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

逍遙設(shè)計(jì)自動化

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(jì)。通過 pLogic 的GUI來設(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。
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。
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! w# r7 A! Z# `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。
: D7 ]/ x% D8 A' ~# O9 F1 T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。
$ \, |; X9 N( N! ?5 ~; K9 q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。
. a, m- u. r' @. s3 t7 Z/ z6 e* `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.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。
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）。讓我們詳細(xì)研究每個(gè)部分。
發(fā)射器（Tx）設(shè)計(jì)
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0 c9 j$ ]. ~# r" T' b# W3 @2 O% N圖2：發(fā)射器（Tx）設(shè)計(jì)，展示了電信號生成、光信號生成和信號調(diào)制組件。
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(gè)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。
6 J: r# J0 x* p. J. ]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(gè)分支，供給兩個(gè)MZM（馬赫-曾德調(diào)制器）。
3.信號調(diào)制：

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(gè)光信號合并為單一輸出。
# @! V# Z' E3 k# B* o( y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(gè)調(diào)制信號合并為單一輸出。
4 o* V; }( w2 \. K, S. }4 Q2 S接收器（Rx）設(shè)計(jì)

% Q& Y: J; S7 R' d2 D8 q7 o  m圖3：接收器（Rx）設(shè)計(jì)，展示了信號傳輸、參考光信號生成和信號分析組件。
& f$ o" i, f- {( p0 t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�。主要包括三個(gè)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(dú)的定向耦合器（DC）。
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(dú)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。
' W2 o7 g& `0 S0 d7 \6 p0 E- s& Y3 W3.信號分析：
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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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" q7 P- \" a- `6 p7 X6 S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。
眼圖分析


0 F! H/ G! b; f" P% g0 @. w5 f圖4：眼圖1和2，展示了信號質(zhì)量和失真分析。
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。
圖中可以看到兩個(gè)眼圖。這些圖是通過將接收信號的多個(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。
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。
2.抖動：由眼圖交叉點(diǎn)處線條的粗細(xì)表示。抖動越小，線條越細(xì)，表示時(shí)序穩(wěn)定性更好。
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。
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。
2 Q4 J" q$ R  M通過比較圖中的兩個(gè)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。
結(jié)論相干光檢測和收發(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。
8 {, k% K% c" m$ I& C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。從電信號的生成到光載波的調(diào)制，從這些信號的接收到分析，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。
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(jì)，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)。

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" z( `, j3 b3 r+ Q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(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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