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pSim Plus光電融合仿真案例:相干光收發(fā)器的設(shè)計與檢測

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發(fā)表于 2024-9-6 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
引言相干光通信技術(shù)在電信領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)步,在靈敏度和頻譜效率方面表現(xiàn)出色。本文將簡介相干光檢測的原理以及相干光收發(fā)器的設(shè)計。通過 pLogic 的GUI來設(shè)計并且調(diào)用 pSim Plus 完成仿真。使用的pSim Plus光電融合仿真工具,具備光鏈路和器件仿真接口,進(jìn)行光電融合仿真,使用戶能夠使用單一仿真器完成復(fù)雜的光電系統(tǒng)設(shè)計和分析。
5 ^( e3 V! W! P- Y+ z% |( O相干光檢測簡介相干光檢測是先進(jìn)的信號檢測方法,利用相干光源。與傳統(tǒng)的強度檢測方法相比,這種技術(shù)在靈敏度和頻譜效率方面具有顯著優(yōu)勢。
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圖1:相干光收發(fā)器設(shè)計,展示了發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)組件。
' j: M( ?% |+ m1 X$ u4 q' x# P相干光檢測是先進(jìn)的信號檢測方法,利用相干光源。與傳統(tǒng)的強度檢測方法相比,這種技術(shù)在靈敏度和頻譜效率方面具有顯著優(yōu)勢。
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相干光檢測的優(yōu)勢1.高靈敏度相干檢測可以在較低的信噪比下檢測信號,顯著提高系統(tǒng)靈敏度和傳輸距離。2 v+ D# o) d% M$ X! d1 a: @7 Z
2.高頻譜效率此方法支持各種高階調(diào)制格式,大大提高了頻譜效率。
' l2 m$ e; @$ V* e2 T% ?3.數(shù)字信號處理(DSP)相干檢測保留了信號的相位信息,允許通過DSP進(jìn)行各種補償和處理,進(jìn)一步增強傳輸性能。
4 p7 ]# d% w" Q相干發(fā)射器設(shè)計相干光收發(fā)器主要由兩個部分組成:發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)。讓我們詳細(xì)研究每個部分。
+ F* }, H( k1 Q- F+ X9 v發(fā)射器(Tx)設(shè)計
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圖2:發(fā)射器(Tx)設(shè)計,展示了電信號生成、光信號生成和信號調(diào)制組件。, S3 D. ]7 b7 b  @
相干光系統(tǒng)中的發(fā)射器負(fù)責(zé)生成和調(diào)制光信號。主要包括三個階段:1.電信號生成:
  • PRBS(偽隨機比特序列)生成器:產(chǎn)生隨機比特序列。
  • NRZ(非歸零)轉(zhuǎn)換器:將PRBS信號轉(zhuǎn)換為NRZ格式。3 [7 ^# n5 S, J, M- A+ {5 \
    2.光信號生成:
  • CW(連續(xù)波)激光器:為光信號調(diào)制提供穩(wěn)定的光源。
  • Y分路器:將光路分成兩個分支,供給兩個MZM(馬赫-曾德調(diào)制器)。
    ( |% p) h! A3 m2 A8 k3.信號調(diào)制:; Z5 F' n7 p% z- d
  • MZM:調(diào)制光強度,將數(shù)據(jù)嵌入光載波。
  • 光相移器:調(diào)制光信號的相位。
  • Y合路器:將兩個光信號合并為單一輸出。: ~8 e0 l) p# M: ]
    電信號生成階段創(chuàng)建NRZ調(diào)制的電信號,作為MZM的調(diào)制源。光信號生成階段提供穩(wěn)定的光源,然后分成兩條路徑。在信號調(diào)制階段,MZM調(diào)制光強度,而光相移器調(diào)制相位。最后,Y合路器將兩個調(diào)制信號合并為單一輸出。
      I3 m8 {5 X. [: A接收器(Rx)設(shè)計, u' r+ ]# t& D) ]# x0 n7 \2 x

    * Z. M% p6 P4 C2 b& Z$ k# `* ^圖3:接收器(Rx)設(shè)計,展示了信號傳輸、參考光信號生成和信號分析組件。7 D5 M% v* }( _
    相干光系統(tǒng)中的接收器負(fù)責(zé)檢測和分析傳輸?shù)男盘枴V饕ㄈ齻階段:1.信號傳輸:
  • 濾波器:傳輸入射信號。
  • 分路器:將信號分成兩條路徑,每條路徑連接到單獨的定向耦合器(DC)。/ `$ ^& A* Q, E; E
    2.參考光信號生成:
  • CW激光器:為光信號調(diào)制提供穩(wěn)定的光源。
  • 分路器:將光路分成兩條,每條連接到單獨的DC。
  • 光相移:在傳輸?shù)紻C之前對一條光路進(jìn)行相位調(diào)制。
  • DC(定向耦合器):耦合和分配信號。
    7 }, q  }& A; j. u. A2 Q/ j3.信號分析:7 {- b, Z& {6 q. E9 y+ c$ ^1 b: g
  • PD(光電探測器):將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
  • 減法器:執(zhí)行差分操作以消除干擾。
  • LP RC濾波器:去除信號中的高頻噪聲。眼圖:評估信號質(zhì)量和失真。
    ; X2 h% ?9 P6 `; J- A- C

    - ~* i3 B' Q! _5 v在信號傳輸階段,入射信號經(jīng)過濾波和分路成兩條路徑。參考光信號生成階段使用CW激光器創(chuàng)建參考信號,然后分路并進(jìn)行相位調(diào)制,再發(fā)送到定向耦合器。在信號分析階段,光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,然后進(jìn)行處理以去除干擾和噪聲。最后,使用眼圖評估接收信號的質(zhì)量。; j9 b" h  \0 W' s, K
    眼圖分析
    " }& o) \! ]- G; ~* q7 Y
    0 @9 R  j. w& c3 n; k8 a * N  B6 D, a+ {( y5 @; |" _* Q+ z3 K
    圖4:眼圖1和2,展示了信號質(zhì)量和失真分析。
    : e& K* O$ j! a6 U7 G眼圖是評估光通信系統(tǒng)性能的重要工具。提供了信號質(zhì)量的可視化表示,有助于識別各種類型的信號失真。
    $ B1 Z" o, Q4 ~) t. k4 H6 P2 o圖中可以看到兩個眼圖。這些圖是通過將接收信號的多個比特疊加在一起而創(chuàng)建的。結(jié)果的圖案類似于眼睛,因此得名。
    3 K/ w$ L; T8 W& b3 l2 [眼圖分析的關(guān)鍵方面包括:1.眼圖開口:圖中中央的清晰區(qū)域。較大的開口表示信號更干凈,噪聲和失真較少。5 z# T* `! ^4 J' a5 n. r# r
    2.抖動:由眼圖交叉點處線條的粗細(xì)表示。抖動越小,線條越細(xì),表示時序穩(wěn)定性更好。
    / K' v* a6 c# J0 F# b3.上升和下降時間:由轉(zhuǎn)換的斜率表示。斜率越陡,表示上升和下降時間越快,通常這是理想的。0 ]- x8 N6 c6 R2 f, I
    4.幅度變化:由眼圖上下電平的粗細(xì)表示。電平越細(xì),表示幅度噪聲越小。
    / o, |4 z" ~' o" F通過比較圖中的兩個眼圖,我們可以評估不同系統(tǒng)配置的相對性能或識別信號傳輸中的潛在問題。
    / Z: e. q) E, T' [7 w6 x
    結(jié)論相干光檢測和收發(fā)器設(shè)計代表了光通信技術(shù)的重大進(jìn)步。通過利用相干光混合和先進(jìn)的信號處理技術(shù),這些系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法相比,提供了更高的靈敏度和頻譜效率。( \' m2 e9 b* @5 y  a5 X
    我們探討的相干光收發(fā)器設(shè)計展示了發(fā)射器和接收器中電子和光學(xué)組件之間復(fù)雜的相互作用。從電信號的生成到光載波的調(diào)制,從這些信號的接收到分析,每個階段在確保高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸中都發(fā)揮關(guān)鍵作用。; ?) Z  L% O* P3 S, |6 K
    隨著我們對通信網(wǎng)絡(luò)中更高數(shù)據(jù)速率和更長傳輸距離的需求不斷增加,相干光系統(tǒng)將發(fā)揮越來越重要的作用。通過理解本文討論的原理和設(shè)計,工程師和研究人員可以繼續(xù)推動光通信可能性的邊界,為未來更先進(jìn)、更高效的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。: g# C% G7 F! S# V2 G9 S

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    2 ^- {, i! O  M  u" M4 W軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。* f. q9 j( \2 W: V' M# ~
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    & Z" h5 g+ U* B( y% T% T" M  c+ q深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。6 w( }: d- l1 V, r1 g1 K
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