100G相干光模块设计
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摘要：100g 相干光模块的设计中，凭借相对于其他方式的高OSNR和灵敏度等优点，DP-(D)QPSK逐渐成为业界的主流。本文从DP-(D)QPSK的选择出发，按照TX、RX端的信号流向，对整个DP-(D)QPSK进行设计，并着重对RZ-DP-QPSK信号的产生与解调进行研究，得出结论。
关键词：相干检测；DP-QPSK；归零码调制器；光调制解调
中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）18-0181-02
0 引言
对于100Gb/s高速通信系统而言，已出现多种新型的100Gb/s调制编码格式。面对特征各异的传输码型，在综合考虑其传输系统各项参数的基础上，传输距离、通道间隔、兼容性、模块化和成本等成为了码型选择的主要考虑因素。随着人们对100Gb/s系统编码的研究开发，相干偏振复用四相相移键控(Coherent Detect DP-QPSK)逐渐成为业界主要的选择。
相干光通信有很多显著的优点，其中，一个是相干光通信中相干检测技术能够改善接收机的灵敏度，增加了光信号的无中继传输距离和抗衰耗、抗干扰能力。另一个是因为相干检测技术能够采用数字信号处理（DSP）的方式在电域对光纤线路中的色散、偏振模色散PMD和非线性效应进行均衡和补偿，改善线路色散容忍度和ROADM滤波容限，使得它能在实际的超长途传输范围内尽量减少中继，从而使得100G DP-QPSK具有非常优越的整体性能，以及十分广泛的应用市场和长期的市场竞争力。
1 总体设计
在整体设计方案中，主要考虑TX和RX端信号流的整个走向。如图1所示，在TX端，通过主要的接口组Host interface输入的10G SFI-S信号，经由MUX芯片后复接为四路2.5G电信号输出，即为图中的X0，X1，Y0，Y1信号。这四路电信号通过驱动器分别放大后分别提供给DP-QPSK Modulator的RF电口用于偏振态和四相位的光调制。同时MUX芯片也会跟踪10GHZ的时钟信号CLK，CLK信号经过驱动器放大后提供给归零码调制器RZ Carver的RF电口用于归零码的实现。激光源Laser1发出的白光经过RZ Carver实现归零后输入给DP-QPSK Modulator的光口，用于偏振态和四相位的光调制。这样RZ-DP-QPSK码型的光信号就在TX端产生了。在RX端，接收到的RZ-DP-QPSK光信号会在集成光接收机内分离成两个偏振态后与Laser2产生的本振光分别进行混频，混频后的光信号经由集成光接收机后输出四路2.5G差分电信号。这4路差分信号通过高速ADC采样，送入DSP进行误码率、星座图、OSNR等性能的分析，通过ADC和DSP芯片内部算法，完成信号的解调制、各种损伤补偿和性能优化。处理后恢复出信号，完成DP-QPSK信号的解调制。目前业界可运用的带ADC和DSP的DMUX还很少，未来高速ADC和DSP芯片中会带有MUX/DMUX功能模块。（图1）
2 RZ-DP-(D)QPSK光调制信号的产生
RZ-DP-（D）QPSK信号的产生，如图2所示，MUX芯片模块跟踪提取的输入信号的时钟CLK信号，经过RZ Driver放大后，输入到RZ Caver中；同时，激光源Laser输出的白光，也输入到RZ Caver中，这样，就在RZ Caver中完成了对Laser输出的白光的归零调制。归零调整后的光信号输入到DP-QPSK Modulator中，与MUX芯片产生的四路2.5G的电信号进行调制，具体过程为：经过RZ Caver调制后生成的归零光束，首先进入到DP-QPSK Modulator中的BS模块，将输入的光信号等分为两束光。DP-QPSK Modulator内部由两个QPSK modulator组成，被BS等分的归零光束，分别就在QPSK modulator 1和QPSK modulator 2中与经过放大后的四路2.5G的电信号进行相位调制，产生两路RZ-(D)QPSK光调制信号。生成的两路RZ-(D)QPSK光调制信号中的一路经过偏振旋转器 ( Pol Rot)后，其携带的光调制信号被转移到与原来调制信号方向垂直的偏振方向上，如图中的X-pol所示，即与另一路RZ-(D)QPSK调制信号方向垂直，如图中的Y-pol信号所示。两路偏振方向相互垂直的RZ-(D)QPSK光调制信号X-pol/Y-pol经过RZ-(D)QPSK Modulator中输出端的BC后，就将偏振方向垂直的两路RZ-(D)QPSK调制成一路RZ-DP-(D)QPSK光调制信号输出。图2中右边蓝色和绿色的圆点分别代表两个偏振方向上的RZ-(D)QPSK信号。
但是，为了产生一个性能优越，尽可能理想的RZ-DP-(D)QPSK光调制信号，还需要关注RZ-DP(D)QPSK信号生成过程中的参数控制。
对于通过MUX芯片跟踪提取的CLK时钟，根据不同的归零码调制器偏置电压（RZ Vbias），设置不同的电信号幅度，并保证电信号幅度的稳定可靠。具体而言，对于半速率时钟CLK，必须将提供给归零码调制器RZ Caver的信号幅度调整为Vpi的2倍，具体做法是将偏置电压RZ Vbias设置在调制器曲线的波谷点；而对于全速率时钟电信号而言，将偏置电压设置在调制器曲线的正交点，保证放大后进入到RZ Caver中的CLK信号的幅度为Vpi；同时，对于DP-QPSK Modulator模块中每一个QPSK modulator，如图3所示，需设置三个调制器偏置电压Vbias1、Vbias2和Pi/2 Vbias1，其中，两个数据调制器的偏置电压Vbias1、Vbias2分别设置成对应调制器曲线的波谷点；而对于Pi/2移相器的偏置电压Pi/2 Vbias1，则需将其设置为对应调制器曲线的正交点。通过QPSK modulator的设置，确保进入到DP-QPSK Modulator中两个QPSK modulator的用于相位调制的电信号幅度等于2倍的Vpi，并维持信号幅度的稳定。
3 RZ-DP-(D)QPSK光信号的解调
在RZ-DP-(D)QPSK相干检测系统中，对于RZ-DP-(D)QPSK信号的解调，接收到的信号经过偏振分数器PBS（Polarization Beam Splitter）后被分成X、Y两个垂直的偏振态，每个偏振态的光信号分别输入到光学双工器Optical Hybrid中与Laser源发出的被BS一分为二的本振光进行混频。混频后的中频信号，由8个高速的PD接收，经过TIA单元放大后，按照XI、XQ、YI、YQ四个通道输出。输出的内差电信号Intradyne，不能直接检测，需继续送入到带有高速ADC采样和DSP处理的MUX/DMUX中进行处理，通过前向纠错FEC，恢复出信号。
4 总结
100G DP-(D)QPSK码型的光模块是用于100G波分线路侧的关键技术，与其他的线路侧模块相比，由于其良好的OSNR性能、灵敏度、色散容限、DGD容限等性能，逐渐成为业界的首先。但其相应的带ADC和DSP的MUX/DMUX芯片高端模块还没有完全推出，加上调制器、解调器和Driver等都是四路并行结构，高的电场干扰和复杂的布线等问题首当其冲，在设计100G高速通信系统时，还需要综合考虑。
参考文献：
[1]OIF-MSA-100GLH-EM-01.0, "Multisource Agreement for 100G Long-Haul DWDM Transmission Module – Electromechanical", 6/2010
[2]OIF-DPC-RX-01.0, "Implementation Agreement for Integrated Polarization Multiplexed Quadrature Modulated Transmitters", 4/2010
[3]张远望.100G以太网技术和应用[J].中兴通讯技术，2009，（05）.