PIC Studio 功能與應(yīng)用：相干光收發(fā)器設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐

  相干光纖通信在20世紀(jì)80年代被廣泛研究，主要是因?yàn)橄喔山邮諜C(jī)的高靈敏度可以提高不重復(fù)的傳輸距離。然而，自1990年以來(lái)，相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)被大容量的波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)的快速發(fā)展所打斷，這些系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)（IM-DD）方案以及新開(kāi)發(fā)的摻鉺光纖放大器（EDFA）來(lái)補(bǔ)償鏈路的跨度損失。2005年，相干接收機(jī)中數(shù)字載波相位估計(jì)的演示，使人們對(duì)相干光通信重新產(chǎn)生了廣泛的興趣。其原因是數(shù)字相干接收機(jī)使我們能夠采用各種頻譜效率高的調(diào)制格式，如M-ary移相鍵控和正交振幅調(diào)制（QAM）等多種頻譜效率高的調(diào)制格式。

  依靠數(shù)字域中穩(wěn)定的載波相位估計(jì)。此外由于檢測(cè)后保留了相位信息，我們可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）來(lái)平衡線性傳輸損傷，如傳輸光纖的群速度色散（GVD）和偏振模色散（PMD）。重生相干接收器的這些優(yōu)勢(shì)為革新現(xiàn)有的光通信系統(tǒng)提供了相當(dāng)大的潛力。最近，100-Gb/s的傳輸系統(tǒng)，采用了正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制、偏振分復(fù)用和相位分集同調(diào)檢測(cè)，并輔以高速DSP 使符號(hào)率為25GBd，已被開(kāi)發(fā)并引入商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。本文演示相干光收發(fā)器的概念設(shè)計(jì)，仿真包含背靠背(Back-to-Back)以及加上光纖之后的傳輸質(zhì)量分析。

  在本文中，利用pLogic搭建鏈路并通過(guò) pSim進(jìn)行鏈路仿真，演示了CWDM硅基光電子收發(fā)器的設(shè)計(jì)和仿真案例。它由以所有4個(gè)波長(zhǎng)通道為中心的激光器、微環(huán)調(diào)制器 (MRM )和波分復(fù)用器（MUX）以及解復(fù)用器(DEMUX)組成，可以仿真背靠背(Back-to-Back)以及加上短距離光纖之后的傳輸質(zhì)量。pLogic以及pSim均為國(guó)產(chǎn)EDA軟件 PIC Studio光電融合設(shè)計(jì)全流程的模塊。

圖1：國(guó)產(chǎn)EDA軟件 PIC Studio光電融合設(shè)計(jì)全流程

  鏈路功能說(shuō)明

  利用pLogic搭建鏈路如下圖所示， 偽隨機(jī)比特序列（PRBS_1）連接到FORK_1，以將電信號(hào)從一個(gè)端口分離到兩個(gè)端口。然后，這兩個(gè)端口連接到兩個(gè)不歸零碼發(fā)生器（NRZ_1，NRZ_ 2）以產(chǎn)生隨機(jī)通斷鍵控（OOK）信號(hào)。這兩個(gè)端口被發(fā)射到馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器（MZM_1）中。在相同的結(jié)構(gòu)中，PRBS_2連接到FORK_2，以將電信號(hào)從一個(gè)端口分離到兩個(gè)端口。然后，這兩個(gè)端口連接到兩個(gè)不歸零碼發(fā)生器（NRZ_3、NRZ_ 4）以產(chǎn)生OOK信號(hào)。這兩個(gè)端口被發(fā)射到MZM_2。連續(xù)激光（CWL_3）被用作光源發(fā)射到Y(jié)分離器（YSPLT_1）中，以將光信號(hào)從一個(gè)端口分離到兩個(gè)端口。這兩個(gè)端口分別發(fā)射到MZM_1和MZM_2的op_0端口。在MZM_2之后，使用光相移（PHS_1）保持π/2的相位差。然后，使用Y組合器（YCOMB_1），將這兩個(gè)端口組合成一個(gè)端口。上述設(shè)置稱為相干發(fā)射機(jī)（Tx）側(cè)。在通過(guò)光纖（FIBER_1）后，分離器（SPLT_3）用于將光信號(hào)從一個(gè)端口分離到兩個(gè)端口。另一方面，使用連續(xù)激光（CWL_4）作為光源發(fā)射到分光器（SPLT_4），將光信號(hào)從一個(gè)端口分離到兩個(gè)端口。SPLT_3的op_2端口發(fā)送到定向耦合器（C_1）的op_ 3端口，SPLT_ 2的op_1端口發(fā)送到C_2的op_3端口。SPLT_4的op_2端口發(fā)送給C_4的op_0端口，SPLT_4中的op_1端口發(fā)送給C_2中的op_0端口。C_3之后，兩個(gè)端口發(fā)送到PIN光電檢測(cè)器（PIN_5）和PIN_6以檢測(cè)信號(hào)。在O-E轉(zhuǎn)換之后，電減法器（SUB_1）用于減去兩個(gè)信號(hào)。然后，使用低通 RC 濾波器濾除高頻信號(hào)。最后，利用眼圖分析傳輸信號(hào)通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)后的質(zhì)量。從CWL_4到分析儀，這種設(shè)置稱為相干接收機(jī)（Rx）側(cè)。

圖2：利用 pLogic搭建好的相干光收發(fā)器鏈路

  工作原理說(shuō)明

  在 pLogic中連接每個(gè)器件的導(dǎo)線后執(zhí)行仿真，模擬結(jié)果將顯示如圖所示。傳輸距離為5km后，結(jié)果表明眼圖是開(kāi)放和清晰的。垂直睜眼約265 uW，水平睜眼約23 ps。

  圖3：通過(guò)pSim仿真得到相干收發(fā)器的仿真結(jié)果