PIC Studio 功能與應用：相干光收發(fā)器設計原理與實踐

  相干光纖通信在20世紀80年代被廣泛研究，主要是因為相干接收機的高靈敏度可以提高不重復的傳輸距離。然而，自1990年以來，相關的研究和開發(fā)被大容量的波分復用（WDM）系統(tǒng)的快速發(fā)展所打斷，這些系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的強度調制和直接檢測（IM-DD）方案以及新開發(fā)的摻鉺光纖放大器（EDFA）來補償鏈路的跨度損失。2005年，相干接收機中數字載波相位估計的演示，使人們對相干光通信重新產生了廣泛的興趣。其原因是數字相干接收機使我們能夠采用各種頻譜效率高的調制格式，如M-ary移相鍵控和正交振幅調制（QAM）等多種頻譜效率高的調制格式。

  依靠數字域中穩(wěn)定的載波相位估計。此外由于檢測后保留了相位信息，我們可以通過數字信號處理（DSP）來平衡線性傳輸損傷，如傳輸光纖的群速度色散（GVD）和偏振模色散（PMD）。重生相干接收器的這些優(yōu)勢為革新現有的光通信系統(tǒng)提供了相當大的潛力。最近，100-Gb/s的傳輸系統(tǒng)，采用了正交相移鍵控（QPSK）調制、偏振分復用和相位分集同調檢測，并輔以高速DSP 使符號率為25GBd，已被開發(fā)并引入商業(yè)網絡中。本文演示相干光收發(fā)器的概念設計，仿真包含背靠背(Back-to-Back)以及加上光纖之后的傳輸質量分析。

  在本文中，利用pLogic搭建鏈路并通過 pSim進行鏈路仿真，演示了CWDM硅基光電子收發(fā)器的設計和仿真案例。它由以所有4個波長通道為中心的激光器、微環(huán)調制器 (MRM )和波分復用器（MUX）以及解復用器(DEMUX)組成，可以仿真背靠背(Back-to-Back)以及加上短距離光纖之后的傳輸質量。pLogic以及pSim均為國產EDA軟件 PIC Studio光電融合設計全流程的模塊。

圖1：國產EDA軟件 PIC Studio光電融合設計全流程

  鏈路功能說明

  利用pLogic搭建鏈路如下圖所示， 偽隨機比特序列（PRBS_1）連接到FORK_1，以將電信號從一個端口分離到兩個端口。然后，這兩個端口連接到兩個不歸零碼發(fā)生器（NRZ_1，NRZ_ 2）以產生隨機通斷鍵控（OOK）信號。這兩個端口被發(fā)射到馬赫-曾德爾調制器（MZM_1）中。在相同的結構中，PRBS_2連接到FORK_2，以將電信號從一個端口分離到兩個端口。然后，這兩個端口連接到兩個不歸零碼發(fā)生器（NRZ_3、NRZ_ 4）以產生OOK信號。這兩個端口被發(fā)射到MZM_2。連續(xù)激光（CWL_3）被用作光源發(fā)射到Y分離器（YSPLT_1）中，以將光信號從一個端口分離到兩個端口。這兩個端口分別發(fā)射到MZM_1和MZM_2的op_0端口。在MZM_2之后，使用光相移（PHS_1）保持π/2的相位差。然后，使用Y組合器（YCOMB_1），將這兩個端口組合成一個端口。上述設置稱為相干發(fā)射機（Tx）側。在通過光纖（FIBER_1）后，分離器（SPLT_3）用于將光信號從一個端口分離到兩個端口。另一方面，使用連續(xù)激光（CWL_4）作為光源發(fā)射到分光器（SPLT_4），將光信號從一個端口分離到兩個端口。SPLT_3的op_2端口發(fā)送到定向耦合器（C_1）的op_ 3端口，SPLT_ 2的op_1端口發(fā)送到C_2的op_3端口。SPLT_4的op_2端口發(fā)送給C_4的op_0端口，SPLT_4中的op_1端口發(fā)送給C_2中的op_0端口。C_3之后，兩個端口發(fā)送到PIN光電檢測器（PIN_5）和PIN_6以檢測信號。在O-E轉換之后，電減法器（SUB_1）用于減去兩個信號。然后，使用低通 RC 濾波器濾除高頻信號。最后，利用眼圖分析傳輸信號通過整個系統(tǒng)后的質量。從CWL_4到分析儀，這種設置稱為相干接收機（Rx）側。

圖2：利用 pLogic搭建好的相干光收發(fā)器鏈路

  工作原理說明

  在 pLogic中連接每個器件的導線后執(zhí)行仿真，模擬結果將顯示如圖所示。傳輸距離為5km后，結果表明眼圖是開放和清晰的。垂直睜眼約265 uW，水平睜眼約23 ps。

  圖3：通過pSim仿真得到相干收發(fā)器的仿真結果