基于mz的差分相移鍵控解調(diào)器的研究

基于mz的差分相移鍵控解調(diào)器的研究

1差分相移鍵控解調(diào)器的設(shè)計差分位移檢測（dpsk）格式是目前高速光束系統(tǒng)傳輸格式中的一個熱點。相對于傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控(OOK)格式,差分相移鍵控的優(yōu)勢是:在平衡探測下,接收機(jī)的靈敏度提高了3dB,并且在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中,差分相移鍵控信號對于噪聲和非線性效應(yīng)具有更高的容忍度。但是,差分相移鍵控信號必須將相位信息解調(diào)成振幅信息才能接收。相對于OOK信號簡單的光電二極管(PIN)接收端,差分相移鍵控信號的接收端必須要增加一個解調(diào)器,所以差分相移鍵控解調(diào)器的設(shè)計是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。目前文獻(xiàn)中報道的差分相移鍵控解調(diào)方案主要有基于差分相干解調(diào)、差分相位-振幅轉(zhuǎn)換、差分相位-偏振轉(zhuǎn)換、保偏光纖環(huán)等原理的方案。馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)以其插入損耗小、具有梳妝濾波特性等優(yōu)點,在光纖通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用價值,比如光分插復(fù)用器(OADM)、波長交錯器(Interleaver)、光雙穩(wěn)器件(ODB)等。文中研制了基于馬赫-曾德爾延時干涉儀結(jié)構(gòu)的可調(diào)全光纖型差分相移鍵控解調(diào)器,對解調(diào)器的工作原理進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬,對光纖臂的溫度控制技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計和討論,實現(xiàn)了40Gb/s的差分相移鍵控信號解調(diào),解調(diào)出的相移鍵控法(NRZ)信號相對于原始的差分相移鍵控信號沒有出現(xiàn)信號質(zhì)量惡化現(xiàn)象。2小鼠誤差相移鍵控解調(diào)的數(shù)學(xué)模型馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。差分相移鍵控信號從端口0進(jìn)入馬赫-曾德爾干涉儀,經(jīng)3dB耦合器1后被均分成兩路分別從端口1,2輸出,然后經(jīng)過不同長度的光纖臂傳輸?shù)蕉丝?,4時,兩路差分相移鍵控信號產(chǎn)生一個比特的延時差,最后在3dB耦合器2內(nèi)進(jìn)行相鄰比特之間的干涉,從端口5,6分別輸出兩路干涉后的信號。如果兩個相鄰比特的相位沒有區(qū)別,則輸出結(jié)果就是邏輯“1”,否則就是邏輯“0”,將差分相移鍵控攜帶的相位信息解調(diào)成振幅信息,這就是馬赫-曾德爾干涉儀型差分相移鍵控解調(diào)器的工作原理。文中自行設(shè)計的馬赫-曾德爾干涉儀,是將兩個3dB耦合器通過熔接光纖的辦法級聯(lián)起來。干涉儀需要產(chǎn)生一個比特時延,故臂長差ΔL和信號速率R的關(guān)系為ΔL=Cneff?R,(1)ΔL=Cneff?R,(1)考慮有效折射率neff=1.45,R=40Gb/s,則ΔL=5.17mm。干涉儀臂長差的控制是個難點,利用游標(biāo)卡尺測量光纖長度,通過反復(fù)修改和制作,控制的精度可達(dá)0.1mm,0.01mm量級的長度差可以利用較大范圍的溫度控制來實現(xiàn)。差分相移鍵控解調(diào)的數(shù)值模擬如圖2所示。將原始信號延時一個比特得到延時信號,然后進(jìn)行相鄰比特的干涉。當(dāng)相鄰比特沒有相位改變的時候,在“相長端”即端口5(constructiveport)得到最大功率;當(dāng)有π相位改變的時候,在“相消端”即端口6(destructiveport)得到最大功率。為便于觀察,圖中一個碼元只包含光載波的五個周期。3光纖干涉儀溫度設(shè)定及工作過程差分相移鍵控信號解調(diào)的一個關(guān)鍵技術(shù)就是光纖干涉儀的溫度控制。因為光纖是個電光介質(zhì),環(huán)境溫度的變化會引起其折射率的變化,而折射率的變化又引起光信號相位的改變,造成干涉儀輸出的不穩(wěn)定。另外光纖還具有熱脹冷縮的特性,故相位的變化δ?為折射率變化δn和長度變化δL的結(jié)果的疊加,即其關(guān)系為δ?=2πλ(δnΔL+nδL),(2)δ?=2πλ(δnΔL+nδL),(2)轉(zhuǎn)化為隨溫度的變化率則為δ?δt=2πλ[dndtΔL+nd(ΔL)dt],(3)δ?δt=2πλ[dndtΔL+nd(ΔL)dt],(3)對于石英光纖,d(ΔL)ΔLdtd(ΔL)ΔLdt≈5×10-6℃-1,dndtdndt≈10-4℃-1,設(shè)波長λ=1.55μm,代入(3)式得δ?δt=0.72π℃-1,(4)由此可見,當(dāng)該光纖干涉儀的溫度變化1.4℃時,經(jīng)過干涉儀的兩路光信號的相位差會變化π,這樣相消干涉變成相長干涉,相長干涉變成相消干涉。為了防止相位的變化,必須采取對干涉儀進(jìn)行溫度控制,因為溫度控制不僅能保證干涉輸出的穩(wěn)定,而且通過調(diào)節(jié)溫度來改變信號相位,還可以得到任何相位狀態(tài)下的輸出結(jié)果。溫度控制的具體工作過程如圖3所示。首先通過熱敏電阻對干涉儀的溫度進(jìn)行探測,然后溫控電路通過比較熱敏電阻反饋的探測電壓和設(shè)定電壓,對半導(dǎo)體制冷器的工作電流進(jìn)行調(diào)節(jié),最后半導(dǎo)體制冷器通過導(dǎo)熱片對干涉儀兩臂同時進(jìn)行制冷或加熱。導(dǎo)熱片面積小,加熱快且均勻,因此可以實現(xiàn)光纖干涉儀的熱均衡。在制作好溫度控制系統(tǒng)之后,對不同溫度下光纖馬赫-曾德爾干涉儀的輸出特性進(jìn)行了測試,測試結(jié)果如圖4所示。采用摻鉺光纖放大器(EDFA)的自發(fā)輻射光(ASE)作為寬帶光源,經(jīng)過光纖馬赫-曾德爾干涉儀后得到的干涉光譜如圖4所示。通過半導(dǎo)體制冷器(TEC)對干涉儀的兩臂進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),可以觀察到干涉譜的條紋隨著光纖溫度的升高有向右移的傾向。溫度每升高1.5℃,干涉譜就向右移半個周期,波峰變成波谷,即對應(yīng)兩臂的相位差改變了π,這與前面的理論分析結(jié)果基本相符。干涉儀溫度在15～35℃之間均勻可調(diào),溫控精度可達(dá)到0.1℃,連續(xù)工作24h內(nèi)溫度誤差小于0.1℃。4解調(diào)后輸出的相移鍵控制碼型實驗裝置如圖5所示。整個差分相移鍵控通信系統(tǒng)由1550nm光源(CWLaser)、電碼型產(chǎn)生器(BPG44E)、調(diào)制器(差分相移鍵控5003)、光放大器(EDFA)、可調(diào)衰減器(tunableattenuator)、差分相移鍵控解調(diào)器(DPSKdemodulator)以及通信分析儀(CSA8000B)組成。實驗過程中調(diào)整調(diào)制器的偏置點,可得到相移鍵控法-差分相移鍵控碼型。產(chǎn)生的40Gb/s(不帶前向糾錯碼),223-1相移鍵控法-差分相移鍵控碼型如圖6所示。盡管差分相移鍵控格式中0和1在幅度上沒有差別,但由于加載的數(shù)據(jù)信號在0和1之間跳變時要經(jīng)過調(diào)制器特性曲線的最低點,因而會出現(xiàn)圖中的正弦波形。經(jīng)過光纖馬赫-曾德爾干涉儀解調(diào)后得到的相移鍵控法信號眼圖如圖7所示。相移鍵控法信號消光比較高,達(dá)到14.5dB,解調(diào)后眼圖質(zhì)量相對于原始的相移鍵控法-差分相移鍵控信號并沒有多大程度的劣化。由于光調(diào)制器產(chǎn)生信號的相位抖動引起振幅抖動,導(dǎo)致原始的相移鍵控法-差分相移鍵控信號眼圖不太理想,因而輸出的相移鍵控法信號眼圖上部連1信號的振幅抖動也比較大。為了進(jìn)一步驗證解調(diào)過程的實現(xiàn),進(jìn)行了自定義碼型的實驗。設(shè)定未經(jīng)差分編碼的原始相移鍵控法-差分相移鍵控碼型為11101100,延時信號對應(yīng)為01110110。如果正確解調(diào)的話,在相長干涉端產(chǎn)生的碼流為01100101,在相消干涉端產(chǎn)生的碼流為10011010。相長干涉端的實驗結(jié)果如圖8所示。上部的波形為差分相移鍵控原始信號,下部的波形為相長干涉的輸出信號,可見解調(diào)器將差分相移鍵控攜帶的相位信息轉(zhuǎn)化成了振幅信息,并且解調(diào)后的碼型和理論相符。輸出信號消光比為8.8dB。圖中差分相移鍵控原始波形中數(shù)據(jù)信號在0和1之間跳變的時候,會出現(xiàn)一個下降沿和上升沿。這種特性也使差分相移鍵控信號相位從0到π的跳變不是瞬時的,跳變的過程引起不完全的相位干涉,導(dǎo)致輸出信號中連0之間并未完全相消干涉,出現(xiàn)了一個小尖鋒。另外原始波形中數(shù)據(jù)0和1的峰值功率不一致是由于偏置電壓稍微偏離了傳輸曲線的最低點而造成的。同時,相消干涉端的實驗結(jié)果如圖9所示。輸出信號消光比為10.8dB。其中數(shù)據(jù)信號1的峰值不一致是由于原始波形峰值不一致造成的,但是連0的信號比較平坦,沒有出現(xiàn)小尖鋒。另外,通過半導(dǎo)體制冷器來改變光纖干涉儀的溫度,當(dāng)溫度升高了1.5℃后,發(fā)現(xiàn)相長端和相消端的輸出結(jié)果剛好對調(diào),這說明干涉信號的相位差改變了π。比較圖8和9,相消端的干涉結(jié)果比相長端的好,這個現(xiàn)象是由于相長端消光比衰減而造成的:相消端的消光比由馬赫-曾德爾干涉儀的自身靜態(tài)特性決定,而相長端則是由差分相移鍵控相位跳變的動態(tài)特性決定的。因此,任何差分相移鍵控相位跳變的衰減(比如從π降低到0.9π),或者特定碼型的相位調(diào)制(比如數(shù)據(jù)信號為連1或者連0),都會嚴(yán)重影響相長端的輸出性能。文中差分相移鍵控解調(diào)器工作在特定的溫度條件下,為了使差分相移鍵控通信系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作,可對干涉儀的工作點進(jìn)行反饋控制。如果對相長端和相消端的輸出信號同時探測,并采用平衡接收的方法,該解調(diào)器有望使接收機(jī)的靈敏度再提高3dB。5確保了信號的管理壓力介紹了馬赫-曾德爾干