论文部分内容阅读
大数据信息交互与处理对短距离高速光互连传输速率提升提出了迫切的需求,底层光传输系统在考虑成本和能效的情况下,通常采用强度调制-直接探测(IM-DD,intensity modulation and direct detection)技术,并结合一些先进的多电平调制技术,以实现高速率的传输。然而,仅利用高效的调制技术,难以在不依靠硬件升级革新的情况下,实现未来单波超100 Gbit/s速率的平滑升级与其目标传输距离的覆盖。本文对针对直接探测实现多进制调制技术与偏振复用(PDM,polarization division multiplexing)技术相结合,设计了一系列高速光互联传输系统,并取得了一定的创新性研究成果。本文的主要创新点和研究工作包括:(1)基于低成本商用器件搭建的高速4阶脉冲幅度调制(PAM4,4-ary pulse amplitude modulation)信号直接检测系统实验平台,实验研究了数字信号处理(DSP,digital signal processing)模块包括基于最小均方(LMS,least mean square)的线性均衡、基于直接检测的超奈奎斯特(DD-FTN,direct detection faster than Nyquist)算法、预均衡(Pre-EQ,pre-equalization)和基于误差表格的预失真(ETC,error table correction)算法。为了更容易的获得预补偿参数,我们提出了基于误差表格生成的联合均衡(JEEG,joint equalization and error table generation)模块。通过使用ETC、LMS和DD-FTN算法,我们取得了 O波段112 Gbit/s PAM4信号40 km无光放传输最佳接收机灵敏度记录(-16.6 dBm)。另外,我们详细分析了各个DSP模块的算法复杂度。使用在发射端DSP中ETC和Pre-EQ算法可极大降低接收端DSP复杂度。(2)针对目前短距离光传输中低成本、高速率的需求,我们设计了可适用于IM-DD的PDM-PAM4系统。其接收机DSP算法利用偏振态(SOP,state of polarization)估计算法、S2分量消除算法和基于LMS的多进多出(MIMO,multiple input multiple output)算法,接收机结构简单,系统性能稳定、可靠。在统一的斯托克斯向量(SV,Stokes vector)空间中和两种主流的PDM-DD系统进行了详细对比分析,给出了三种系统性能优劣势的理论成因,并利用Matlab和VPI软件搭建了 224 Gbit/s仿真系统平台,对三种不同的系统方案进行了详细的分析比较。(3)基于单边带(SSB,single-sideband)调制技术,设计了极简PDM-DD系统。该系统利用正交偏振独立无偏振间拍频干扰的特性,分别对两个正交偏振态使用双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM,dual-drive Mach-Zehnder Modulator)进行SSB调制,两个偏振态的SSB信号共享一个保护间隔。并在接收端利用1个光电二极管(PD,photodiode)对该偏振复用信号进行接收,使得整个PDM系统在速率提升的同时,进一步减低系统成本。和单偏振态的SSB调制直接检测系统相比,系统在误码率(BER,bit error ratio)为3.8E-3时所需的光信噪比(OSNR,optical signal-to-noise ratio)降低了 3.6 dB。我们通过使用比特加载算法使系统容量从80 Gbit/s提高到了 100 Gbit/s,经过80 km传输后,BER为3.8E-3时所需的OSNR为29.1 dB。(4)基于SSB与离散多音(DMT,discrete multi-tone)混合调制技术,提出了另一种极简PDM-DD系统。该系统利用正交偏振独立无偏振间拍频干扰的特性,分别对两个正交偏振态进行SSB和IM的调制,并在接收端利用1个PD对该PDM信号进行接收。我们提出的PDM-SSB-DMT系统可以同时兼顾频谱效率和色散(CD,chromatic dispersion)容忍度,实现了 50 Gbit/s的PDM-SSB-DMT信号40 km无光放传输,是一种比较低成本的短距互联方案。