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引言相干光通信技術(shù)在電信領(lǐng)域帶來(lái)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(jiǎn)介相干光檢測(cè)的原理以及相干光收發(fā)器的設(shè)計(jì)。通過(guò) pLogic 的GUI來(lái)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。
6 Q6 h: V# y* X& V; I相干光檢測(cè)簡(jiǎn)介相干光檢測(cè)是先進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)方法,利用相干光源。與傳統(tǒng)的強(qiáng)度檢測(cè)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(shì)。
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9 I( D& {4 S8 ?/ c8 U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。" t7 {5 X, c' _) f# y9 k; U9 p
相干光檢測(cè)是先進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)方法,利用相干光源。與傳統(tǒng)的強(qiáng)度檢測(cè)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(shì)。
8 E2 v) u- |& ~- S5 ?! k相干光檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)1.高靈敏度相干檢測(cè)可以在較低的信噪比下檢測(cè)信號(hào),顯著提高系統(tǒng)靈敏度和傳輸距離。1 }6 `& g& a! J' a% n
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。
6 W0 B, O8 g1 ~6 F- B; C$ _3.數(shù)字信號(hào)處理(DSP)相干檢測(cè)保留了信號(hào)的相位信息,允許通過(guò)DSP進(jìn)行各種補(bǔ)償和處理,進(jìn)一步增強(qiáng)傳輸性能。1 A, z# ?, g& h
相干發(fā)射器設(shè)計(jì)相干光收發(fā)器主要由兩個(gè)部分組成:發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)。讓我們?cè)敿?xì)研究每個(gè)部分。
0 R. Y; F) p& Z( ~5 @5 p9 a發(fā)射器(Tx)設(shè)計(jì)5 g5 J8 ?# h6 v" N3 b1 R' }; O
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$ ?3 ?- Z) D& x& H. y8 {圖2:發(fā)射器(Tx)設(shè)計(jì),展示了電信號(hào)生成、光信號(hào)生成和信號(hào)調(diào)制組件。) S7 j# [ i' O* }# ?! O' X
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(hào)。主要包括三個(gè)階段:1.電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為NRZ格式。2 V6 C9 `- ]6 m% R% d& s* `, w+ y
2.光信號(hào)生成:CW(連續(xù)波)激光器:為光信號(hào)調(diào)制提供穩(wěn)定的光源。Y分路器:將光路分成兩個(gè)分支,供給兩個(gè)MZM(馬赫-曾德調(diào)制器)。
7 i: K$ ?1 {) E5 q( c, B# ]3.信號(hào)調(diào)制:% ]% k0 J: |4 J& e" s
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(hào)的相位。Y合路器:將兩個(gè)光信號(hào)合并為單一輸出。9 K* ~! h3 r1 Q9 }7 ]
電信號(hào)生成階段創(chuàng)建NRZ調(diào)制的電信號(hào),作為MZM的調(diào)制源。光信號(hào)生成階段提供穩(wěn)定的光源,然后分成兩條路徑。在信號(hào)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(gè)調(diào)制信號(hào)合并為單一輸出。
$ Q L! U# i, U9 o% y2 Y6 d$ p接收器(Rx)設(shè)計(jì)4 t" [0 B* G0 Y l' {1 F" T
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' N) E$ V9 T2 j3 _. P% k圖3:接收器(Rx)設(shè)計(jì),展示了信號(hào)傳輸、參考光信號(hào)生成和信號(hào)分析組件。
$ G% u+ @0 o! v. i相干光系統(tǒng)中的接收器負(fù)責(zé)檢測(cè)和分析傳輸?shù)男盘?hào)。主要包括三個(gè)階段:1.信號(hào)傳輸:濾波器:傳輸入射信號(hào)。分路器:將信號(hào)分成兩條路徑,每條路徑連接到單獨(dú)的定向耦合器(DC)。4 r: ?) Z$ [2 }
2.參考光信號(hào)生成:CW激光器:為光信號(hào)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(duì)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(hào)。
: g# H* m* p. ~) c3 G3.信號(hào)分析:: {, Z' z) \! ?
PD(光電探測(cè)器):將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。減法器:執(zhí)行差分操作以消除干擾。LP RC濾波器:去除信號(hào)中的高頻噪聲。眼圖:評(píng)估信號(hào)質(zhì)量和失真。
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0 D$ J* P1 J& {; c; J7 J在信號(hào)傳輸階段,入射信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和分路成兩條路徑。參考光信號(hào)生成階段使用CW激光器創(chuàng)建參考信號(hào),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(hào)分析階段,光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后進(jìn)行處理以去除干擾和噪聲。最后,使用眼圖評(píng)估接收信號(hào)的質(zhì)量。7 L7 V+ h6 i4 J% s- v5 x
眼圖分析7 P, g& O6 ~! Z! A% P& O. e& g, c
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圖4:眼圖1和2,展示了信號(hào)質(zhì)量和失真分析。
, Y6 E, [+ I- x# w眼圖是評(píng)估光通信系統(tǒng)性能的重要工具。提供了信號(hào)質(zhì)量的可視化表示,有助于識(shí)別各種類型的信號(hào)失真。; I1 J, R' I, @' m
圖中可以看到兩個(gè)眼圖。這些圖是通過(guò)將接收信號(hào)的多個(gè)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。# O, N% m5 b2 U8 c" ^2 E1 f( |
眼圖分析的關(guān)鍵方面包括:1.眼圖開(kāi)口:圖中中央的清晰區(qū)域。較大的開(kāi)口表示信號(hào)更干凈,噪聲和失真較少。. H8 J8 S6 h) N% K
2.抖動(dòng):由眼圖交叉點(diǎn)處線條的粗細(xì)表示。抖動(dòng)越小,線條越細(xì),表示時(shí)序穩(wěn)定性更好。" s) M/ g9 L. _* S
3.上升和下降時(shí)間:由轉(zhuǎn)換的斜率表示。斜率越陡,表示上升和下降時(shí)間越快,通常這是理想的。
u0 r8 x- @' [8 Y8 P4.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。
, S5 x# x+ f" ~# v8 ?1 Q通過(guò)比較圖中的兩個(gè)眼圖,我們可以評(píng)估不同系統(tǒng)配置的相對(duì)性能或識(shí)別信號(hào)傳輸中的潛在問(wèn)題。
* n) C, C+ @2 p. W$ R結(jié)論相干光檢測(cè)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(guò)利用相干光混合和先進(jìn)的信號(hào)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。
* C+ f# U) F" o& r0 P( I W, A' E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(hào)的生成到光載波的調(diào)制,從這些信號(hào)的接收到分析,每個(gè)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。
: t" v: T! K3 x [1 e9 ?隨著我們對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中更高數(shù)據(jù)速率和更長(zhǎng)傳輸距離的需求不斷增加,相干光系統(tǒng)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。通過(guò)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(dòng)光通信可能性的邊界,為未來(lái)更先進(jìn)、更高效的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
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" n: O' N9 g) l) P7 l5 E關(guān)于我們:
- q+ x# @8 M7 R; s. H7 n8 Y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(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)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(duì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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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