本文關鍵詞：相干光通信系統(tǒng)中碼型調制與鎖相環(huán)技術的研究

  更多相關文章： 相干光通信 MZM 偏置點控制 高階調制格式 集成化光發(fā)射機 光鎖相環(huán)

【摘要】：近年來,隨著信息業(yè)務量的持續(xù)高速增長,系統(tǒng)的通信容量和通信速率需求不斷提高。目前,100G大規(guī)模商用的進程已經開始,超100G的技術也在迫切的研發(fā)當中。隨著光器件制作工藝的進步,數據采集與數據處理等芯片制作技術的發(fā)展,相干光通信重新成為研究熱點。其中,數字相干光通信是傳送網中100G、超100G等高速光通信技術的重要支撐。其特點是通過相干接收和數字信號處理技術,在電域中完成載波相位恢復、傳輸損傷補償及信號的解調等工作。另外,在無法使用中繼的星空間光通信領域,由于受到系統(tǒng)靈敏度、體積、功耗等因素的嚴格限制,基于光鎖相環(huán)技術的模擬相干光通信成為一種有效的解決方案,通過光鎖相環(huán)技術完成信號的零差相干檢測,具有較高的系統(tǒng)靈敏度,同時可有效減小系統(tǒng)的功耗和體積。在相干光通信系統(tǒng)中,發(fā)送端與接收端是兩個重要的組成部分。在發(fā)送端,通常應用馬赫-曾德爾調制器(MZM)及基于MZM結構的IQ調制器來實現各種高階碼型調制方案,MZM需要偏置點的穩(wěn)定來保持良好的調制效果,高階碼型調制技術是提高系統(tǒng)傳輸容量的重要手段,信號發(fā)射系統(tǒng)的簡單化與集成化是走向商用的重要前提。在接收端,通過基于DSP技術的數字相干接收機或基于光鎖相環(huán)技術的模擬相干接收機完成信號的接收及解調工作。這幾項作為相干光通信中的關鍵技術,具有重要的研究意義。本論文圍繞相干光通信系統(tǒng)中的MZM偏置點穩(wěn)定控制、高階碼型調制、集成化發(fā)射機研制、光鎖相環(huán)等幾項關鍵技術進行了深入系統(tǒng)的理論和實驗研究,主要創(chuàng)新點和研究成果包括：1.提出了兩種新型的鈮酸鋰(LiNbO3) MZM偏置點穩(wěn)定控制技術,分別適用于固定點穩(wěn)定控制和任意點穩(wěn)定控制。在固定點穩(wěn)定控制技術中,監(jiān)測MZM輸出光信號的平均光功率斜率值,可以將MZM穩(wěn)定在傳輸特性曲線上四個固定的工作點位置。在任意點穩(wěn)定控制技術中,監(jiān)測抖動信號諧波分量及平均光功率,可以將MZM穩(wěn)定在傳輸特性曲線上的任意工作點位置。兩種方案均適用于多種調制格式,同時與輸入光功率波動及信號調制速率無關�；谔岢龅腗ZM偏置點穩(wěn)定控制技術,設計實現了控制算法及反饋控制系統(tǒng)。實驗中測試了用于反饋控制的關鍵參量,驗證了反饋控制系統(tǒng)的有效性,分別實現了MZM固定偏置點和任意偏置點的穩(wěn)定控制。在10Gb/sNRZ-OOK背靠背系統(tǒng)測試中,不進行偏置點穩(wěn)定控制,誤碼率會逐漸惡化,而加入偏置點穩(wěn)定反饋控制,可以使系統(tǒng)誤碼率保持在10-9級別(測試時間10小時),系統(tǒng)性能穩(wěn)定。2.研究了基于雙驅動MZM (DD-MZM)的高階碼型調制技術。從DD-MZM的結構及信號星座圖特點出發(fā),解析了利用DD-MZM進行任意高階信號調制的方法。根據QPSK和16QAM的星座圖結構特點,設計了基于DD-MZM的調制方案,通過仿真實現了的3種QPSK調制方案,以及方形和星形兩種16QAM調制方案,分別得到了調制信號的波形、眼圖、光譜圖、星座圖,具有良好的調制性能。該研究有助于擴展DD-MZM的應用范圍,簡化發(fā)射機結構。3.對64QAM信號產生方案進行了系統(tǒng)研究。從64QAM信號星座圖角度出發(fā),提出了三種星座圖進化路線,并給出了相應的六種實現方案。通過仿真分別實現了64QAM信號調制,根據調制信號的眼圖和星座圖分析了不同實現方案的光信號特性。最后對比分析了不同方案的發(fā)射機復雜度及優(yōu)缺點。該研究對于64QAM信號調制及發(fā)射機實現具有較強的應用價值。4.提出了一種新型的調制器結構,定義為三驅動iQ調制器。利用該調制器僅需二電平驅動信號即可產生64QAM信號,對電驅動信號的要求低。從電驅動信號、眼圖和星座圖等角度與傳統(tǒng)調制方案進行了對比,測試了調制信號的EVM性能及調制器的分光比和耦合比對調制性能的影響。當OSNR大于23dB時,可以將64QAM調制信號EVM控制在10%以下,調制性能良好,通過合理選擇調制光路,可以產生16QAM, QPSK等調制信號,具有較高的靈活性。5.完成了三款不同類型的集成化光發(fā)射機的研制工作,包括集成化強度調制光發(fā)射機、集成化DPSK光發(fā)射機、集成化IQ光發(fā)射機,分別適用于傳輸速率不同的線路。采用一體化解決方案完成了發(fā)射機總體設計和樣機實現,研發(fā)了發(fā)射機配套的上層控制軟件,可完成發(fā)射機的控制參量設置及工作狀態(tài)監(jiān)測。對強度調制發(fā)射機和DPSK發(fā)射機進行了速率為10Gbaud的調制測試,測試碼型為OOK、BPSK、DPSK等,完成了信號的眼圖、光譜圖、星座圖、誤碼率等性能測試。對IQ發(fā)射機進行了速率為10Gbaud和22.5Gbaud的QPSK調制測試,調制信號眼圖睜開良好,星座圖清晰,測試無誤碼,測得EVM分別為9%和11%。三款發(fā)射樣機結構合理,操作便捷,測試中很好地完成了信號調制且表現出良好的性能。6.系統(tǒng)研究了相干光通信系統(tǒng)中的光鎖相環(huán)技術。提出了一種改進的副載波鎖相環(huán)結構,該方案以副載波鎖相環(huán)為基礎,在鎖相環(huán)帶寬外加入頻差捕獲電路,擴大鎖相環(huán)的頻差捕獲范圍,通過對電壓控振蕩器的調節(jié)實現本振光與信號光的快速頻差捕獲和鎖定。根據改進的副載波鎖相環(huán)結構,完成了系統(tǒng)中關鍵模塊的選型及電路設計工作,包括激光器、壓控振蕩器、分頻器、數據處理模塊、平衡接收機等。搭建實驗系統(tǒng)進行了零差相干光拍頻實驗,實現了自動控制條件下信號光與本振光的快速頻差捕獲,捕獲時間小于1s,捕獲范圍為7GHz,捕獲完成后可將信號光與本振光頻差穩(wěn)定控制在3MHz以內,系統(tǒng)在捕獲時間、捕獲范圍和穩(wěn)定性等方面均表現出良好的性能。
【關鍵詞】：相干光通信 MZM 偏置點控制 高階調制格式 集成化光發(fā)射機 光鎖相環(huán)
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-22
• 第一章 緒論22-37
• 1.1 光通信的發(fā)展現狀與發(fā)展趨勢22-24
• 1.2 相干光通信中的碼型調制技術24-27
• 1.3 相干光通信中的鎖相環(huán)技術27-29
• 1.4 論文研究內容與結構安排29-31
• 參考文獻31-37
• 第二章 馬赫-曾德爾調制器偏置點穩(wěn)定控制研究37-63
• 2.1 馬赫-曾德爾調制器偏置點穩(wěn)定控制技術37-41
• 2.1.1 馬赫-曾德爾調制器原理37-40
• 2.1.2 目前已有的MZM偏置點穩(wěn)定控制技術40-41
• 2.2 基于平均光功率斜率檢測的偏置點穩(wěn)定控制技術41-51
• 2.2.1 理論基礎41-42
• 2.2.2 仿真分析42-44
• 2.2.3 算法設計44-45
• 2.2.4 系統(tǒng)設計45-46
• 2.2.5 測試結果46-51
• 2.3 任意偏置點穩(wěn)定控制技術51-59
• 2.3.1 理論分析51-53
• 2.3.2 仿真分析53
• 2.3.3 算法設計53-55
• 2.3.4 系統(tǒng)設計55
• 2.3.5 測試結果55-59
• 2.4 本章小結59-60
• 參考文獻60-63
• 第三章 相干光通信系統(tǒng)中的碼型調制技術63-95
• 3.1 碼型調制技術概述63-66
• 3.2 基于雙驅動MZM的高階碼型調制66-79
• 3.2.1 理論分析67-71
• 3.2.2 仿真分析71-79
• 3.3 高階64QAM信號調制的研究79-85
• 3.3.1 64QAM發(fā)射機的方案設計79-83
• 3.3.2 64QAM調制方案仿真研究83-84
• 3.3.3 64QAM調制方案對比84-85
• 3.4 集成64QAM調制器的研究85-91
• 3.4.1 理論分析86-88
• 3.4.2 仿真分析88-91
• 3.5 本章小結91-92
• 參考文獻92-95
• 第四章 集成化光發(fā)射機的研究95-124
• 4.1 光發(fā)送端集成化96-97
• 4.2 集成化強度調制光發(fā)射機的設計與實現97-105
• 4.2.1 設計思想和設計方案97-98
• 4.2.2 關鍵器件及樣機實現98-101
• 4.2.3 樣機性能測試101-105
• 4.3 集成化DPSK光發(fā)射機的設計與實現105-115
• 4.3.1 設計思想和設計方案106
• 4.3.2 關鍵器件和樣機實現106-109
• 4.3.3 樣機性能測試109-115
• 4.4 集成化IQ光發(fā)射機的設計與實現115-122
• 4.4.1 設計思想和設計方案116-117
• 4.4.2 器件選擇和樣機實現117-119
• 4.4.3 樣機性能測試119-122
• 4.5 本章小結122
• 參考文獻122-124
• 第五章 相干光通信系統(tǒng)中的鎖相環(huán)技術124-154
• 5.1 光鎖相環(huán)概述124-130
• 5.1.1 光鎖相環(huán)的基本結構124-125
• 5.1.2 幾種光鎖相環(huán)結構125-130
• 5.1.3 頻差捕獲概述130
• 5.2 光鎖相環(huán)性能分析130-143
• 5.2.1 平衡鎖相環(huán)130-137
• 5.2.2 科斯塔斯鎖相環(huán)137-140
• 5.2.3 決策驅動鎖相環(huán)140-143
• 5.3 光鎖相環(huán)方案設計及仿真143-151
• 5.3.1 基于副載波的光鎖相環(huán)方案143-144
• 5.3.2 基于副載波的光鎖相環(huán)方案原理分析144-147
• 5.3.3 基于副載波的光鎖相環(huán)仿真分析147-151
• 5.4 本章小結151-152
• 參考文獻152-154
• 第六章 零差相干鎖相實驗研究154-165
• 6.1 零差相干鎖相中用到的關鍵器件和系統(tǒng)設計154-158
• 6.1.1 關鍵器件154-157
• 6.1.2 系統(tǒng)設計157-158
• 6.2 系統(tǒng)關鍵器件測試158-160
• 6.2.1 壓控振蕩器測試158
• 6.2.2 分頻器測試158-159
• 6.2.3 時鐘數據恢復模塊測試159-160
• 6.3 激光器拍頻實驗研究160-164
• 6.3.1 本振光測試160-161
• 6.3.2 激光器手動控制拍頻測試161-162
• 6.3.3 激光器自動控制拍頻測試162-164
• 6.4 本章小結164-165
• 第七章 總結與展望165-168
• 7.1 總結165-166
• 7.2 展望166-168
• 縮略語168-172
• 致謝172-175
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文175-176

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