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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(cè)

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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(jiǎng)勵(lì) |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(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。2 I6 J9 i6 z  _2 ]$ X
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)。2 @9 @6 l+ b) p$ n& I" q8 d

4 `' G5 k! }+ N% c% l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。
! h/ M# C9 I& d: p+ P7 a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)。, D0 t7 c; a5 J6 b, p
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。
8 Y  }7 i5 c+ c1 K$ ], r/ v1 G5 G0 k2.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。
: P1 k4 R( i3 P9 G* Z3.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。& @2 C/ W% |$ j6 V
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。
  z4 e1 @4 R) s4 t) n發(fā)射器(Tx)設(shè)計(jì)
# t, ~! |8 f! K* o6 Z, k- g: w
/ s& w. X; m& S+ J2 W" l) ?8 T

* }$ ~; j* `, F
6 R$ V8 |7 {) E' e* k' J9 p( v2 r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。4 M+ r) D, c! y7 j3 V
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。( u* i  L  o- Z" G) O" w
    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)。  c; V0 \' Y6 {* N
    3.信號(hào)調(diào)制:
    0 B" U; V0 B) L2 t- E
  • 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。. u( j  R  N) Z# q/ K2 H+ N4 Y
    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。. B* p3 x1 ^* ^" y) u
    接收器(Rx)設(shè)計(jì)3 H; `6 P+ V3 s% u

    0 m% u- g- S; E) m8 V% u/ d# I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。& d2 ~: u. z; ^  R3 `% 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)。
    7 X8 X. \+ Z! y  X+ k
    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)。
    8 }5 r! g+ u# ^) T3.信號(hào)分析:5 d& f" O7 E0 d$ o  @- L
  • 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。
    * Z  `; ]5 o% U( o' y: q& a
    , w; W# ]. ^2 G8 q8 [8 t
    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。
    6 u% w* `4 u# w8 e5 X# A眼圖分析
    & D8 M- u4 P& Q  s$ W. U1 D% I4 F8 T( h$ \  g  A/ q

    - x* s$ V8 z5 s2 r4 E/ ~! C圖4:眼圖1和2,展示了信號(hào)質(zhì)量和失真分析。3 g3 i" T/ B. W- _4 I) A
    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。$ R  d( _8 x* H1 u2 H1 K5 U
    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。
    ; H& t, g! A7 H% @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。
    $ P8 Q0 z; V: p8 I& o+ d5 j2.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。
    2 Q7 z& {" h! [4 a1 ~. u5 ^5 y3.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。  A( T+ M! \; T# S/ t
    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。
    ; z# b2 b7 M/ j/ a/ H* [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。$ s# `- ~. T7 j! A
    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。
    5 l/ b$ m/ @7 g$ Y$ N& 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(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。, |& _9 l' {7 t8 E! n+ N' u6 l
    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)。
    " Z* C5 Z0 x/ Z1 `8 n: p0 f( l9 ?1 H0 W6 [

    ! h5 K* P8 ]. S! F7 U6 ~- END -
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    7 M6 M/ w, g0 w( v! p( a軟件申請(qǐng)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(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
    ) @: U# ?9 S9 B" V3 _點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)7 {! f8 p$ F+ k( j1 V( t  ^

    ! A* q6 v' D) w& i7 L歡迎轉(zhuǎn)載
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    轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!+ H1 l8 \3 f, l$ H: r/ P

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    2 i8 A& C# m! y: {& R+ M2 @關(guān)于我們:: Y5 t2 H/ M- H/ O- Y1 c/ W& `
    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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