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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(jì)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?yàn)g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(jì)。通過 pLogic 的GUI來設(shè)計(jì)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(jì)和分析。
% u9 D6 y: a9 I$ P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(qiáng)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(jì),展示了發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)組件。- ?6 A, s6 T! F, }! t
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(qiáng)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。: f( K6 _3 Q" u- g" \
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。4 _, k+ V  h" i! P1 I, B" k
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。4 O- u+ |  F# w! {
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(bǔ)償和處理,進(jìn)一步增強(qiáng)傳輸性能。# u6 ^; l/ J8 N$ {# w! E
相干發(fā)射器設(shè)計(jì)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。
1 i; d, @  ~' O5 S9 ?+ i4 t發(fā)射器(Tx)設(shè)計(jì)
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5 z" n; @6 V3 _1 F

, T1 T! C; h' A3 b3 v8 A . J$ E: p/ C0 o5 x
圖2:發(fā)射器(Tx)設(shè)計(jì),展示了電信號生成、光信號生成和信號調(diào)制組件。' b- p. r( P, h$ r9 I
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(jī)比特序列)生成器:產(chǎn)生隨機(jī)比特序列。
  • NRZ(非歸零)轉(zhuǎn)換器:將PRBS信號轉(zhuǎn)換為NRZ格式。4 s6 X3 n" S6 B& k
    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)。8 @; ~+ h  @- k; i3 v2 p
    3.信號調(diào)制:
    " z. Y! r1 ]  p% L5 x" a) }
  • MZM:調(diào)制光強(qiáng)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。
    / w/ J7 T8 K0 w: d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(qiáng)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。
    8 m0 G' H' G- z* P1 c+ c0 u; x接收器(Rx)設(shè)計(jì)
    - P1 ^& K2 f, J1 P  Q
    + S) a# Z0 l- S, [& z3 _2 r5 z圖3:接收器(Rx)設(shè)計(jì),展示了信號傳輸、參考光信號生成和信號分析組件。6 b6 e" @& T2 G' {
    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(dú)的定向耦合器(DC)。
    8 @( I2 D9 ?- H
    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(dú)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。
    0 R0 N  S" K3 T4 W+ U+ b6 l7 r3.信號分析:
    % ^, `* W7 n! o3 g& j  P( I$ y% i( 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。
    ( ]7 e' l4 M: B* J7 ?
    7 s& k: @+ k% x2 F
    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。8 h! `- G8 W4 Y+ O
    眼圖分析
    8 a7 g7 U0 S7 M8 m" _7 k( @: j" ^. G) Q) G- d0 n3 V# k$ S) ^

    # V" p- _4 w* n' I1 m( B  h1 g/ Z圖4:眼圖1和2,展示了信號質(zhì)量和失真分析。
    & ]9 j8 W, u) D3 `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。
    8 c" x& k& `+ n2 A' I+ Y/ b6 z; X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。! J* x4 Z* C4 h
    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。4 ]7 i; g/ M! L6 E& @: G
    2.抖動:由眼圖交叉點(diǎn)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。
    $ _3 W- E. w3 N3 _: W- i2 @3.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。
    7 S  f0 z9 |# m/ E4.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。8 A* t; c8 i( R/ V3 R( B' J  R2 J
    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。5 D5 t- `* K/ T2 L
    結(jié)論相干光檢測和收發(fā)器設(shè)計(jì)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。; R! u# P( k$ m3 Z; X: R' D  T  c- x
    我們探討的相干光收發(fā)器設(shè)計(jì)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。7 H7 ^* q5 W( ~1 s0 }; c  D& H
    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(jì),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)。, J4 u. L% f- i$ b, ]( n
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    # I5 {" Z) X2 i6 D轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!8 N8 K* S- a& D, e; Z$ ~

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    ! E0 W! O( `0 p( D% ?/ L; Z6 z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(jì)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(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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)。
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