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面向中短距应用的差分自相干光纤传输系统

光学学报 2023年第15期43卷 107-117页

作者：蔡轶姜晨旭王霄洲王甫涵田中星孙林王晓玲刘宁沈纲祥周俊郝祥勇庞胜清苏州大学电子信息学院江苏苏州215006 科大亨芯半导体技术有限公司江苏苏州215200 亨通集团有限公司江苏苏州215200

基于4电平脉冲幅度调制(PAM4)的强度调制直接检测(IMDD)是目前中短距应用的主要解决方案之一。然而,基于高阶脉冲调制的IMDD方案检测灵敏度明显下降。另一方面,拥有更高灵敏度的标准相干检测技术又面临成本和复杂度方面的挑战。因此,自... 详细信息

基于4电平脉冲幅度调制(PAM4)的强度调制直接检测(IMDD)是目前中短距应用的主要解决方案之一。然而,基于高阶脉冲调制的IMDD方案检测灵敏度明显下降。另一方面,拥有更高灵敏度的标准相干检测技术又面临成本和复杂度方面的挑战。因此,自零差相干检测(SHCD)和差分检测等自相干检测方案,因其优于PAM4的性能和低于标准相干检测的硬件成本而在新一代中短距应用中具备优势。本文综述和比较自零差相干以及差分自相干检测(DSCD)系统各自的特征、优点和挑战。文中进一步针对光功率受限和光信噪比受限的不同传输场景,分析比较基于SHCD-正交相移键控(QPSK)和DSCD-差分正交相移键控(DQPSK)方案的系统性能,展示了DSCD-DQPSK系统相较其他方案在硬件成本和系统性能方面的综合优势。

关键词：光通信相干检测自相干检测差分调制数字信号处理

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面向中短距光通信的差分自相干系统研究

面向中短距光通信的差分自相干系统研究

作者：姜晨旭苏州大学

学位级别：硕士

随着数字经济的蓬勃发展,数据中心内和数据中心间的数据流量成指数型增长,形成了对高速高性能中短距光纤传输不断增长的需求。基于4电平脉冲幅度调制(4-level Pulse Amplitude Modulation,PAM-4)的强度调制直接检测(Intensity Modulatio... 详细信息

随着数字经济的蓬勃发展,数据中心内和数据中心间的数据流量成指数型增长,形成了对高速高性能中短距光纤传输不断增长的需求。基于4电平脉冲幅度调制(4-level Pulse Amplitude Modulation,PAM-4)的强度调制直接检测(Intensity Modulation and Direct Detection,IMDD)系统是目前中短距传输的主要解决方案之一。然而,当前系统无法满足不断增加的传输需求,基于高阶调制格式的IMDD系统又面临系统灵敏度退化的挑战。另一方面,高灵敏度的标准相干检测方案在下沉至中短距光纤传输时面临系统成本和复杂度等方面的挑战。因此,自零差相干检测(Self-Homodyne Coherent Detection,SHCD)和差分自相干检测(Differential Self-Coherent Detection,DSCD)等自相干检测方案,因其优于IMDD方案的性能和低于标准相干的成本,在新一代中短距传输中具备优势。SHCD系统因其发射端激光源分离光功率分别用于传输信号和远端本振而免除了接收侧的窄线宽本振(Local Oscillator,LO)。作为自相干检测另一技术方案,DSCD因其利用相邻符号实现差分检测而无需接收侧的窄线宽LO。本文针对基于差分正交相移键控(Differential Quadrature Phase Shift Keying,DQPSK)的 DSCD 系统展开深入研究,主要工作如下:1.根据光纤传输系统中噪声来源的不同,将系统类型分为光功率受限系统和光信噪比(Optical Signal Noise Ratio,OSNR)受限系统。在不同系统类型下对基于DQPSK调制的DSCD系统性能进行理论分析与仿真研究。作为比较,同时对基于正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)调制的SHCD系统的最佳功率分离比进行推导,评估其系统性能。此外,IMDD方案的性能也是比较研究的一部分。在光功率受限系统中DSCD和SHCD系统灵敏度相同,优于IMDD系统,而在光信噪比受限系统中,DSCD系统灵敏度优于SHCD和IMDD系统。2.针对偏振复用DSCD系统,理论推导基于PDM-DQPSK的DSCD系统偏振态损伤矩阵的变化,并通过结合基于交叉偏振的DSCD接收机和数字域偏振解复用,实现快速偏振追踪。作为对标的比较方案,本部分比较为解决偏振复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)SHCD系统中远端本振的光域追踪速度受限而提出的衍生方案,即互补偏振分集接收机(Complementary Polarization-Diversity Coherent Receiver,C-PDCR)。3.通过对基于交叉偏振的DSCD接收机所获得的交叉偏振相对符号相关性的进一步利用,提出一种新型无冗余交叉偏振纠错(Cross-Polarization Error Correction,CPEC)算法增强DSCD系统性能。该算法利用同向偏振和交叉偏振相对相位之间的约束关系实现无冗余检错,在交叉偏振项的辅助下实现纠错。本研究通过仿真显示,CPEC算法可将DSCD系统接收机灵敏度提升约1 dB。在200 Gb/s系统速率背靠背仿真场景下,相比SHCD,C-PDCR和IMDD系统,CPEC增强型DSCD系统接收机灵敏度分别提升约1.4dB、1.4dB和7dB。在40km单模光纤传输以及偏振旋转速度为500krad/s的仿真场景下,相比C-PDCR系统,CPEC增强DSCD系统接收机灵敏度提升约1.2 dB。综上,本论文针对基于DQPSK的DSCD系统展开了深入研究,提出了一种基于PDM-DQPSK的CPEC增强型DSCD系统,为高速高性能中短距光纤传输系统提供了一种低成本低复杂度且性能优于现有同类技术的创新方案。

关键词：自相干检测差分调制偏振复用错误检测与纠正数字信号处理

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微波光子毫米波发生器与光纤无线系统研究

微波光子毫米波发生器与光纤无线系统研究

作者：王琨琨太原理工大学

学位级别：硕士

带宽需求的增加使得人们朝着更高频段开展研究工作,然而高频微波/毫米波在无线通信中会受到较强的大气衰减以及衍射差干扰。由于存在电子瓶颈问题,利用传统电子方法很难产生超过60GHz的微波信号。为解决微波信号在电域中碰到的电子瓶颈... 详细信息

带宽需求的增加使得人们朝着更高频段开展研究工作,然而高频微波/毫米波在无线通信中会受到较强的大气衰减以及衍射差干扰。由于存在电子瓶颈问题,利用传统电子方法很难产生超过60GHz的微波信号。为解决微波信号在电域中碰到的电子瓶颈问题,学者们提出了利用微波光子技术产生毫米波的技术方案。光生毫米波技术是微波光子学中一个重要的研究方向。毫米波具有易于光纤集成与传输的能力。利用现有的成熟技术,毫米波的传播范围得到显著提高,从而能够通过光纤传输大量数据。它可以与光纤无线(Radio Over Fiber,ROF)系统相兼容,为宽带无线接入服务提供更优方案。一方面,它可以满足人们对高信号带宽的需求,另一方面,可以有效解决网络接入的频率拥挤现象。ROF系统将光纤通信和无线通信二者的优点相结合,有效地解决高频信号的覆盖范围问题,此外,双向ROF系统可在基站实现波长重用从而降低基站的复杂度。本文基于光生毫米波的研究现状,开展了针对高频毫米波发生器方案的研究,并基于高倍频毫米波发生器研究了光纤无线系统的传输性能。此外,本文提出并验证了一种倍频因子可调谐的光纤无线系统。本文研究内容主要包含以下几个方面:(1)提出了三十六倍频毫米波发生器方案。通过将双平行马赫曾德尔调制器(Dualparallel Mach-Zehnder Modulators,DPMZM)的调制指数和直流偏压设置为合适的数值,使得DPMZM的输出光谱上含有±6阶的光边带信号。然后利用光半导体放大器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA)的四波混频效应(Four-Wave Mixing,FWM)得到±18阶光边带,最后经滤波、拍频后得到36倍频的毫米波信号。利用OPTISYSTEM平台对方案进行验证,结果表明系统可以获得较为纯净的毫米波信号,并且研究了调制器消光比和相移器偏移对光学边带抑制比(Optical Sideband Suppression Ratio,OSSR)和射频杂散抑制比(Radio Frequency Spurious Suppression Ratio,RFSSR)的影响。通过对毫米波发生器系统频率可调谐性的验证,最终获得了频率从144GHz至252GHz的毫米波信号。在此基础上,提出基于三十六倍频毫米波的光纤无线系统,利用该系统可由5GHz的射频驱动信号得到频率为180GHz的毫米波信号。分别利用单边带和双边带调制方案对系统的传输性能进行探究分析,研究了光半导体放大器的注入电流对边带比和误码率的影响。(2)为了充分利用光纤无线系统中的频带资源,提出了一种基于马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)的倍频因子可调谐双向传输的光纤无线系统。系统通过利用MZM结合波长选择开关模块实现不同频率的信号输出,结合相干检测、波长重用技术,最终实现光纤无线系统的上下链路输出不同倍频因子的信号。此系统在基站中无需添加额外的激光器,大大降低了基站的建设成本。由于其倍频因子的可调谐性,大大扩展了其应用范围。仿真结果验证表明,对于16-QAM信号,下行倍频因子可实现1、3、5、6可选,输出信号的最小误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)数值范围为5.5%～7%;上行倍频因子可实现0～12可选,输出信号的最小EVM数值范围为6.4%～8.6%。

关键词：毫米波发生器光纤无线四波混频倍频因子可调谐自相干检测

基于Delta-Sigma调制的低成本光传输技术研究

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基于Delta-Sigma调制的低成本光传输技术研究

作者：吴自强华中科技大学

学位级别：硕士

在短距离光传输中,成本成为了一个重要问题。相较于相干接收机复杂的接收结构和高昂的成本,直接调制直接检测结构更令人青睐。直接检测存在色散补偿问题和信号与信号拍频噪声(SSBN)问题,如何消除色散和SSBN影响成为近些年的研究热门。... 详细信息

在短距离光传输中,成本成为了一个重要问题。相较于相干接收机复杂的接收结构和高昂的成本,直接调制直接检测结构更令人青睐。直接检测存在色散补偿问题和信号与信号拍频噪声(SSBN)问题,如何消除色散和SSBN影响成为近些年的研究热门。另一方面,在移动前传网中,增量总和(Delta-Sigma)调制技术被应用于无线信号发射机中,极大地降低了数字前传(FH)的成本和复杂度。针对系统成本和直接检测存在的问题,论文对低成本的直接检测进行了研究,主要内容包括:(1)对Delta-Sigma调制器的原理进行了分析,并使用线性简化模型分析了其量化噪声来源以及噪声分布。以单频信号为例,对不同阶数的Delta-Sigma调制器的输出信号信噪比(SNR)进行了理论推导。(2)针对高阶稳定Delta-Sigma调制器参数搜寻中计算复杂度过高问题,提出使用遗传算法(GA)来对高阶Delta-Sigma调制器的结构参数进行优化,从而极大地增加了搜索效率。(3)针对1bit和2bit量化的Delta-Sigma架构输出模拟信号信噪比有限问题,提出一种新的系统结构以消除Delta-Sigma调制后的带内噪声,实现超高信噪比输出,用以支持超高频谱效率的光纤无线融合前传。(4)针对直调直检中的色散补偿和超低成本需求问题,提出了一种基于DeltaSigma调制器和分块相位切换技术的自相干检测系统,采用低成本的输入输出(I/O)口代替数模转换器(DAC)端口,同时仅使用单一光电探测器(PD)进行信号检测,从而实现了单通道32Gb/s速率的正交相移键控(QPSK)信号在标准单模光纤上(SSMF)传输1200km的实验。(5)针对直接检测中的SSBN难以消除问题,提出了一种SSBN消除算法,从而实现了112Gb/s速率的16正交幅度调制(QAM)信号在标准单模光纤上传输240km。

关键词： Delta-Sigma调制器遗传算法移动前传分块相位切换自相干检测 SSBN消除

新型光接收系统架构:应用于超大容量低成本的短距光互连

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电信科学 2022年第7期38卷 43-56页

作者：计红林李雪阳贺志学胡卫生 William Shieh 鹏城实验室先进承载网络技术研究所广东深圳518055 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室上海200240 墨尔本大学电气与电子工程系澳大利亚墨尔本3010

大规模数据中心等新兴网络基础设施的部署急需超大容量低成本的短距光互连系统。传统的直调直检系统拥有简单的接收机结构,但只能检测信号的强度信息,这限制了其系统容量的进一步扩展。经典的相干传输系统能够调制解调高阶信号进而实现... 详细信息

大规模数据中心等新兴网络基础设施的部署急需超大容量低成本的短距光互连系统。传统的直调直检系统拥有简单的接收机结构,但只能检测信号的强度信息,这限制了其系统容量的进一步扩展。经典的相干传输系统能够调制解调高阶信号进而实现大容量传输,但收/发端都需要昂贵的窄线宽激光器和高复杂度的数字信号处理,这阻碍了其在短距光互连中的广泛应用。新型的直接检测光接收系统旨在结合直接检测和相干检测两者的优点,弥补二者之间的研究空白。因此,新型的光接收系统架构主要基于自相干检测。介绍了新型单偏振、双偏振、少模光接收系统架构。该类新型的光接收系统不需要本振激光器且能通过直接检测恢复光场信号,实现超大容量低成本的短距光互连。

关键词：短距光互连直接检测自相干检测自零差相干检测模分复用传输

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面向数据中心光互连的高速光传输技术

中兴通讯技术 2019年第5期25卷 17-24页

作者：张帆朱逸萧北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室

数据中心光互连场景可分为数据中心内部和数据中心之间2大类。对于数据中心内部光互连,利用新型调制方案、高性能光器件和高速数字信号补偿算法是提升单通道速率的主要方式;对于数据中心之间光互连,结合单边带调制和非线性补偿算法克服... 详细信息

数据中心光互连场景可分为数据中心内部和数据中心之间2大类。对于数据中心内部光互连,利用新型调制方案、高性能光器件和高速数字信号补偿算法是提升单通道速率的主要方式;对于数据中心之间光互连,结合单边带调制和非线性补偿算法克服色散功率衰落是重要研究方向。未来数据中心的升级依赖于光电器件和数字信号处理的共同进步。

关键词：光互连直接检测自相干检测数字信号处理

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面向中短距的高速光传输技术及发展趋势

电信科学 2019年第4期35卷 62-73页

作者：张磊朱逸萧张帆陈章渊北京大学电子学系区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室北京100871

光纤通信网络是现代信息社会的重要基础设施。随着光纤损耗的降低、电—光—电转换器件性能的提升、调制技术的发展和数字信号处理的引入,光纤传输系统的容量获得了极大的提升。近年来,由于数据中心和移动通信升级的需求,光纤传输的研... 详细信息

光纤通信网络是现代信息社会的重要基础设施。随着光纤损耗的降低、电—光—电转换器件性能的提升、调制技术的发展和数字信号处理的引入,光纤传输系统的容量获得了极大的提升。近年来,由于数据中心和移动通信升级的需求,光纤传输的研究热点逐步转向100 km以下基于直接检测的中短距传输场景。为此,首先回顾了历代光纤通信系统的历史演进,然后分析了直接检测系统中的限制因素,在此基础上依次介绍一维至四维自相干光检测技术的原理和系统配置,最后展望了未来相干光通信系统的低成本演化趋势。

关键词：直接检测自相干检测数字信号处理多维度复用

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模分复用无源光网络

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