偏振复用调制技术在40G光通信系统中的应用

【摘要】在高速光纤通信系统中，随着传输速率增大到 40Gbps 或者 40Gbps 以上，光纤的抗色散能力大大降低，非线性效应的影响也日益突出。本文主要围绕着调制方式的改进对光纤传输系统性能的影响展开，通过理论分析及测试数据，验证了基于相干检测的DP-DQPSK偏振复用差分正交相移键控技术应用到40G光传输系统时，对传输性能的改善及对传输损伤的缓解。

【关键词】偏振复用差分正交相移键控技术;光信噪比;抗色散特性

随着通信容量需求的不断提升和光通信技术的不断发展，传输网络从10G向40G、100G乃至更大容量发展是必然趋势。目前40G光传输技术已经成熟并商用，它对系统提出了更高的要求，也面临更严重的传输损伤，需要使用频谱尽量窄，且光谱效率高的码型调制格式。

码型调制技术的改进，将有效地提高系统的抗色散能力和抗非线性效应能力，同时支持的信道密度或光谱效率也更高。为了高速光通信系统的传输性能和频谱效率得到改善，码型调制格式的研究显得尤为重要。

本文主要研究了DP-DQPSK偏振复用差分正交相移键控技术应用于40G光通信系统的传输性能，对DP-DQPSK偏振复用差分正交相移键控技术的工作原理和结构特点进行分析，通过建立模型及测试数据，对各种参数特性进行验证。

关键的技术问题包括：OSNR（光信噪比）、CD（色度色散）、PMD（偏振模色散）等。验证了偏振复用调制技术在40G系统中对传输性能的改善及对传输损伤的缓解。

1.DP-DQPSK调制技术的分析

光纤通信中，在一根光纤中利用光的不同偏振态模式作为不同的信道，传输不同的光信息，即为偏振复用技术。DP-DQPSK偏振复用差分正交相移键控是在DQPSK的基础上，增加一个偏振纬度，使得波特率降为实际速率的1/4，实际波特率10Gb/s。在相干检测模式下，输入的光信号首先分成任意混合偏振的两部分，每个部分都和一个本地激光光源发出的光信号进行90度混合[1]。DP-DQPSK 其实就是利用两个同一波长且相互正交的偏振光分别调制独立的DQPSK 信号的一种新型调制格式。由于两束偏振光的偏振态正交，可以互不影响地独立传输，而且频谱完全重叠，可以充分利用波分复用系统中有限的带宽资源。

图1-1 DP-DQPSK系统模型

偏振复用DQPSK系统模型，如图1-1所示。本文研究的40Gbit/s DP-DQPSK发射机，每路波特率10Gb/s、两路二进制序列总速率为20G的DQPSK系统，再对其进行偏振复用，复用后的DP-DQPSK系统速率为2x20Gbit/s=40Gbit/s。CW（连续波）激光器产生的光信号由偏振分束器分成两路正交的极化光束。每个极化态的DQPSK调制器由两个单臂驱动MZM（马赫曾德调制器）组成。一个MZM的输出光信号与另一个MZM加上π/2相位延迟后输出的光信号形成两路正交调制信号，将这两路信号通过偏振耦合器则形成一束DQPSK已调极化光信号。

2.DP-DQPSK的40G光通信系统

在高速光纤通信系统中，由于传输速率的提高，码元周期减小，必须考虑在传输链路上由于光纤本身的特性而出现的各种损伤，这些损伤如果不进行补偿或者管理，将在长距离通信过程中给系统性能造成极大的劣化[2]。

DP-DQPSK的WDM系统采用96个不同波长的信道，通过激光器所发射出96种不同中心频率的光进行波长控制。每一个波长信号都经过DP-DQPSK系统调制后再经过多路波分复用器进行波分复用。经过传输后在解调端，首先经过多路波分复用解复用器进行波分解复用，解复用之后的每一路都送入DP-DQPSK系统解调进行信号接收，可以通过调节光带通滤波器的中心频率与解复用出来的中心频率相对应来控制对不同波长信道的解调。

此WDM系统的总容量为96x40Gbit/s，二进制比特速率为10Gbit/s，因此仍可以在现有常见的10Gbit/sWDM系统中进行传输。

3.DP-DQPSK应用于40G光通信系统的实验研究

为达到40Gbit/s系统的超长距离传输要求，在误码率BER=1.0×10-3的条件下，背靠背系统的光调制信号OSNR容限应小于15dB[3]。DP-DQPSK系统OSNR容限的测试结果为9～10dB，相对于其他调制方式有明显优势。

表3-1 外推法OSNR容限测试数据

测试组1 测试组2 测试组3

OSNR BER     OSNR BER     OSNR BER

9.3 6.72E-10 9.33 2.48E-12 9.37 6.72E-10

9.26 2.54E-07 9.26 6.21E-09 9.26 1.49E-05

9.21 4.86E-06 9.22 1.13E-06 9.15 1.09E-03

9.18 5.39E-05 9.17 4.52E-05

9.15 2.36E-04 9.11 4.78E-04

9.11 6.85E-04

9.07 1.52E-03

测试误码率为1.0×10-6、1.0×10-5和1.0×10-4时的OSNR值，根据不同误码率下的OSNR值，通过线性外推的方法计算出1.0×10-3误码率下的OSNR值即为OSNR容限。测试数据，如表3-1所示。

采用外推法测试系统OSNR容限，将不同调制方式的背靠背最小OSNR容限值进行比较，可见DP-DQPSK调制的40Gbit/s系统OSNR容限有2～3dB的优势。通过测试DP-DQPSK系统源于色散的OSNR代价，来说明抗色散特性。对不同调制方式，当系统OSNR代价为1dB时，引入的色散值，如表3-2所示。

表3-2 OSNR容限比较

调制方式 背靠背最小OSNR容限 色度色散容限

（1dB） PMD容限

（1dB）

DPSK 11.5～12 dB 2000 ps/nm 7.5ps

DQPSK 11.4～12 dB 2000 ps/nm 18ps

DP-DQPSK 9～10dB 34000 ps/nm 75ps

4.结束语

偏振复用差分正交相移键控的新型调制技术将有效提升传输系统的色散容限、非线性容限、接收灵敏度以及光信噪比，对大容量、高速率、长距离和更高频带利用率的现代传输技术有着很大的意义。

本文研究的40Gbit/s DP-DQPSK发射机，每路波特率10Gb/s、两路二进制序列总速率为20G的DQPSK系统，再对其进行偏振复用，复用后的DP-DQPSK系统速率为2x20Gbit/s=40Gbit/s。接收机采用偏振分集相干接收机进行解调。

采用外推法测试系统OSNR容限，将不同调制方式的背靠背最小OSNR容限值进行比较，可见DP-DQPSK调制的40Gbit/s系统OSNR容限有2～3dB的优势。通过测试DP-DQPSK系统源于色散的OSNR代价，来说明抗色散特性。测试数据表明DP-DQPSK调制的40Gbit/s系统色散特性优于DPSK和DQPSK系统，色散容限约34000ps/nm，传输距离大于2000km，比DPSK和DQPSK具有更远的传输距离。

展开基于DP-DQPSK调试方式的研究，采用DP-DQPSK调制的100Gbit/s系统将是后续研究的方向。很多用户希望达到更加理想的参数，更好的性能，更低的成本，对不同调制方式的研究开发还在继续。

参考文献

[1]吴海西.WDM技术的原理及其应用与发展[J].现代电信科技，2005.05.03

[2]徐宁榕，周春燕.WDM技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2002：54-63

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