квадратурної

  • предметів
  • реферат
  • вступ
  • результат
  • Принцип роботи нашого передавача IQ
  • експеримент
  • обговорення
  • методи
  • Наш передавач
  • Цифрова обробка сигналу
  • Налаштування з'єднання передачі
  • Детальніше
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • Коментарі

предметів

  • Волоконна оптика та оптичний зв’язок
  • Оптоелектронні прилади та компоненти

реферат

Здатність генерувати високошвидкісні безключові телекомунікаційні сигнали з використанням прямої модуляції напівпровідникового струму лазерного приводу була одним з найдивовижніших перспективних застосувань у галузі лазерних технологій, що зароджувалася в 1960-х. Три десятиліття прогресу призвели до комерціалізації 2,5-Гбіт-1-канальних оптичних систем для підводних човнів, що спричинило зростання Інтернету як глобального явища. Однак шкідливий чиркіт частот, пов'язаний з прямою модуляцією, змусив промисловість використовувати зовнішні електрооптичні модулятори для передачі наступного покоління безключових систем 10 Гбіт з -1, а для сьогоднішніх (>) 100 Гбіт з -1 заборонено. когерентні системи, що використовують складні формати модуляції (наприклад, квадратурну амплітудну модуляцію). Тут ми використовуємо блокування оптичної інжекції прямомодульованих напівпровідникових лазерів для генерації складних сигналів модуляції у форматі, який демонструє чіткі переваги перед сучасними та іншими досліджуваними в даний час рішеннями.

Варто зазначити, що повідомлялося про інші конфігурації модулятора IQ, наприклад, використовуючи чотири амплітудні модулятори 8 та більш складні конфігурації, засновані на більшій кількості фазових модуляторів, які зменшують вимоги до сигналу 9 радіочастотного приводу або покращують реакцію лінійності модулятор 10. .

результат

Принцип роботи нашого передавача IQ

Схема нашого методу 11, 12, 13, яка показує, як збирати сигнали QAM від лазерів із прямою амплітудною модуляцією (DM), наведена на рисунку 1а для двох конкретних прикладів сигналів (QPSK та 16QAM), хоча ми наголошуємо, що такий підхід може бути легко адаптована для роботи для будь-якої модуляції IQ. Спочатку ми почнемо з амплітудної модуляції (два рівні для QPSK та чотири рівні для 16QAM; рис. 1а). Поєднуючи два таких сигнали із відносним зсувом фази на 90 °, ми отримуємо сузір’я QPSK та 16QAM, хоча і не центровані на нулі (через залишковий носій). Ми видаляємо несучу руйнівними перешкодами з немодульованою складовою несучої (рис. Ла) і, нарешті, отримуємо ідеальні сигнали QPSK та 16QAM.

( a ) Принцип роботи нашого передавача показаний із використанням діаграм сузір'їв (у комплексній площині) для генерації сигналів QPSK та 16-рівня QAM (16QAM). Він використовує амплітудну модуляцію як основний будівельний блок. Два модульовані по амплітуді сигнали об'єднуються (етап 1), утворюючи сигнал із сузір'ям, подібним до бажаного сузір'я. Видаленням компонента несучої сигналу шляхом втручання в основний сигнал (2-й етап) отримується бажаний сигнал формату модуляції. Цей метод дозволяє будь-якому рівню несучого сигналу бути присутнім на виході, чого важко досягти за допомогою традиційного модулятора IQ, не викликаючи спотворення сигналу. b ) Ескіз, що пояснює різницю між вільно працюючим напівпровідниковим напівпровідниковим лазером та прямою модуляцією масла. Через велике цвірінькання, пов’язане з безпосередньо модульованим лазером, сузір’я складається з чотирьох кілець, а не з чотирьох точок, що робить його невідповідною модуляцією IQ. Однак OIL змушує чотири кола "руйнуватися" у чотири різні точки на площині IQ.

Повнорозмірне зображення

Існує дві основні перешкоди, які необхідно подолати, щоб впровадити DM-лазерний "передавач IQ", заснований на принципі, наведеному на малюнку 1а. По-перше, прямомодульований напівпровідниковий лазер виробляє високочастотний чирик 14, який може бути показаний на схемі сузір'я у вигляді кіл, а не крапок (рис. 1b). Другою перешкодою на шляху реалізації цієї концепції є те, що два незалежних лазери, що несуть незалежні потоки даних, повинні бути послідовно поєднані (з фазовим зсувом у нашому випадку на 90 °, рис. 1а), а отже, повинні бути взаємокогерентними.

Ми вирішили обидві проблеми за допомогою ефекту, відомого як OIL 15, 16. У OIL сигнал від "основного" лазера (у нашому випадку CW-лазера) (у нашому випадку прямо модульованого лазера; рис. 1а) подається в порожнину "веденого" лазера. За певних умов підпорядкована фаза блокується у ведучому, навіть якщо вона безпосередньо модульована. Пропускна здатність (тобто різниця в частоті вільно працюючих лазерів), при якій відбувається це блокування, називається пропускною здатністю OIL 17. Як тільки безпосередньо модульований ведений буде зафіксований на ведучому CW, його звуковий сигнал буде подавлений (рис. 1b) 18, 19, і його смуга пропускання модуляції може бути значно збільшена (наприклад, до 80 ГГц резонансних частот 100 ГГц і природних частот 80 ГГц) Express. 16, 6609 - 6618 (2008). "href =/articles/ncomms6911 # ref20 aria-label =" Reference 20 "data track = клацніть на track track = link> 20). Один і той же майстер для двох ведених лазерів забезпечує узгодженість між трьома пристроями і, отже, стабільну когерентну суперпозицію ( Ця взаємна узгодженість є критично важливою для нашого передавача - вона дозволяє поєднувати ці два безпосередньо модульованих ведених пристрої зі зміщенням на 90 °, а також забезпечувати придушення несучої руйнівними перешкодами з основним сигнальним компонентом.

експеримент

Побудова принципового доказу для нашого передавача показано на малюнку 2 (описано в розділі Методи). Спочатку ми дослідили регульованість довжини хвилі. На рис. 3а показані спектри випромінювання вільно працюючого веденого пристрою для трьох різних температурних налаштувань, які показують, що він може випромінювати світло майже у всій С-смузі. У OIL лазер стає єдиним режимом, як показано на малюнку 3b для трьох різних довжин хвиль і трьох налаштувань температури веденого пристрою, показаних на малюнку 3a. Грубо налаштувавши температуру веденого пристрою, можна досягти OIL по всій діапазоні С (1530 - 1560 нм). На рис. 3в показано сузір'я, отримані для двійкової фазової маніпуляції для різних бітових швидкостей і довжин хвиль, які показують потужність, незалежну майже від довжини хвилі - всі вони були досягнуті лише одним веденим лазером.

( a ) Експериментальна настройка нашої системи мовлення, яка використовується в наших експериментах для демонстрації принциповості. ( a ) Верхня рамка: фізична реалізація нашого передавача; a ) нижній блок: звичайний передавач IQ на основі LiNbO 3, який використовується для порівняння. Слід зазначити, що наш передавач вимагає вдвічі менше вхідних сигналів радіочастотних даних у порівнянні зі стандартною системою на основі модуляторів IQ. Завдяки хорошим оптичним характеристикам на стороні приймача був потрібен лише стандартний ЦСП, хоча прямомодульовані лазери, що використовуються в нашому прикладі, є лише простими напівпровідниковими лазерами типу Фабрі-Перо і взагалі не оптимізовані для цього застосування. ( b ) Налаштуйте наш експеримент з передачі.

Повнорозмірне зображення

a ) Вільний робочий спектр для трьох налаштувань температури. b ) Спектри підпорядкованого впорскування заблоковані на ведучому пристрої, який був налаштований на 1530 нм (зелений), 1543 нм (червоний) і 1561 нм (чорний). ( c ) Діаграми очей для двійкової модуляції фазового зсуву (лише один ведений був увімкнений і приводився в дію дворівневим потоком даних), сформований при 1532, 1466 і 1560 нм при 14, 20 і 24 ГБ.

Повнорозмірне зображення

Результати інших експериментів із використанням генератора довільних сигналів (AWG) для генерації радіочастотних даних показані на фіг. 4a, b (QPSK з однією несучою та 16QAM) та фіг. 4c, d (ортогональне мультиплексування з поділом частоти (OFDM) з QPSK та 16QAM). Результати, отримані за допомогою псевдовипадкової бітової послідовності (PRBS), що використовується для генерування QPSK зі швидкістю передачі даних вище нашої AWG (20 і 28 ГБ), показані на рисунку 5. Для прямого порівняння ми представляємо результати, отримані за допомогою LiNbO зі швидкістю 22,5 ГБ. 3 модулятор IQ (малюнки 3 та 4).

a ) Формат QPSK для одного оператора. b ) 16-рівневий формат QAM з однією несучою (16-QAM). ( c ) OFDM-сигнал з піднесучими, кодованими з використанням формату модуляції QPSK. ( d ) OFDM-сигнал з піднесучими, кодованими з використанням форматів модуляції 16QAM. РЧ-сигнал даних, генерований AWG. Спектри сформованого сигналу та сузір'я після передачі відображаються як вхідні значення.

Повнорозмірне зображення

Дані QPSK з однією несучою генеруються за допомогою РЧ-генератора PRBS. Спектри сформованого сигналу та сузір'я після передачі відображаються як вхідні значення. Сині квадрати: 28 Гбо; фіолетові кола: 20 Гбо.

Повнорозмірне зображення

Малюнок 4a показує, що наш передавач має точність приблизно 0,8 дБ оптичного сигналу до шуму (OSNR) із коефіцієнтом бітової помилки (BER) 10-3 щодо нашого модулятора LiNb03 після поширення на 230 км оптичного волокна. Малюнок 4b показує, що наш передавач перевищує LiNbO3 при високій BER (вище 2 × 10-3), але гірший при нижчій BER, коли сигнал поширюється на 230 км оптичного волокна. У сузір'ї (отриманому після фази динамічного балансування) ми бачимо незначні спотворення, що є наслідком (слабкого) залишкового звукового сигналу, присутнього в нашому передавачі.

Малюнок 4c показує, що наш передавач здатний генерувати довільно модульовані сигнали за допомогою OFDM. Як ми бачимо із спектрів (вставка), наш передавач показує лінійне відображення електричного сигналу на оптичний носій. Діаграми сузір'їв (отримані після 230 км поширення волокна та після вирівнювання) показують чіткі скупчення сузір'їв і те, що наш передавач лише трохи гірший за наш модулятор LiNbO 3 IQ, що впливає на V π (0, 7 і 0,5 дБ dBRRR для OFDM-QPSK ). та OFDM-16QAM, при BER 10-3). Оскільки OFDM, що містить компонент оптичного несучого, є корисним при демодуляції, на модулятори IQ зазвичай впливають незначно від Vn, щоб отримати несучий тон 21. Згідно з практичним припущенням про вплив LiNbO 3 при 1,05 В π, наш передавач (що дозволяє додавати несучий тон без спотворення форми хвилі) насправді перевищує LiNbO 3 для OFDM-16QAM (можливо, завдяки кращій лінійності нашого передавача, що є 1 і 2), будучи дуже близьким до OFDM-QPSK (рис. 4г).

Ми далі дослідили, наскільки ми можемо просунути наш передавач з точки зору швидкості передачі. Виявилося, що це перевищує пропускну здатність нашої AWG, тому ми використали (швидший) генератор PRBS з двома додатковими виходами, що, однак, обмежило нас у роботі лише з QPSK. Ми виявили, що пропускна здатність веденої модуляції становила близько 14 ГГц, що дозволяє нам підніматися до 28 ГБод - результати для 20 і 28 ГБод представлені на рис.

обговорення

Хоча швидкість передачі даних, продемонстрована в наших поточних експериментах, порівняно з останніми результатами, отриманими із зовнішніми модуляторами IQ, порівняно невелика, ми зробили це без будь-якої оптимізації наших компонентів передавача і використовували лише оригінальні компоненти, розроблені для інших застосувань. Використовуючи оптимізовані підлеглі лазери, ми очікуємо значних поліпшень, особливо якщо вони інтегровані в один фотонний чіп (такий як InP), як ми очікуємо. Однак, навіть з поточним передавачем, нам потрібна була в 25 разів менша потужність радіочастотного диска, чому також сприяв той факт, що нам потрібно лише вдвічі менше радіочастотних сигналів і досягнута потужність досить близька до найкращого останнього модулятора. Ми вважаємо, що це робить наш передавач ідеальним кандидатом для мереж метро та доступу, де основною проблемою є споживання енергії.

методи

Наш передавач

У експериментах QPSK та 16QAM з однією несучою 10 Гбайт криві збудження диференційовано кодуються з використанням алгоритму обертання квадранта 24 на основі PRBS (2 19-1). На стороні приймача ми спочатку компенсували недоліки на оптичному передньому кінці (звуження, блок постійного струму, корекція дисбалансу потужності та ортогоналізація IQ). Потім ми взяли отримані сигнали у два зразки/символ і компенсували хроматичну дисперсію за допомогою статичного еквалайзера 25. Потім ми застосували стандартний алгоритм постійного модуля з 17 відведеннями (CMA) 25 та багатокольцевий CMA 26 з 22 відведеннями, щоб відрегулювати залишкову компенсацію несправностей для QPSK та 16QAM. Оскільки для спрощення експерименту використовували детектування гомодину, компенсація зсуву частоти не потрібна. В останній фазі ми компенсували фазовий шум, використовуючи алгоритм відновлення несучої 24. Нарешті, сигнали декодувались по-різному до розрахунку BER.

Для експериментів QPSK з 20 GBaud і 28 GBaud ми розділили вихід високошвидкісного генератора псевдовипадкових шаблонів (SHF 12100B) на дві гілки та ввели затримку в одній гілці для управління I та Q (PRBS 2 15 -1). Обробка на стороні приймача була подібна до тієї, що використовувалась в експерименті 10 Гб, за винятком того, що для компенсації фазового шуму 27 використовувався ковзний фільтр з 13 кранами.

В експерименті з регулюванням довжини хвилі (рис. 3) виявлення гомодину проводили за допомогою комерційних алгоритмів Agilent DSP, вбудованих в когерентний приймач (Agilent DSO-X 93204A + N4391A).

Налаштування з'єднання передачі

230-кілометровий канал передачі містив три прольоти волокна: 75 км стандартного одномодового волокна (SSMF-28) у першому та третьому прольотах та 80 км волокна з великою ефективною площею у другому діапазоні. Ми використовували -1 дБм середньої потужності, щоб уникнути нелінійностей. На стороні приймача шумове навантаження, створюване ASE, використовувалося для регулювання OSNR. OSNR розраховували на основі виміряного сигналу та шуму з роздільною здатністю 0,1 нм. Для фільтрації позасмугового шуму використовувався оптичний смуговий фільтр 0,8 нм. Світловий компонент CW (6 дБм) відкачувався від основного лазера і використовувався як локальний генератор для прийому однополяризаційних гомодинів. Поляризація прийнятого сигналу була вирівняна вручну з поляризацією локального генератора в приймачі. Після когерентного виявлення електричний сигнал відбирався за допомогою осцилографа s-1 з частотою 32 ГГц 80-GS s-1 в режимі реального часу перед обробкою в режимі офлайн.

Більшість експериментів, проведених з нашим передавачем, повторювались для порівняння з використанням 22,5-ГБaud-модулятора IQ від Fujitsu (FTM7960EX). Щоб забезпечити оптимальну лінійність, Vpp двигуна РЧ-сигналів був зменшений до

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Лю, З. та ін. Синтез квадратурної амплітудної модуляції без модулятора. Нат. Комун. 5: 5911 doi: 10, 1038/ncomms6911 (2014).

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Додаткові рисунки 1-4

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.