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引言相干光通信技術(shù)在電信領域帶來了革命性的進步,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)器的設計。通過 pLogic 的GUI來設計并且調(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,進行光電融合仿真,使用戶能夠使用單一仿真器完成復雜的光電系統(tǒng)設計和分析。
0 g R/ ~1 _; m相干光檢測簡介相干光檢測是先進的信號檢測方法,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。+ `' w7 d7 K/ R4 z! O
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- b7 ?7 p' s/ C1 F( G# M圖1:相干光收發(fā)器設計,展示了發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)組件。5 N: i1 c W7 I$ u
相干光檢測是先進的信號檢測方法,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。
# K8 _6 H8 [/ N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。; M' c3 n0 d% A# u1 g# P' r
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。, [$ A( ], f' ?7 i, d5 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進行各種補償和處理,進一步增強傳輸性能。
- _4 Y. V: j; B/ E+ B$ L相干發(fā)射器設計相干光收發(fā)器主要由兩個部分組成:發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)。讓我們詳細研究每個部分。
7 V; ]' L. D+ W2 B: q1 X發(fā)射器(Tx)設計+ Z* ^' {. l5 e2 D
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& F' |" d! S8 G- a圖2:發(fā)射器(Tx)設計,展示了電信號生成、光信號生成和信號調(diào)制組件。
0 f. X. ]9 Q3 S# p& L相干光系統(tǒng)中的發(fā)射器負責生成和調(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。/ L+ d/ Q9 C2 l
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)。
6 _- M; x% O L* r! V8 p+ {2 e3.信號調(diào)制:
% K" M+ r( e6 J0 ^7 J; kMZM: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。
5 G) [) T# W! u, Q! N5 }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。
: j* h: g. M8 J+ h接收器(Rx)設計
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圖3:接收器(Rx)設計,展示了信號傳輸、參考光信號生成和信號分析組件。$ a: r' a7 E* `
相干光系統(tǒng)中的接收器負責檢測和分析傳輸?shù)男盘。主要包括三個階段: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)。$ T4 _/ b0 C$ ~: D; f9 i
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之前對一條光路進行相位調(diào)制。DC(定向耦合器):耦合和分配信號。
' G5 U8 q" Y. i8 t- h' w3.信號分析:' V' y& k+ ~1 ^
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。
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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。7 \' K$ P6 U" {( V6 W' c+ ~
眼圖分析
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* \$ }/ T/ s2 o0 y/ V% @圖4:眼圖1和2,展示了信號質(zhì)量和失真分析。
9 Q) @$ g7 B6 L$ o4 V$ S+ T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。& g# T6 C# z6 p, G$ |
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。: L! u z5 t0 U+ |+ A7 r
眼圖分析的關鍵方面包括: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。9 o, F, e6 u0 i/ u
2.抖動:由眼圖交叉點處線條的粗細表示。抖動越小,線條越細,表示時序穩(wěn)定性更好。# x" O7 C8 m0 O" f3 O, R
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。
% I" \0 L- I- G v& r, ]4.幅度變化:由眼圖上下電平的粗細表示。電平越細,表示幅度噪聲越小。, }& o: D5 H+ e, C7 g2 x
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。. C! K, R! f* `+ [; v; z0 `1 e0 h
結(jié)論相干光檢測和收發(fā)器設計代表了光通信技術(shù)的重大進步。通過利用相干光混合和先進的信號處理技術(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。
]6 \" m) E, u( ?/ l我們探討的相干光收發(fā)器設計展示了發(fā)射器和接收器中電子和光學組件之間復雜的相互作用。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)揮關鍵作用。
0 V$ x9 X$ \/ W+ _' B7 @1 A& ?$ r& ]4 s隨著我們對通信網(wǎng)絡中更高數(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、更高效的系統(tǒng)奠定基礎。9 m3 q: N. ^' |
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- q6 s: |# q V: f/ R" g深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件,提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務,廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。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。& H8 y; u2 i, x
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