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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(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。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(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)計和分析。
' @; F5 X% `+ N, j: j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。 g! h& o% T* X
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% ?$ {# A/ Z* j4 }3 s. ?" ^* P& i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。+ U0 H: \ E3 Z4 j1 a% ^' @0 H! x
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% A3 c* g i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。6 `* Q5 t# F- U; 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。
$ @/ D6 O7 `. R# u4 W4 K! T3.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。
+ A4 h0 L$ w- _; D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(xì)研究每個部分。* {/ O; A U3 ?2 a5 R
發(fā)射器(Tx)設(shè)計
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7 A0 Z- d( I. C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。" {! D' v8 F% N' N" S0 @
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。
/ j e1 k9 [ y$ Q* M& a+ o2.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 e1 ?9 Q, j
3.信號調(diào)制:- q. `' b% i; K( U
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。
9 {4 i$ m- u5 Y, S( f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。
& ]# \! V1 u0 }4 l接收器(Rx)設(shè)計
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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。: Z/ n* V' W3 j) j! j2 y1 E
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的定向耦合器(DC)。
9 B' \' C; `0 e% y! w9 ~/ Q2.參考光信號生成: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(jìn)行相位調(diào)制。DC(定向耦合器):耦合和分配信號。3 n* i% l% }2 b+ [4 Y
3.信號分析:
q2 e1 y3 O" nPD(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。% L/ c* v& E/ _. O& X/ Z" b! Q2 p( S
& n" e5 T2 R( U' u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。
' }: T `7 r" m% Y( e, a, ?眼圖分析
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' D" Q* u; {: U( Y% G% I" v圖4:眼圖1和2,展示了信號質(zhì)量和失真分析。 T2 g& j- y' D" u" 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。
; t' _' C" g5 }2 C" p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。
, ]4 Z; q9 x: b3 i1 G( b* Q: [: r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。
# e6 e( B3 H* o, J! ?( P, A) |6 @4 v2.抖動:由眼圖交叉點處線條的粗細(xì)表示。抖動越小,線條越細(xì),表示時序穩(wěn)定性更好。
+ u4 H: E) f1 d% B3.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。4 p* t1 A9 a) M! g3 \: S1 j
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。$ r0 b6 @/ r( s, }
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。$ |7 l% P0 C" b: i. _
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(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。
Y# k# B. K0 L6 t- a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。' u# s( P# `) u3 t# g5 B- m
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(jìn)、更高效的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。8 o% R& N) _2 Z2 C+ S& P
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# t) s2 s. O+ M- E/ \ p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(jī)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)。
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