摘要：PM-QPSK技術具有高的頻譜效率，將傳輸符號的波特率降低為二進制調制的四分之一,并能使光信噪比極大改善，可以用強大的DSP來處理極化模復用信號。文章分析了PM-QPSK技術調制和解調的基本原理，對100G系統中接收機前端解調器" title="光解調器">光解調器進行詳細分析。
關鍵詞： 偏振復用正交相移鍵控；解調器；平面光波導回路
引言
PM-QPSK(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying,偏振復用正交相移鍵控)的信號在接收側采用相干檢測技術可以實現高性能的信號解調，和直接解調、差分解調方式相比，相干檢測所使用的本地激光器的功率要遠大于輸入光信號的光功率，所以光信噪比可以極大地改善[1]。特別是相干檢測技術充分利用強大的DSP(Digital Signal Processing,數字信號處理)技術來處理極化模復用信號，可以通過后續的數字信號處理補償并進行信號重構，可以還原被傳輸的信號的特性（極化模、幅度、相位），大幅度消除光纖帶來的傳輸損傷，如PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）容忍度達30ps,無需線路色散補償就可以容忍幾萬ps/nm,相比與其他的100G傳輸方案，如非相干PM-DQPSK或OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用技術)，PM-QPSK結合相干檢測提供了最優化的解決方案,這被大多數的系統供應商選擇為100G傳輸方案。
PM-QPSK調制原理
四進制移相鍵控(QPSK)是一種多元(4元)數字頻帶調制方式，其信號的正弦載波有4個可能的離散相位狀態，每個載波相位攜帶2個二進制符號，第n個時隙的QPSK信號可以表達為：
(1)
其中，A是信號的振幅，為常數；θn為受調制的相位，其取值有四種可能，具體值由該時隙所傳的符號值決定；fc是載波頻率；Ts為四進制符號間隔。QPSK常用的四種相位值有兩套，分別稱為A方式和B方式，若
，則為0、π/2、π、3π/2，此初始相位為0的QPSK信號的矢量圖如下圖1中A方式；若
，則為π/4、3π/4、5π/4、7π/4，此初始相位為π/4的QPSK信號的矢量圖如下圖1中B方式。QPSK調制是響應進入的碼對(00、01、10、11)，對光載波作相移，表1給出了四元符號對應的兩個比特和A、B兩套相位值[2]。
單個100Gbps被分為兩個極化模式-TE(橫電模)與TM(橫磁模)的兩個50Gbps流，這一步驟產生出相同頻率的兩個載波，然后每個載波做QPSK調制，由于QPSK調制將2個比特封裝在一個符號內，兩個極化的模式可以分別得到兩個25G符號/秒的流，總計為100Gbps。由于QPSK信號是以兩個極化面且以復用的極化模形式傳輸，因此它可以叫做DP-QPSK(雙極化QPSK)，或叫PM-QPSK(極化模式QPSK)。
圖1 QPSK A和B 兩種方式矢量圖
表1 QPSK的兩套相位值
相干接收PM-QPSK調制解調過程
PM-QPSK在偏振態、相位和波形多個維度進行調制，具有較大的自由度且每個維度復雜度較低，發射機工作過程如下：連續激光器發出的光信號等分后作為兩個QPSK調制器的載波光源，數據經QPSK編碼、驅動放大和低通濾波驅動后驅動QPSK調制器；兩路經QPSK調制后輸出的光信號在偏振態正交化后由偏振合束器匯聚為一路光波信號進入線路。可在連續激光器和分光器之間引入脈沖發生器，通過改變光脈沖形狀進一步抑制和補償光傳輸損傷。其過程如圖2所示。
數字相干接收機將傳輸通道設計的復雜度轉移到了接收機。數字相干接收機通過相位分集和偏振態分集將光信號的所有光學屬性映射到電域，利用成熟的數字信號處理技術在電域實現偏振解復用和通道線性損傷（CD、PMD）補償，簡化傳輸通道光學色散補償和偏振解復用設計，減少和消除對光色散補償器和低PMD光纖的依賴。
圖2 PM-QPSK調制解調過程
數字相干接收機工作過程如下：本振激光器發出的光信號等分后作為兩個90°混頻器的相干光源；線路輸入光信號經偏振分束器分為兩路偏振態相互正交的光信號分別進入兩個90°混頻器與本振光信號產生干涉；混頻器輸出光信號經平衡接收光電二極管轉換為模擬電信號，經高速模數轉換器采樣量化后轉換為數字信號；數字信號在數字信號處理器中完成數據恢復[3]。
PM-QPSK光解調器
PM-QPSK光學解調器部分較為復雜，采用偏振分集內差檢測，將光學屬性映射到電域以解析光調制格式的信息。內差檢測與零差檢測結構相似，利用90°光混頻器與本征混頻同時提取信號的同相分量和正交分量，通過電信號處理消除相位噪聲，從而實現信號調制相位的檢測和解調，放寬了對本振激光器與發射機激光器的頻率相位一致性要求，兼具零差檢測和外差檢測的優點。
在本文所介紹的100G傳輸系統中，接收機前端光學解調器結構示意圖如圖3所示。
圖3 PM-QPSK光解調器結構示意圖
其中本地振蕩源的光信號和從光纖中接收到的信號光分別經過2個PBS結構，將兩路光信號分別分為2個正交的極化模式，四路光信號可以表示為：
（2）
其中Esx,Esy,ELO.x,ELO.y分別表示信號光和本地振蕩源的TE、TM模式的光信號，α表示信號光TE模所占比例，δ表示初始相位，ws表示信號光角頻率，As表示信號光的振幅。
信號光和本地振蕩源的TE、TM模光信號，分別進入對應的90°混頻器，所得到的檢測信號分別為：
(3)
再經過平衡光電探測器，最后所得到的差分電流可以表示為：
(4)
這樣就將光學屬性轉移到電域中，通過對電信號的后期數字處理，就可以解調出所需的信息。
根據這種結構，可以用自由空間集成光學和平面光波導回路(PLC)這兩種技術來實現這種光學解調器模塊，但是傳統的自由空間集成光學技術設計出的PM-QPSK光解調器，體積較大，而且對大范圍溫度變化敏感，而用PLC技術制作的PM-QPSK光解調器不僅可以實現全部的光學功能，而且能將保偏光波導(PBS)與90°混頻器單片集成，大幅度降低了器件的尺寸，且穩定性好，易于集成。
這種用PLC技術設計的單片集成解調器芯片結構有以下兩種方案，第一種方案如圖4(a)所示，首先輸入信號通過一個基于MZI(馬赫曾德干涉)結構的PBS，將輸入信號分為TE和TM兩個偏振態(此為第一級偏振分束),并沿上下兩個支路傳播，這兩路偏振信號再分別經過2個PBS結構，使得TE模和TM模進一步分開(此為第二級偏振分束)，通過這兩級偏振分束可以大幅度改善偏振消光比。上支路傳播的TE模信號光，經過一個與主軸成45°的半波片，轉化為TM模信號，另一方面，我們將從本地振蕩源輸入的光控制為TM模式，這個輸入的光信號經過一個3dB耦合器，分為上下兩路光信號，并與上支路轉化的TM模信號光和下支路的TM模信號光一起分別導入上下兩個90°混頻器，并解調輸出8路光信號。在OFC2010上,Furukawa公司按這種方案設計制作出的芯片尺寸可以達到25×21mm,最小偏振消光比33.2dB[4]。
第二種方案如圖4（b）所示，這種設計方案采取相對折射率為Δ=1.8%的硅基二氧化硅波導材料，因為隨著Δ的增加，在波導的強折射率限制下，波導的彎曲半徑可以變小， 當Δ=1.8%時，可使波導彎曲程度最大，且彎曲損耗最理想，此時彎曲半徑為1200um，為傳統的結構彎曲半徑的一半，這樣可以大幅度降低芯片尺寸，并且只用一級偏振分束，就能將TE與TM模信號較好的分離。NTT公司在EOCO2010會議,按這種方案設計制作出的超小型芯片尺寸可以達到12×12mm,符合了OIF對光學解調器尺寸的要求[5]。
圖4 兩種方案波導結構圖
總結
100G技術已經成熟，市場已經初步形成，用PLC技術制作成的光前端數字相干接收機，是實現100G高速信號解調必不可少的器件，具有極大地研究價值。本文介紹了PM-QPSK的原理，及數字相干發射機和接收機的工作原理，并詳細分析了接收機前端光PM-QPSK解調器的原理，并介紹兩種基于PLC技術的解調器芯片的設計方案。
參考文獻
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