光混合实现下一代光通信

光混合实现下一代光通信

介绍

自20世纪90年代末以来，通过引入EDFA、DWDM、色散补偿和FEC技术，超长距离和长距离光纤通信系统的传输能力显著提高。对于利用这种技术的光纤通信系统，与直接检测方法相结合的通用开/关键控（OOK）调制格式已经足以解决每个信道高达10Gb/s的数据速率问题。

为了经济地将覆盖范围和数据容量扩展到这种遗留系统之外并进入下一代网络，须进行一些技术进步，包括但不限于：1）采用差分相移键控（DPSK）调制格式，而不是OOK；2） 光学相干检测的发展；以及3）自适应电均衡技术的进展。综合起来，这些技术将提高信号的稳健性和频谱效率，以抵御噪声和传输损伤。

光信号技术中的这些关键进步不再是理论上的可能性，而是当今光网络技术中可行的解决方案。光相干系统的路径已经通过以下方式铺平：1）由第1层网络提供商部署DPSK调制系统；以及2）接收器中电子DSP电路的计算能力和速度增加，这为昂贵且困难的光学锁相环提供了有效的自适应电均衡解决方案。这些进步，加上Optoplex引入了商业上可行的六端口光混合解决方案，应该会让一级提供商和运营商暂停，重新评估他们早期不采用和实施光相干检测方案的理由。

光学相干系统

1990年左右，作为提高接收器灵敏度的一种手段，研究了用于光信号传输的相干系统的商业可行性。与现有的光学直接检测系统技术相比，光学相干检测方案不仅可以检测光信号的幅度，还可以检测相位和偏振。随着光学相干检测系统的检测能力和光谱效率的提高，可以在相同的光学带宽内传输更多的数据。更重要的是，由于相干检测允许检测并因此测量和处理光信号的相位和偏振，因此，当光信号转换到电子域时，理论上可以以电子方式减轻先前对准确数据接收提出挑战的传输损伤。

然而，这项技术从未获得商业吸引力，因为现有的系统和技术无法实现光学相干系统的实现和好处。

在非理论网络中实现相干检测系统需要1）一种将发射器和接收器之间的频率差稳定在紧密容差内的方法；2）更小化或减轻频率啁啾或其他信号抑制噪声的能力；以及3）“光混合器”的可用性，以适当地组合信号和本地放大光源或本地振荡器（LO）。这些技术在20世纪90年代还没有出现。光学相干系统的采用和商业化的另一个挫折是引入了EDFA，这是解决灵敏度问题的另一种低成本解决方案。

•与非相干系统相比，接收器灵敏度提高了15至20dB，因此允许更长的传输距离（在1.55µm光纤附近增加100 km）。这种增强对于天基激光通信尤其重要，因为在天基激光通信中，无法获得类似于EDFA的基于光纤的解决方案。

•与DPSK或DQPSK等复杂调制格式兼容。

•对光信号的振幅、相位和偏振进行并行检测，从而可以传递和提取更详细的信息，从而提高对网络损伤（如色散）的容忍度，并提高系统性能。

•更好地抑制DWDM系统中相邻信道的干扰，允许在传输频带内封装更多信道。

•将接收到的光信号线性转换为电信号，然后可以使用现代DSP技术对其进行分析。

•适用于安全通信。

现在采用相干光学系统的经济和技术理由越来越多。学术和工业研究结果表明，使用先进但可商购的光学元件，相干光学系统在今天是可行的。Optoplex开发的六端口90°光混合器件正是基于这样的实际要求。

六端口光混合

自20世纪90年代中期以来，六端口混合设备已被用于微波和毫米波探测系统，是相干接收机的关键部件。原则上，x端口设备由线性除法器和组合器组成，它们以这样的方式互连，即获得参考信号（LO）和待检测信号的四个不同的矢量相加。四个输出信号的电平由平衡接收器检测。通过应用合适的基带信号处理算法，可以确定未知信号的幅度和相位。

对于光学相干检测，六端口90°光学混合将在复场空间中将入射信号与与参考信号相关的四个象限状态混合。然后，光学混合装置将四个光信号传送到两对平衡探测器。相干接收机的方框图见图1。

图1.光相干接收机原理图。

设S（t）和R表示光混合的两个输入，）]2（t）exp[j（nπS+R，n=0，1，2和3表示它的四个输出。以PSK调制和相位分集零差接收机为例，可以为四个检测器接收的信号功率写出以下表达式：

其中，PS和PR分别是信号和参考功率，θS（t）是信号相位调制，θC（t）相对于LO相位的载波相位。通过适当的减法，馈送到TIA的两个光电流可以表示为

包括光信号的幅度和相位信息。因此，平均电信号功率由4PR/PS的因子放大。在这种线性变换之后，信号被电子滤波、放大、数字化，然后进行处理。与双端口光学混合相比，额外的两个输出消除了参考源（LO）的强度波动。

光学相干接收机要求信号和参考光束的偏振态相同。这不是一个门控项目，因为在光束进入光混合之前，可以使用各种方案或设备来分解和控制光束的偏振状态。此外，某些偏振控制器可以用于为光学相干系统提供额外的安全功能，通过实施偏振加扰和编码技术防止第三方窃听信息或数据流。

光混合的实现

出于实验室目的，传统上使用两个50/50分束器和两个光束组合器以及一个90°移相器来构建90°光学混合（见图2）。这些光混合可以使用全光纤或平面波导技术来实现；然而，这两种方法都有各自的缺点。这两种技术都需要精密的温度控制电路来维持精确的光程长度差，以便在输出端维持精确的光学相位。此外，基于纤维的设备本身体积庞大，并且在机械冲击和振动方面不稳定；然而，基于波导的产品存在高插入损耗、高偏振依赖性和制造成品率问题。基于波导的产品也不能灵活地进行定制，并且需要大量的资本资源来建立。

图2.光纤或波导实现光混合。

出于实验室目的，传统上使用两个50/50分束器和两个光束组合器以及一个90°移相器来构建90°光学混合（见图2）。这些光混合可以使用全光纤或平面波导技术来实现；然而，这两种方法都有各自的缺点。这两种技术都需要准确的温度控制电路来维持准确的光程长度差，以便在输出端维持准确的光学相位。此外，基于纤维的设备本身体积庞大，并且在机械冲击和振动方面不稳定；然而，基于波导的产品存在高插入损耗、高偏振依赖性和制造成品率问题。基于波导的产品也不能灵活地进行定制，并且需要大量的资本资源来建立。

Optoplex的无源光混合

Optoplex的90°光学混合装置基于迈克尔逊干涉仪原理。迈克尔逊干涉仪原理已在自由空间大体积光学和光学元件制造中得到验证和测试。自由空间大尺寸光学是一种成熟的技术，在为光纤通信行业提供许多关键元件方面有着良好的记录，如循环器、偏振光束组合器、

波长锁定器、色散补偿器、交织器和DPSK解调器。此外，基于大块光学器件的器件具有低插入损耗，并且它们的核心光学器件可以很容易地耦合到商用光纤准直器。

迈克尔逊干涉仪设计的基本优势在于，所有光束在其大部分路径上共享相同的主要光学元件，因此不同输出之间的相位关系——一个关键性能参数——对温度变化、机械冲击和/或振动不敏感。

图3.Optoplex的光学混合设备的说明性光学布局。

Optoplex的无源光混合设计采用了Optoplex无源、无热交织器和DPSK解调器共享的相同核心光学平台、准直和密封封装技术。这些产品经过了严格的Telcordia测试，并得益于多年的制造经验。

Optoplex的光学混合系统不受任何主动控制，体积小巧（小于40 x 40 x 14 mm），与偏振无关，且热稳定。标准光学设计布局示意图见图3。下表列出了Optoplex光学混合系统的几个关键参数的可实现规格。

Optoplex基于迈克尔逊干涉仪的光学混合也可以与偏振控制器集成，偏振控制器是光学相干接收器所需的组件（见图1）。通过将光学混合和偏振控制器集成到一个设备中，可以制造出更具成本效益、更紧凑和性能增强的组件。相比之下，所有基于光纤或波导的设备都无法实现这些相同的好处，因为这些技术无法类似地组合在一起。

已经克服了阻碍采用光学相干系统并将其商业化的技术障碍。首先，可以通过电子技术中的电流进步来实现将发射机和接收机之间的频率差稳定在接近的公差内；其次，系统设计者已经开始在网络系统中引入PSK调制格式，从而消除了与OOK相关的频率啁啾；最后，随着Optoplex的光混合技术的引入，在光域中混合信号和参考光束的最终关键部件已经可用。

这些关键技术领域的进步应该为运营商重新审视光学相干系统的好处和经济原理创造足够的动力。使用Optoplex的光混合，可以实现相干检测方案的全部优势：更高的接收器灵敏度、与PSK调制的兼容性、对传输损伤的更大容忍度、可用带宽内的更多信道以及安全的通信。随着相干检测在光通信行业内激起新的兴趣，一场革命可能很快就会到来。Optoplex准备推出一款许多研究人员和网络系统开发人员期待已久的产品。