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引言相干光通信技術(shù)在電信領(lǐng)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(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。
v; w$ k1 A0 W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。9 E- \5 s3 B- ^' h; Q
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2 f/ W, |' k \7 C# `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。
; `- y( R* S' p( j' G+ h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。( J k$ i' e# w9 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。+ g2 Q: J. {% V5 s' 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。3 D3 u$ j$ E1 o( H3 S" b
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 U; P; t% Z# I! u2 l+ u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)。讓我們詳細研究每個部分。
- N* R9 R N( @, k( |+ s發(fā)射器(Tx)設(shè)計
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( P0 J5 L2 y* w' T# r1 b1 Z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。; [& g& ]. M; y y4 u+ q7 r
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。9 b0 r& W* F5 f" K3 c
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)。5 n* [( h) P8 q5 L: O% w$ F% ~/ v
3.信號調(diào)制:
Y& v: W0 w9 J- D" NMZM: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。. @1 ?2 I! j( a9 B
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。- H' r) ~$ R. U4 h2 S: _
接收器(Rx)設(shè)計- f( v7 c5 ~6 ]/ _8 H% S+ m
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4 i2 @1 m% U0 S1 ~8 X, O7 W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。+ b% K, e' e6 p. I! z$ n* r7 m0 V
相干光系統(tǒng)中的接收器負責檢測和分析傳輸?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)。
) |+ C3 ]1 l5 ]+ u8 K; s2.參考光信號生成: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。9 m3 G" D6 X8 J0 }; u& A; Y) Q
3.信號分析:
! {4 B% Y3 |- \* q9 I6 sPD(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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9 l; K/ J p6 j1 i- 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。
& U- C# n* H" u/ J2 Y眼圖分析
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. }4 Q* u& Y7 ?圖4:眼圖1和2,展示了信號質(zhì)量和失真分析。
Y$ P! e2 V. ?2 r/ T6 Y w! m, {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。
/ w$ Z$ ~& H7 o7 A( h/ R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。8 E: V) l5 O& [. `
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。: `& u/ ^8 _# x9 x/ \* e3 ~1 N
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。9 P5 f. Z4 }' W* H- ]
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。
# L" y/ ?9 b+ z: D( N4.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。6 u |1 k1 l/ ?' q/ S) i: v% Q
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。
4 d) A0 m9 ?; ^2 K8 V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。2 { L3 N7 I! O
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。1 Q2 B2 Y4 `# R5 u. ^: {! w4 j# ^* ?0 ]
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、更高效的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
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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)。3 |8 u7 n5 E! v
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