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主流的光调制技术及其比较

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本文不仅讲述主流光调制器技术如QPSK, DQPSK, DPSK, OOK的概念和差异, 也清晰的比较了不同调制技术的优劣利弊.

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本文不仅讲述主流光调制器技术如QPSK, DQPSK, DPSK, OOK的概念和差异, 也清晰的比较了不同调制技术的优劣利弊.

缩略语:

CP-QPSK -基于相干检测的偏振复用四相相移键控调制技术 Coherent Polarization Multiplex – Quadrature Phase Shift Keying

DQPSK -基于直接检测的四相差分相移键控调制技术 Differential Quadrature Phase Shift Keying

DPSK -基于直接检测的差分相移键控技术 Differential  Phase Shift Keying

OOK - 开关键控调制技术 On-Off  Keying

摘要:

CP-QPSK作为OIF选定的100G的波分调制技术,应用到40G调制的时候,提供了最佳的40G波分传输性能,并在向100G波分在线升级的时候,100%的保留了系统平台的性能,并且,使用相干检测技术后,可以完成剔除波分系统中的色散补偿和偏振模补偿,避开了以前老旧光纤不能传输40G波分的问题,使得该技术无论从理论上还是实际工程上都是40G波分系统的最佳传输技术。

一、主流调制技术之间的比较

OOK、DPSK、DQPSK和CP-QPSK调制技术

OOK(如NRZ、ODB、CS-RZ等)一直是10G及以下速率光信号传输的标准调制方式,但是因为信噪比和色散容限问题,不适合更高速的传输,如40G,需要其它的替代方案。

DPSK技术就是为了解决OOK的问题,将信号承载的符号一分为二,使得符号间的距离增大了一倍,从而天然的有了3dB的光信噪比(OSNR)的优势。成为了40G波分市场的主流技术。此时,其实际传输速率(符号率)和比特率相同,都是40Gb/s。

为了增大DPSK偏振模容限,出现了DQPSK技术,将符号分为4个,实际传输的符号率是比特率的一半,为20Gb/s。理论上,相比DPSK,OSNR有所改善(符号率为DPSK一半,3dB优势),但是其符号间的距离是DPSK的0.7左右,导致OSNR劣化1.5dB;再加上差拍噪声和相位噪声的影响,使得DQPSK和DPSK的OSNR差不多。

        CP-QPSK是在DQPSK的基础上,增加一个偏振维度,使得符号率降为实际速率的1/4(实际符号率10Gb/s),并采用了相干检测技术。在相干检测模式下,输入的光信号首先分成任意混合偏振的两部分,每个部分都和一个本地激光光源发出的光信号进行90度混合。该方式把两路偏振光信号进行同相、异相隔离;最后光信号通过光电二极管转化为电信号,输入到电域的后处理过程。

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图 CP-QPSK接收机结构

这里面,本地激光光源起到了光信号载体作用,本质上还是各自信号自身之间的干涉而解析出各自的偏振态、相位等信息。

相干检测,可以直接得到相位和偏振态信息,这是其最大的优势。所有对各类损伤的载波恢复都在电域进行(色散补偿、PMD损伤),因此相干检测对于系统性能优化而言更加的灵活,是一种性价比很高的方案。具备如下优点:

  • 光滤波效应好,实际为10G符号率
  • 和50GHz通道间隔兼容
  • 传输距离: > 2000 km
  • 电域偏振解复用(相比光域低成本)
  • 接收机光学结构简化 (无需延时线干涉仪或平衡检测)
  • 相干检测解调,CD和PMD容限大: 后处理, 无需色散补偿,无需偏振模色散补偿
  • 比DPSK和RZ-DQPSK更远的传输距离

表1是对实际工程中所使用的P-DPSK、RZ-DQPSK和CP-QPSK性能的全面比较。可见CP-QPSK可以传输18个25dB的跨段。

表1:P-DPSK、RZ-DQPSK、CP-QPSK性能的全面比较

 背靠背最小OSNR色散容限 (1dB)PMD容限(1dB)放大器噪声系数NF升级到100G性能劣化百分比Nx25dB跨段数(N)是否需要DCM
P-DPSK11.5~12dB2000 ps/nm7.5ps7dB劣化40%14
RZ-DQPSK11.4~12dB2000 ps/nm18ps7dB劣化40%14
CP-QPSK9~10dB34000 ps/nm175ps(1)5dB(2)无劣化18

注1:理论上容量无限,实际上,按2000km普通单模光纤设计就足够满足需求;

注2:放大器噪声的降低是因为里面去掉了色散补偿模块,直接降低了将近10dB的插损,大大降低了放大器成本,并提升了放大器性能。

表2:某大型跨国设备商40G CP-QPSK的设备主要指标

线路速率45.8Gb/s
实际线路符号率11.45Gbaud
背靠背最小OSNR<10 dB (post-FEC BER of 1e-15).
色度色散容限(1dB OSNR代价)34,000ps/nm,相当于无需色散补偿模块DCM,在G.652单模光纤上传输2000km
偏振模色散容限0.5dB OSNR代价下为: 35ps (平均值,等同于DGD为100ps,以及二阶偏振模SOPMD为 4000 ps2),相当于平均PMD为0.7ps/km1/2的光纤中传2000km

小结:

  1. 40G的CP-QPSK调制比DPSK和RZ-DQPSK传的更远,在通信运营商要求的25dB跨段下,可以传输超过18个跨段;
  2. 在40G波分技术上,使用CP-QPSK调制,可以是整个波分的放大器平台成本降低50%(可去掉DCM模块),并且性能提升60%(去掉DCM模块后,降低了插损,使得放大器噪声系数大大减少);
  3. 在40G向100G升级时,100%保留了整个波分平台的能力,也就是说原本2000km的传输,到100G波分时,还是2000km传输,无需更换任何线路设备。
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