准相干技术在C波段25 Gbit/s光模块中的研究与应用

孔令桥，卜勤练

(1.武汉邮电科学研究院, 武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205 )

0 引 言

随着第五代移动通信(5th Generation Mobile networks， 5G)商用时代的到来，万物互联的逐步实现，人们需要使用网络的场景将会越来越多，网络流量和数据将迎来爆炸式的增长，这势必会对光纤通信系统提出更高的要求。如何提高光纤通信系统的传输速率和距离也成为了当前研究的主流方向。光纤通信系统性能的提升受到光纤中衰减、色散和非线性效应的限制，随着掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier, EDFA)的发明，光纤的衰减问题得到了很好地解决[1]，在实际工程应用中，往往会忽略非线性效应对系统的影响[2]，这样一来，制约光通信系统性能的主要因素就在于光纤的色散。

为了提高光通信网络容量,密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)技术已经得到了广泛的使用。目前基于10 Gbit/s光模块的网络通常在C波段运行，以便能在超过20 km的传输距离上使用DWDM技术。由于当前光通信网络上数据流量的不断增长，必须对现有网络进行升级，显然，最简单的升级方式应该是尽量保持现有光通信网络不变，直接对光模块进行升级[3]，比如说把系统中的10 Gbit/s光模块更换为25 Gbit/s或更高速率的光模块。但对于常规光纤来说，C波段光通信受色散的影响非常大，光模块的速率越高，传输距离就越受限。据了解，目前绝大多数25 Gbit/s光模块在C波段中的最大传输距离只有10～15 km。所以，如果直接更换更高速率的光模块，那么网络运营商就需要针对更短的传输距离来重新部署光纤通信网络，这就会导致成本大大增加。

升级当前DWDM光通信网络的思路之一是将相干光模块和数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术相结合，从而在极大地提升系统单纤传输容量的同时也能有效处理传输链路中的损耗和色散，相关研究的主要区别在于采用了不同的调制格式，如差分相移键控(Differential Phase Shift Keying，DPSK)和正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)等，或采用了不同的电均衡技术，如最大似然序列估计(Maximum Likelihood Sequence Estimation,MLSE)均衡和常量模多入多出(Constant Modulus Algorithm Multiple Input Multiple Output,CMA-MIMO)系统盲均衡算法等[4-7]。虽然这些方案可以达到非常好的实验效果，但目前相干光模块的成本和功耗等还非常高，相干接收器的结构也很复杂，如果再加入具有新型调制格式和电色散补偿功能的DSP芯片，升级光通信网络的代价对运营商来说仍是无法接受的。还有一种升级DWDM光通信网络的思路是：考虑到网络双向流量的非对称性，将传统的光收发器从一体化模式转化为分离模式，即分解为独立的发射器和接收器；或将多个发射器和多个接收器分别封装，形成发射和接收阵列，然后再结合新型的可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer,ROADM)等技术，从而提高网络资源的利用率[8]。显然，面对高速增长的网络需求，仅仅提高利用率还不够，仍然需要解决传输速率与色散的矛盾。

本文对一种准相干接收技术进行了研究，并结合现有25 Gbit/s光模块进行了测试。结果表明，准相干接收技术以相干检测技术为基础，在大大降低系统复杂度和成本的情况下，仍能有效减少色散对高速光模块传输距离的影响，可以使C波段25 Gbit/s光模块的传输距离达到25 km，并且有望实现35 km甚至更远的传输距离。

1 准相干接收器的原理及结构

准相干接收技术类似于外差相干检测技术，但又不同，可以说是相干检测技术的一种简化版本。其使用更简单的结构和更低的成本，获得的收益虽然不如相干检测技术，但是对比现有的直接检测技术来说提升非常明显。

图1所示为准相干接收器的结构示意图。由图可知，信号光与本振光耦合后，将被偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)分成两束正交的线偏振光。此时，每一束光内都包含偏振态相同的信号光和本振光，由于两者频率有微小且稳定的频差，满足外差检测的条件，形成中频信号。两路光分别都经过光电二极管(Photodiode,PD)、跨阻放大器(Trans-impedance Amplifier,TIA)和包络检测器的处理，最终合成、放大转化为输出电信号。单独分析其中一条支路，根据平面波的传播理论，设接收光信号为ES(t)，频率为ωS，本振光信号为EL(t)，频率为ωL，其复数电场分布表达式分别为

图1 准相干接收器结构示意图

式中：ES和EL分别为接收光信号和本振光信号的电场幅度值；φS和φL分别为接收光信号和本振光信号的相位调制信息；j为虚数单位；t为时间。由于入射到光电检测器上的光强正比于[ES(t)+EL(t)]2，设输出电流为I，则

式中：R为光电检测器的响应度；PS和PL分别为接收光信号和本振光信号强度；ωIF为中频信号的频率，且ωIF=ωS-ωL。式中前一项近似为与传输信息无关的直流项，后一项则为外差检测后输出的信号电流，所以输出的信号电流与PL成正比。实际应用中，PS一般比较小，远小于PL，但即使接收信号光功率很小，也可以通过增大PL以获得足够大的输出电流[9]。因此采用外差检测技术有利于对微小信号的检测。

外差相干检测一般采用偏振分集和平衡探测方法，先通过两个PBS分别将信号光与本振光的两个正交偏量分离，然后通过两个90 °光学混频器对分离的两组信号进行混频，最后再对输出的8路光信号进行处理。这样不仅可以很好地抑制高功率本振激光器给系统中引入的本振光强度噪声[10]，而且能够完整地获得接收光信号的频率、振幅和相位的信息，从而可以适应多种调制格式。与外差相干不同的是，准相干接收技术是针对现有的强度调制、直接检测系统的升级，它不需要接收信号的频率和相位信息，也不需要发射端采用另外的调制方式，因此准相干接收机的结构相比普通外差相干检测简单很多。另外，准相干接收技术除了采用了外差相干检测的原理之外，还利用了单边带滤波技术。在准相干接收技术中，信号通过PD和TIA后，获得的中频信号被去掉了一侧边带，被转化为单边带信号。又由于进行了单边带调制，两个支流信号分别经过包络检测器之后，进行相加和放大等处理，最后获得的接收信号中由色散引起的频率衰落和畸变都可以得到有效抑制。需要注意的是，单边带滤波仅能消除射频衰落，不能完全消除色散引起的信号衰减，且保留的那侧边带也会受到色散引起的脉冲展宽的影响，最终导致不可恢复的码间串扰(Inter-Symbol Interference,ISI)。所以，虽然准相干接收技术能够针对色散问题有效延长现有高速光模块的传输距离，但对于非常长的传输距离，准相干接收技术仍然有其局限性。

2 实验研究

2.1 实验方案

实验中使用了一只常规的25 Gbit/s DWDM 光模块，其不仅作为发射光源，也要测试其接收灵敏度以得到一组对照数据。该光模块接收端采用的是普通雪崩PD(Avalanche PD,APD)和直接检测技术，另外还需要一个准相干接收器的测试盒，25 Gbit/s光模块发出的光信号经过不同长度的光纤后接入准相干测试盒内，经过准相干接收器处理后再接入误码仪，也可以得到一组接收灵敏度数据。除了灵敏度数据外，实验还测试了发射光信号经过不同长度光纤后得到的光眼图，以及经过准相干接收器处理后得到的电眼图，通过对比两种眼图研究准相干接收器对接收信号的处理能力。图2所示为实验框图。

图2 实验框图

2.2 实验步骤

(1) 按照实验框图连接好各个实验仪器设备后，首先测试光模块的发射光眼图以及自发自收的0 km传输灵敏度；

(2) 测试发射光信号通过准相干接收器后的0 km传输灵敏度以及电眼图；

(3) 将光纤长度更换为10 km，重新进行步骤(1)的测试，这里需要调整光模块的发射参数，以得到一个最好的光眼图以及最佳的传输灵敏度；

(4) 紧接着步骤(3)，重新测试发射光信号通过准相干接收器后的10 km传输灵敏度以及电眼图，同样需要调整光模块发射参数以及准相干接收器的参数，以获得最佳测试结果；

(5) 继续改变传输光纤长度，重复测试灵敏度及眼图，需要注意的是，为减少光模块温度及环境的影响，测试完光模块本身的直接检测性能后应立即进行准相干接收器的测试。

3 实验结果与分析

实验比较了普通25 Gbit/s C波段光模块自发自收和使用准相干接收器在不同光纤长度下测得的接收灵敏度以及传输代价，具体实验数据如表1所示。

表1 接收灵敏度及传输代价(最佳参数)

为了更直观地比较APD直接检测与准相干接收器的测试结果，根据表1数据绘制了如图3所示的曲线图。

图3 随距离变化的灵敏度曲线

由图可知，光模块自发自收的测试结果符合一般25 Gbit/s DWDM光模块的性能，即满足10 km传输要求，最长使用距离可达到15 km；而使用准相干接收器后可以看到测试灵敏度明显提高，传输距离也可延长至25 km以上。

0 km条件下，准相干接收器的灵敏度为-23.2 dBm，比APD直接检测高1.5 dBm；经10 km光纤后，准相干接收器的灵敏度仍可达到-20.5 dBm，比直接检测高1.2 dBm。虽然灵敏度有很大提高，但10 km以内的传输距离显然并不能体现准相干接收技术的优势，因为目前普遍使用的APD直接检测技术所获得的灵敏度值也能够满足一般使用需求。

15 km以上的距离，准相干接收器的测试数据全面优于直接检测，直接检测在经过15 km光纤后获得的传输灵敏度为-17.0 dBm,传输代价达到4.7 dB，继续延长光纤长度后，直接检测技术已经无法使误码仪测得的误码率小于5E-5了；而准相干接收器在15 km时测得的灵敏度高达-19.6 dBm，传输代价只有3.6 dB，当传输距离达到20 km时，测得的灵敏度为-17.8 dBm，依然优于直接检测的15 km传输灵敏度，当传输距离增长为25 km时，准相干接收器面对严重劣化的信号仍可得到高达-14.5 dBm的传输灵敏度。受限于实验室传纤筒条件，25 km传输距离后只能直接延长至35 km，此时准相干接收器最多只能使误码率达到8E-5。根据前面的测试数据推断，本次测试的准相干接收器最远可使普通25 Gbit/s DWDM光模块传输距离达到30 km左右。

为探究准相干接收技术对长距离传输后光信号的处理能力，实验还测试了一组光眼图和电眼图，如图4～5所示。

图4 不同传输距离下的光眼图

由图4可知，经过10 km传输后光眼图中间的“眼”就发生了畸变，不过并不明显；经15 km传输后，光眼图的形变已经相当严重了，但依然符合非归零(Non-Return-to-Zero,NRZ)信号的眼图；而在20 km传输之后，可以看到出现了上下两个眼图，这时传统直接检测技术就无法处理了；经25和35 km传输后，光眼图劣化更加严重，几乎无法看出眼图了。光眼图经过传输后发生劣化的现象主要是由于色散引起的选择性频率衰落导致的，在频域内，色散在信号中引入了线性变化的群时延[11]。当直接检测中PD对信号进行平方时，相应的上下边带的频率分量会相互干扰。当给定频率分量上下边带之间的群时延正好为180 °时，该频率分量就会被抵消，从而导致严重的信号退化。

图5所示为经准相干接收器处理后不同传输距离下的电眼图。由图可知，虽然15 km传输后光眼图形变严重，但是经准相干接收器处理后，电眼图已恢复得足够清晰了；准相干接收器处理经20 km传输后的光信号时依然表现良好，得到的电眼图与10 km传输后的光眼图差距不大，因此测得的灵敏度数据仍较好；经25 km传输后得到的电眼图也比光眼图好很多，不过还是有生成两个眼图的趋势，所以尽管25 km传输仍在准相干接收器的处理范围之内，但是测得的灵敏度数据较差。从灵敏度测试结果来看，经过35 km传输后，准相干接收器也几乎无法处理了，但是相比劣化严重的光眼图来说，准相干接收器处理后的信号，依旧能显现出肉眼可见的电眼图，可知35 km也许并非准相干接收技术的极限。

图5 经准相干接收器处理后不同传输距离下的电眼图

4 准相干接收技术的应用

由实验结果可知，在面对主流光模块发射端产生的NRZ光信号时，相比传统的APD直接检测技术，准相干接收技术可以使模块的灵敏度和传输距离都得到相当大的提升。因此，准相干接收器可以很好地兼容现有技术和光通信网络，如果能将其应用到现存的光模块中，就能以一个较小的代价完成对DWDM光通信网络的升级。但由于准相干技术刚提出不久，具体如何将准相干接收器应用于光模块中还需要讨论和研究，以下为本文提出的一些设计和设想。图6所示为准相干接收器最简单的一种应用方案结构图，该方案将准相干接收器直接应用于光模块中，相当于只是给现有光模块更换了一个接收器。这种设计方案的优点是模块结构简单、清晰，易于实现。但是考虑到准相干接收器内部元件远比传统接收器要多，即使进行集成后也难以使它的大小接近现有接收器，所以如果按照上图的设计，在实际应用时很可能需要采用更大的模块封装形式，这样一来，不仅模块的成本会相应提高，模块内部空间的利用率也较低。

图6 准相干接收器直接应用于光模块

为解决以上问题，本文又提出了一种新的设计方案，模块结构设计如图7所示。

图7 双通道准相干光模块

图7所示为准相干接收器的进一步应用方案，该方案对准相干接收器的原有结构进行了改进，并将其应用于双通道光模块中。由图可知，虽然这种设计方案明显比第1种要复杂，但是它不仅能够充分利用光模块的内部空间，而且还充分利用到了本振激光器。毫无疑问，将高功率激光器仅仅作为本振光源是比较浪费的，在双通道设计中，光模块的发射端具有两个高功率激光器，只要使这两个激光器具有一个稳定且适当的频差，那么这两个激光器在输出光信号的同时，还能互相作为对方波长接收信号的本振光源。只要通过分光器将高功率激光器发出的光信号引入光模块的接收端作为本振光，在接收对应波长的光信号时，就可以满足接收端准相干接收器的工作条件。

事实上，以上准相干接收器的改进设计显然还可以有单通道的应用版本，但是综合考虑模块的成本与性能，双通道的光模块还可以提升单个光模块的传输速率，相对来说更适合实际应用。另外，可以看到以上设计的两种应用方案的结构图中，都单独列出了DSP单元，这其实是更进一步的设想；第一，可以通过DSP单元在光模块中加入电色散补偿功能，从而使得结合准相干接收技术后的模块得到更好的接收灵敏度以及更远的传输距离；第二，实验证明了准相干接收器能够很好地处理NRZ信号，那么它很可能只需要略作改进，在处理调制方式接近的四电平脉冲幅度调制(4-Level Pulse Amplitude Modulation，PAM4)信号时，也能得到较好的结果，如果以后验证了这个设想，那么DSP单元也可以用来输出PAM4调制信号，这样在提升模块传输距离的同时还能提高模块传输速率。

5 结束语

为解决使用强度调制和直接检测技术的传统高速光模块在C波段传输距离过短的问题，本文对一种准相干接收技术进行了研究，分析了准相干技术的原理和准相干接收器的结构；也结合常规的25 Gbit/s DWDM光模块进行了实验研究，测试了眼图和灵敏度等数据；最后还提出了对如何应用准相干接收技术的一些设计和设想。

实验发现，准相干接收器在不使用任何电色散补偿芯片或光学色散补偿模块时，就可以处理经25 km常规单模光纤传输后的C波段25 Gbit/s强度调制信号。与传统的直接检测技术相比，准相干接收技术可以大大延长光模块的传输距离，传输灵敏度也得到了提高；与相干检测技术相比，准相干接收器的结构更加简单，成本也降低了许多。研究也表明，准相干接收技术仍有很大的进步空间，后续可以尝试降低本振激光器以及PD等的要求以降低成本；或可以再加入DSP芯片，引入电色散补偿和均衡技术，以提高准相干接收器对色散的处理能力。文章最后讨论了准相干接收技术的应用方案，提出了两种准相干光模块的设计，一种设计结构简单，易于实现，另一种设计为双通道光模块，对准相干接收器的结构进行了改进，更具有实用性。

总而言之，本次研究体现了准相干接收技术的显著优点以及广泛的应用前景。它能够应用于主流的强度调制光模块，在当前光通信网络急需升级的情况下，可以作为一种相当有竞争力的备选技术。