为数字相干接收实现的关键和难点，其电源完整性设计和低功 耗设计非常关键。
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100G调制接收方案特性比较
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色度色散
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脉冲通过光纤后脉冲变宽，其能量在时间上发散的现象称为色散； 色散导致前后光脉冲重叠而无法区分引起符号间干扰，限制了光传输速率和距离； 单模光纤色散因其产生的机制不同，可分为色度色散和偏振模式色散； 色度色散为一定频谱线宽的光脉冲因介质折射系数以及芯覆层结构的频率相关性所导致传播时延差异； 适度的色散可以破坏相位匹配条件，抑制非线性效应；
通道特性及其对传输信号的损伤
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光信号传输过程中，传输通道引起的损伤包括衰减、色度色散、偏振色散、强度噪声、相位噪声等； 随着传输速率的提升，光信号对色度色散、偏振模色散、光纤非线性效应、ROADM级联窄带滤波效 应以及光电器件缺陷更加敏感；
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马赫-曾德调制器
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通过外加电场改变光电介质（波导的有效折射系数对光波相位进行调制；相位调制大小与光波长，外加 电场电极长度以及光电介质波导有效折射系数的变化有关；若仅考虑普克尔效应，光电介质波导有效折 射系数的变化与外加电场呈线性关系；对特定波长相位改变$\pi$所需最小的电压变化称为$V_{\pi}$； MZM工作在差分推挽模式，可实现无啁啾幅度调制； 常见MZM光波导介质包括LiNbO_3、GaAs以及InP，其典型$V_{pi}$取值为3－6V。
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PM-(D)QPSK
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与传统的二进制调制不同，PM-QPSK同时在偏振态、相位和幅度多个维度进行调制，具有较大的自由 度且每个维度的复杂度较低； PM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合的方式获得十六进制（四比特）调制的效 果，将传输符号的波特率降低为二进制调的四分之一 ；
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偏振模色散
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偏振模色散源于光纤制作工艺导致的非均匀轴对称结构以及外部应力所引起的双折射系数。 光纤折射系数与光波的偏振态紧密相关，引起两正交偏振态光场的传播时延产生一定差异，即差分群时 延(DGD: Differential Group Delay )，导致光脉冲能量在时间上发散，称为偏振模色散。 差分群时延随时间、温度、波长以及外部环境变化。PMD值为差分群时延归一化统计均值。
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需求与挑战
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WDM系统容量的提升，要求提高单通道传输速率和减小通道间隔，以提高频谱效率； 带宽限制要求频谱效率最大化，非线性限制要求功率效率最大化；
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光互连结构及其发展趋势
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非相干接收PM-DQPSK调制
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发射机工作过程如下：连续激光器发出的光信号等分后作为两个QPSK调制器的载波光源；数据经 DQPSK编码、驱动放大和低通滤波驱动后驱动QPSK调制器对载波进行调制；两路经QPSK调制后输出 的光信号在偏振态正交化后由偏振合束器汇聚为一路光波信号进入线路。 接收机通过动态偏振对准控制器和偏振分离器将线路输入光信号分离为两束偏振态相互正交的光信号实 现偏振解复用，接收机无须本振激光器和混频器；差分编码的相位调制信号经马赫－曾德延时干涉仪 (MZDI)自相干转换为模拟电信号；电信号经模数转换后由数字信号处理抑制和消除非线性相位噪声，完 成色度色散以及偏振模色散的均衡补偿、符号相位重构和数据恢复。通过相邻符号相位差解调数据信息 ，对相位噪声容忍度较高，降低了对激光器线宽的要求。 由于光纤双折射的随机性使其对信号偏振态的旋转不可预测，传输通道上PMD、PDL的存在及其与非线 性、色度色散等相互作用，负面影响大于各单独作用之和。采用偏振对准的方式实现解偏振复用时， DGD的存在导致脉冲前中后各部分偏振态各异，仅当两偏振支路与接收机偏振分束器)的PSP恰好完全 对准耦合时，DGD的影响表现为两支路的时延，其偏振解复用过程不产生功率代价。因此，接收机需 动态校准输入光信号偏振态，使之与偏振分束器的偏振态主轴耦合，以减小和消除主偏振态失准而引起 的噪声和功率代价。 其偏振解复用动态对准控制实现比较复杂。
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相干接收光正交频分复用
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时间周期为T且中心频率间隔为1/T整数倍的脉冲信号在时域和频域具有正交性。可将传统的宽带光载波 通道细分为多个相互正交的窄带子载波分别进行编码调制后复用传输，以减小和消除宽带载波调制所固 有的色度色散和偏振模色散，抑制符号间的干扰。OFDM具有如下优势：①子频带割分增强对器件和模 块选择的灵活性；②导频副载波便于信道和相位估计；③极高的频谱效率和极好的可扩展性。 CO-OFDM采用光正交相位调制器作为电光转换前端，采用相干检测作为光电转换前端，兼具相干检测 和正交频分复用的优点，具有优异的频谱效率、接收机灵敏度和偏振模色散容忍度； 调制、传输和解调过程的线性变换是OFDM能够实现的关键。高峰均值功率比(PAPR)和对相位和频率 噪声极其敏感是OFDM存在的主要问题。OFDM发射光信号的峰均值功率比值随着所分割子载波的数量 增加而增大，导致光信号在光纤传输过程中的非线性效应严重，引起较大的非线性相位噪声。另外， OFDM所需高速DAC的目前几乎没有厂商提供。
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光互连结构在物理实现上可分为光域、电域和逻辑域三个层次；电域处理、光域传输，各尽其能； 软件定义光传输(SDOT) ：①无需人为干涉动态建立、调整物理链路的配置；②根据链路特性选择最优 线速率；③多种传输模式选择；④自动检测并报告信道参数和故障预警； 收发机结构将趋于固定：DSP、D/A、E/O、O/E、A/D、DSP；典型代表：OFDM；
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光纤非线性效应及其影响
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光纤折射率与光信号功率密度的相关性导致光信号频率和相位随其功率非线性变化； 光脉冲信号沿光纤通道传播过程中因CD、PMD以及与ASE相互作用引起脉冲形状发生改变，经光纤非 线性效应引起非线性相位噪声，对相位调制的信号影响严重，并随着相位调制级数增加而恶化； 光纤内光功率变化引起折射系数波动对载波相位产生调制，为自相位调制 ；交叉相位调制与自相位调 制相似，因不同频率脉冲在时间和空间上叠加引起介质折射率产生波动； 由于产生机理的差异，自相位调制可通过均衡补偿，但交叉相位调制无法有效补偿； 相位调制的光脉冲信号通过光放大器时，与其伴随产生的放大自发辐射噪声相干引起光脉冲功率波动， 经克尔效应引起非线性相位噪声，对相位调制系统影响比较显著。
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长距离光互连技术
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光互连性能的提升需从复用、调制、编码、均衡、线路等各个环节入手； 目前，电域处理相对于光域具有较优的性价比； 趋势：相位调制、相干接收、偏振复用、电域补偿、非线性补偿、 OFDM；
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100G WDM关键技术
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要求100G在目前的10G线路上具有与10G相当的传输性能需要综合运用多维度调制解调、多维度复用解复 用技术，并最大限度地利用目前成熟的微电子技术，使其在性能、复杂度、成本以及功耗上获得平衡； 目前业界认可的关键技术包括相位调制、相干接收、偏振复用、数字信号处理(FEC,EDC)以及多载波技术 ，认同的调制方式主要有相干接收偏振复用正交相移键控、非相干接收偏振复用差分正交相移键控以及相 干光正交频分复用； 100G PM-QPSK采用恒定幅度四级相位调制和正交偏振复用相结合的方式获得十六进制调制的效果，将传 输符号的波特率降低为二进制调的四分之一，以较小的功率代价获得35GHz的带宽容限。PM-QPSK调制的 低波特率降低了ADC采样速率的要求，提高了数字信号处理技术可实现性。 相对于OOK而言，100G PM-QPSK调制相干接收可提供约6dB增益，高增益的SD FEC可提供2-3dB增益， EDC对CD和PMD的补偿可提供1-2dB增益，藉此可获得9-10dB增益以使得100G PM-QPSK调制相干接收 传输系统具有目前10G OOK系统相当的性能。
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偏振态复用
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两线性正交偏振态可有效复用，可进一步降低光信号传输波特率，提高频谱效率和CD、PMD容忍度， 但PMD、PDL以及SOP的控制对偏振复用非常关键； SOPMD由波长相关的偏振色度色散(PCD)和波长相关的主偏振态(PSP)变化构成，其方差正比于DGD 均值（即PMD）的四次方，对宽频谱的高波特率传输影响较大； 通道间以及通道内交叉偏振调制(XPolM)引起非线性相位噪声和去极化，改变两偏振态的相对相位进而 改变SOP，在偏振复用传输中体现为串扰噪声； 可通过相位分集和偏振态分集将光信号的所有光学属性映射到电域以解析任意光调制格式的信息。
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MZM调制器功率传递函数与电场传递函数的差异性； MZM工作在正交点，直流偏置电压为$V_{\pi}/2$，峰峰值为$V_{\pi}$，功率传递函数随调制电压单 调变化，可用于强度调制； MZM工作在最小点，直流偏置电压为$V_{\pi}*2$，峰峰值为$V_{\pi}*2$，电场传递函数随调制电压 单调变化，可用于相位调制； MZM工作在最大点，直流偏置电压为$V_{\pi}$，峰峰值为$V_{\pi}*2$，功率传递函数随调制电压V形 变化，可用于产生33%RZ脉冲；