（信号与信息处理专业论文）40gbps长距离光收发合一模块研究和实现.pdf

摘要 l i i ii ii ii i ii ii ii i lli i l 19 9 6 7 0 5 本文主要介绍了4 0 g b p s 长距离光收发合一模块的研究和实现。其研究和实现的 目的是解决网络对带宽和速度的需求。 文章大致分为两个部分，第一部分侧重介绍了对4 0 g b p s 长距离光收发合一模块 的研究。第二部分侧重介绍了4 0 g b p s 长距离光收发合一模块的实现。 第一部分着重对m a c h - z e h n d e r ( m 之) 调制器和调制编码进行了深入分析。第二 部分给出了4 0 g b p s 长距离光收发合一模块实现的细节。 4 0 g b p s 长距离光收发合一模块实现的大致方法是：( 1 ) 在接收部分，利用光电效 应，通过p i n 将接收到的4 0 g b p s 光信号转换成4 0 g b p s 电信号。( 2 ) 用t i a 将转换后 的电信号进行放大。( 3 ) 利用解复用芯片将4 0 g b p s 电信号解成1 6 路2 5 g b p s 电信号 送入到3 0 0 p i n 插座，供给外部系统使用。( 4 ) 在发射部分，接收来自3 0 0 p i n 插座的 1 6 路2 5 g b p s 电信号，通过复用芯片将这1 6 路电信号复用成4 0 g b p s 电信号。( 5 ) 用 驱动器将4 0 g b p s 电信号幅度放大到一定程度。( 6 ) 将4 0 g b p s 电信号送入到m z 调制 器之中，进行4 0 g b p sd p s k 光信号调制。 最终，实现4 0 g b p sd p s k 编码光收发合一模块的长距离传输。其接收灵敏度为 7 d b ，有效传输距离4 0 k m 。 在实现的过程中，利用新的偏压控制方法，实现同时对最多3 个m z 调制器进行 监测和控制。 4 0 g b p s 长距离光收发合一模块的成功实现，为今后超长距离光收发合一模块的 研究积累了宝贵的经验，并为以后超长距离光收发合一模块的研究和实现奠定了基 础。 关键词：4 0 g b p s ；长距离；光收发合一模块；d p s k 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ef o c u s e so nr e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f4 0 g b p sl o n gh a u lt r a n s p o n d e r t h e p u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st os o l v et h ed e m a n do fn e t w o r kb a n d w i d _ t l la n ds p e e d t h e r ea r et w op a r t si nt h i sp a p e r t h er e s e a r c ho f4 0 g b p sl o n gh a u lt r a n s p o n d rh a s b e e ni n t r o d u c e di nf i r s tp a r t , a n d ，t h er e a l i z a t i o no f4 0 g b p s l o n gh a u lt r a n s p o n d e rh a sb e e n f o l l o w e d m a c h - z e h n d e rm o d u l a t o ra n dt r a n s m i s s i o nf o r m a th a v eb e e na n a l y z e di nd e p t hi n p a r to n e a n dm o r ed e t a i lo fd e v e l o p i n gt h e4 0 g b p sl o n gh a u lt r a n s p o n d e rh a sb e e ng i v e n i n p a r t t w o a s i m p l ep r o c e s so fd e v e l o p i n g4 0 g b p sl o n gh a u lt r a n s p o n d e ri sf o l l o w e d ( 1 ) u e sa p i nd e t e c t o ri nr e c i v e rt ot r a n s f o r mt h e4 0 g b p so p t i c a ls g n a lt oe l e c t r i c a ls i g n a l ( 2 ) a m p l i f yt h ea m p l i t u d eo f4 0 g b p se l e c t r i c a ls i g n a lb yat i a ( 3 ) s w i t c ht h e4 0 g b p s e l e c t r i c a ls i g n a lt o16 x 2 5 g b p ss i g n a lb yad e m u xc h i p ，a n dt h e16 x 2 5 g b p ss i g n a lw i l lb e s e n dt o3 0 0p i nl a t e r ( 4 ) am u x c h i pr e c i v e16 x 2 5 g b p se l e c t r i c a ls i g n a lf r o mt h e3 0 0p i n , a n ds w i t ht h e mi n t oa4 0 g b p se l e c t r i c a ls i g n a l ( 5 ) b yu s i n ga l la m p l i f i e rd r i v e rt o m a g n i f i e dt h ea m p l i t u d eo ft h e4 0 g b p se l e c t r i c a ls i g n a l ( 6 ) u s e dam a c h - z e h n d e r m o d u l a t o rt om o d u l a t et h e4 0 g b p se l e c t r i c a ls i g n a lt o4 0 go p t i c a ls i g n a l f i n a l l y , r e a l i z eal o n gh a u l t r a n s m i s s i o no f4 0 3d p s kt r a n s p o n d e r t h er e c i v e r s e n s i t i v i t yi s - 7 d b ，a n dt h er e a c hi s9 0 k m t h e r ean e wb i a sc o n t r o lm e t h o dh a sb e e n u e s di nt h i sp a p e r t h en e wb i a sc o n t r o lc a l l m o n i t o ra n dc o n t r o l3m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r sa tm o s ta tt h es a m et i m e t h es u c c e s so f4 0 g b p sl o n gh a u lt r a n s p o n d e rg i v ea p r e c i o u se x p e r i e n c et ou s ，a n di t h a v eb u i l da g o o df o u n d a t i o nf o rn e x tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：4 0 g b p s ；l o n gh a u l ：t r a n s p o n d e r ；d p s k 武汉邮电科学研究院硕士论文 第1 章绪论 九十年代以来，网络容量一直保持以每5 - - , 6 年翻4 倍的速度快速增长。但是， 在1 0 g 向4 0 g 演变的过程中，业界普遍认为，向4 0 g 迈进的步伐明显落后于容量增 加的正常规律【1 1 。究其原因，除高速传输带来的技术和成本难题外，电信泡沫的破裂 对光通信行业造成的沉重打击，运营商对新技术的谨慎态度，以及网络优化和扩容建 设要求更加严格等因素，都使得4 0 g 在应用上倍受阻碍【2 l 。在经过多年的市场低谷之 后，如今的光通信市场已经基本上恢复了元气，加上全网m 化的趋势越来越明显， 1 0 gd w d m 系统显然已经不能满足人们对带宽的需求，利用4 0 gd w d m 方案来解 决带宽需求的愿望越来越迫切。 本章对国内外4 0 g b p s 光模块的背景，发展，现状及趋势作了介绍，同时对本课 题的研究目的、意义、主要内容及创新点进行了说明。 1 14 0 g b p s 光收发合一模块的研究背景 4 0 gd w d m 系统的实现需要大量电子学和光学领域的技术。其工作的过程可简 单总结为：( 1 ) 将网络业务的低速颗粒复用成高速信号，并将其成帧。( 2 ) 选择合适的 传输码型进行编码，驱动和调制。( 3 ) 将光信号发送到光纤上，传送至最近的光放大 站点。( 4 ) 接收来自光纤的光信号，并转换成电信号。( 5 ) 对电信号解调。( 6 ) 将高速 电信号解复用成低速颗粒后传送给各网络业务。 4 0 g b p s 光收发合一模块( t r a n s p o n d e r ) 的大致工作步骤为：( 1 ) 将来自网络业务 的低速电信号经复用器复用成4 0 g b p s 电信号。( 2 ) 将4 0 g b p s 电信号调制编码后转换 成4 0 g b p s 光信号，加载到光纤上发送出去。( 3 ) 接收来自光纤的4 0 g b p s 光信号，将 其转换成4 0 g b s p 电信号。( 4 ) 对4 0 g b p s 电信号进行解复用，使其成为低速电信号。 ( 5 ) 将低速电信号发送给系统其他部分，分解成低速颗粒后发送给各网络业务 3 1 。 对比4 0 gd w d m 和4 0 g b p st r a n s p o n d e r 的工作步骤可发现，4 0 g b p st r a n s p o n d e r 的工作步骤同4 0 gd w d m 系统工作的步骤高度相似。可以说，4 0 g b p st 唧n d c r 就是整个4 0 gd w d m 的缩影。事实也证明，t r a n s p o n d e r 是d w d m 的核心，发展4 0 g d w d m 技术，关键在发展4 0 g b p st r a n s p o n d e r 技术。 武汉邮电科学研究院硕士论文 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 因设计难度大，标准尚不统一，原器件供应商少等因素限制， 长期停留在实验室研发阶段。但随着4 0 gd w d m 市场需求的越来越迫切，已经有多 家公司推出了各自的商用4 0 g b p s 光模块。比如，b i gb e a r , m i n t e r a , o p n e x t ，c o r e o p t i e s ， o p t i u m ，横河等。 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 的出现给通信业带来了新转机，同时，也对各模块制造商提 出了新的挑战。当前的4 0 g b p st r a n s p o n d e r 标准尚没有定论，这导致4 0 g 模块生成厂 商在推出自己的光模块时都比较小心和谨慎。一方面要抢占市场占有率，一方面又不 得不考虑同以后协议的一致性。从这两点来看，在现在的环境下，发展自主研发的 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 是相当有优势的。虽然在技术上同国外厂商还存在一些差距，但 是，由于标准尚未统一，只要在性能和价格上做到平衡，就可以弥补部分技术上的不 足。从目前的应用方面来看，价格因素是关系到4 0 g b p st r a n s p o n d e r 应用的关键，在 保证价格优势的前提下，技术上的些许差异是可以容忍的。因此，开发自主创新的 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 成为当务之急。 1 24 0 g b p $ 光收发合一模块研究的意义 目前市场上的4 0 g 光收发模块基本都是国外的产品，其中绝大部分的核心技术 都掌握在国外这些企业手中。我国的设备和系统制造商要想开展4 0 gd w d m 项目， 就必然面临几大难题：( 1 ) 由于4 0 g b p s 技术刚开始商用，其产量小，单位制造成本高。 完全依靠进口4 0 g 光模块来满足系统制造的需求，一定会使系统的制造成本增高。 ( 2 ) 4 0 g 光模块受到技术保护等影响，在进口时存在一定的时间滞后性，对系统制造 商迅速抢占市场非常不利。( 3 ) 4 0 g 光收发模块在制作上还存在一定的难度。( 4 ) 国际 标准迟迟未对4 0 g 光模块作出统一规定，光模块规格尚不统一，可替代性差。 正是因为上述几个原因，本课题的研究就很有意义。首先，自主的4 0 g b p s t r a n s p o n d e r 技术的研制成功，能够打破国外厂商对4 0 g b p st r a n s p o n d e r 这一领域的 技术垄断。确保我国在4 0 g b p s 高速光通信领域不落后与其他国家。同时，也填补了 我国在该领域的技术空白。其次，4 0 g b p st r a n s p o n d e r 技术的研制成功能为我国的系 统制造商提供更多的国际竞争力。能在一定程度上降低系统制造商的制造成本，并能 提供时间上的保障。再次，使用4 0 g b p s 技术的系统一定不会是我国光通信的终极目 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 标，今后一定会有1 0 0 g b p s 、2 0 0 g b p s 甚至更高速率的系统出现。4 0 g b p st r a n s p o n d e r 的研制成功，将为今后在更高速率的光收发模块的研制积累宝贵的经验，使得我国在 光收发模块上具有较高的核心竞争力。 1 34 0 g b p s 光收发合一模块技术的发展情况和趋势 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 按照其传输距离的远近被分为四种：甚短距离，短距离，长 距离和超长距离。由于其作用的距离不同，4 0 g b p s t r a n s p o n d e r 所采用的实现技术也 是不一样的。 通常，4 0 g 甚短距离传输是指传输距离小于等于2 k m 的应用。这种传输多采用 n r z 编码，e a 调制，p i n + t i a 接收。主要应用于高速计算机互联，d w d m 背板互 联或者小范围l a n 。 4 0 g 短距离传输是指传输距离小于2 5 k m 大于2 k m 的应用。这种传输一般采用 n r z 编码，r z 编码或者o d b 编码的方式。采用m z 调制，p i n + t i a 接收。除了应 用于高速计算机互联，d w d m 背板互联或者小范围l a n 外，还可以用于大范围l a n 和小范围w a n 。 4 0 g 长距离传输是指传输距离小于4 0 k i n 大于2 5 k m 的应用。这种传输一般采用 d p s k 编码，q p s k 编码。采用m z 调制，平衡接收机进行接收。主要应用于城域网 建设，并可作为短距离的主干网。 4 0 g 超长距离传输一般是指传输距离小于8 0 k m 大于4 0 k m 的应用。这种传输一 般采用d q p s k 编码。需要m z 调制，平衡接收机进行接收。主要应用于主干网的建 设。 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 模块要想达到大于8 0 k m 的传输距离从当前的技术发展状况 来看存在很多困难。首先，4 0 g 高速器件制造本身尚存在很多技术难题尚未很好的解 决，比如器件尺寸集成度不高，体积还很大，无法做到m s a 协议规定的尺寸要求。 其次，4 0 g b p st r a n s p o n d e r 传输距离还要受诸如现有光纤的色散，偏振效应，非线性， 光纤损耗等外来因素的影响睁n 】。再次，4 0 g b p st r a n s p o n d e r 大于8 0 k m 的甚超长距离 传输实现投入费用过于巨大，要想实际应用还需要很长的时间。综合上述的几个原因， 目前各研究所和公司对超过8 0 k m 以上4 0 g b p st r a n s p o n d e r 的兴趣还不是很大。 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 现阶段，甚短距离4 0 g b p st r a n s p o n d e r 和长距离4 0 g b p st r a n s p o n d e r 应用最为广 泛。甚短距离4 0 g b p st r a n s p o n d e r 由于其制造成本低廉，技术成熟，在超级计算机互 联通信和d w d m 背板互联方面应用非常广泛。长距离尤其是采用d p s k 编码的 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 被众多的光模块制造厂商广泛采用。有超过半数的厂商使用 d p s k 编码来设计其4 0 g b p st r a n s p o n d e r ，并应用于4 0 gd w d m 系统之中。 之所以短距离4 0 g b p st r a n s p o n d e r 出现的不多，是因为n r z 和r z 编码由于其 编码本身的局限，很难做到如此远距离的传输。o d b 虽然在编码上比n r z 和r z 要 优异许多【1 2 1 ，但其频谱过窄，在传输过程中受非线性影响非常大，再加上其实现3 阶信号产生的5 阶贝塞尔( b e s s e l ) 滤波器性能非常不理想，使得o d b 编码没有被 广泛采用。 超长距离的解决方案，众厂商一致看好d q p s k 编码方式。d q p s k 无论是其编 码优势还是其传输距离都较其他编码有质的不同，但是，就目前器件制造水平来看， 要想做到符合m s a 标准的4 0 gd q p s kt r a n s p o n d e r 还是有相当的难度的。虽然，目 前d q p s k 编码的t r a n s p o n d e r 还很少见，但是4 0 gd q p s k 编码的t r a n s p o n d e r 作为 未来4 0 g b p st r a n s p o n d e r 的最终解决方案已经成为不争的事实。 1 4 本课题的主要内容和创新点 本课题主要介绍了4 0 g 长距离( l h ) t r a n s p o n d e r 的设计原理和方法。首先，通 过一个整体的框架设计，宏观上定义了4 0 gl ht r a n s p o n d e r 实现的方法。然后，分别 通过对4 0 gt r a n s p o n d e r 中几个重要的部分的细致阐述，进一步说明4 0 gl h t r a n s p o n d e r 的实现原理。最后，通过对4 0 g b p st r a n s p o n d e r 实现原理的分析确定4 0 g l ht r a n s p o n d e r 具体的解决方法。 我在课题中所作的工作： ( 一) 、对m z 调制器和调制原理进行了研究。 ( 二) 、对长距离和超长距离编码进行了研究，包括：d p s k ，d q p s k ，p m q p s k 编码，以及不同调制编码的组合和变形码。 ( 三) 、对m z 调制器偏压控制原理进行了研究，并对偏压控制器进行了创新。 ( 四) 、对t r a n s p o n d e r 中发射模块部分进行了电路优化。 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 课题中的创新点：l 、在原有m z 抖动乘法偏压控制器的基础上，通过增加一个 以m c u 为核心的辅助控制系统，使新的偏压控制器能够实现同时对多个m z 调制器 进行不同模式的偏压控制。适用于需要同时对2 3 个m z 调制器进行调制的情况。2 、 对激光器电路进行改进，使激光器工作更加稳定可靠。 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章4 0 g b p s 长距离光收发合一模块整体设计方案 4 0 g 的演进过程，走的是从短途到长途，从周边到核心的路线。这样做的好处一 方面解决了个别用户对4 0 g 应用的迫切需求，使得4 0 g 可以在个别急需的领域能够 迅速得到应用。另一方面减少了运营商更换设备的压力，使得原有的设备能够做到逐 步升级，平滑过渡。 个别领域的应用主要集中在甚短距离的解决方案上，包括，超级计算机互联， d w d m 系统背板互联和小型l a n 。这些领域对4 0 g b p st r a i l s p o n d e r 的距离和色散容 限等要求不是很高，4 0 g b p st r a n s p o n d e r 在满足传输速率的基础上很容易满足应用对 色散、偏振、非线性等的需求，因而，这些领域是当前4 0 g b p st r a n s p o n d e r 应用和推 广的重点。 4 0 g 短距离t r a n s p o n d e r 由于采用m z 调制技术，使其性价比不是很理想，尤其 是以o d b 编码为解决方案的短距离t r a n s p o n d e r ，因其实际的性能表现同当初的预估 存在很大的出入，再加上在实现上还存在许多的技术问题，因而并未被众厂商看好， 所以现阶段4 0 g 短距离t r a n s p o n d e r 应用的还比较少。 4 0 g 超长距离t r 孤s p o n d e r 是近几年讨论的热点，特别是以d q p s k 编码解决方 案为代表的超长距离t r a n s p o n d e r ，无论是理论计算还是实验室测试，都表现出非常 优异的性能。同时，在d q p s k 编码的基础上，研究人员又研究出p m q p s k ，8 - d q p s k 等众多性能优异的解决方案。但是，d q p s k 编码的超长距离t r a n s p o n d e r 其实现起来 比较复杂，设备昂贵，在当前4 0 g 商用化起步的阶段，直接采用4 0 gd q p s k 超长距 离的解决方案有些过于冒险。 有鉴于此，当前众多的t r a n s p o n d e r 制造商和d w d m 系统制造商都把目光集中 在4 0 g 长距离的解决方案上。一方面，4 0 g 长距离实现方案简单，制造成本低。另 一方面，4 0 g 长距离t r a n s p o n d e r 能够满足现阶段部分骨干网络建设的需求，其性价 比非常高。 本章着重介绍了4 0 g b p sl ht r a n s p o n d e r 的实现思想以及整体设计方案。并在整 体设计方案的基础上对t r a n s p o n d e r 中的三个主要技术进行了简要介绍。为后文进行 详细的技术讨论打下一个框架。 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 2 14 0 g b p s 长距离光收发合一模块核心思想 实现4 0 g b p s 传输的方式有很多，除了传统的1 6 x 2 5 g 、4 x 1 0 gd w d m 系统外， 近年来又出现了单信道4 0 g b p s 传输技术。本课题在后面的叙述中所提到的4 0 g b p s 技术，除特别说明外，都是指单信道4 0 g b p s 传输技术。 4 0 g b p s 相对于4 x 1 0 gd w d m 技术来说有许多优点。( 1 ) 、它可以比较有效的使 用传输频带，频谱效率比较高；( 2 ) 、可以减少设备成本，减小o a m 的成本、复杂度 以及配件的数量，每比特的成本比其他方案更加经济；( 3 ) 、4 0 g b p s 系统能使业务得 到高效、有保护的承载，具有智能调度性，集成度远高于4 x 1 0 g 系统，管理更加方 便。 单信道4 0 g b p s 可以通过三个方式来实现：( 1 ) 、将传输速率提高到1 0 g 的四倍。 ( 2 ) 、将传输速率提高到1 0 g 的两倍，并将单位脉冲所携带的信息量提高到原来的两 倍。( 3 ) 、保持1 0 g 同样的传输速率，但将单位脉冲携带的信息量提高到原来的四倍。 第一种情况，单纯的从提高码速率上实现4 0 g b p s 信号的传输。但是，4 0 g b p s 光纤传输系统中包含了太多的传输损伤：噪声积累，主要是光放大器的放大自发辐射 噪声( a s e ) ；色散，包括群速度色散( g v d ) 和偏振模色散( p m d ) ；非线性效应， 包括自相位调制( s p m ) ，交叉相位调制( ，m ) ，四波混频( f w m ) 受激拉曼散射 ( s r s ) ，受激布里渊散射( s b s ) ；串扰等。这些损耗衰减随着码速率的提高的程度 变得越发的严重。从目前的研究来看，单纯的靠提高码速率来达到4 0 g b p s 来实现长 距离的4 0 g 传输几乎是不可能的。 第二种情况，传输速率提高到1 0 g 时的两倍，虽然在传输过程中损耗增加了， 但是相对第一种情况来说，其线路衰减要小很多。并且由于单位脉冲所携带的信息量 是1 0 g 时的两倍，在色散容忍度上较第一种情况要好许多。通过众多的实验研究发 现，这种方式获得的4 0 g b p s 信号，不仅拥有很好的传输距离，还拥有很好的线路衰 减的容忍度f 1 3 阁。 第三种情况，可以看成是在1 0 g 的基础上进行的信息量的单纯倍增【1 6 1 。在传输 性能上跟1 0 g 几乎相似。但是，由于要将信息倍增到1 0 g 的四倍，所需的调制和解 调都比倍增两倍或者不倍增要复杂许多。尤其是倍增后如何保证信息的清晰可辨，以 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 及误码率的保障都将是很大的问题。所以，这种方式从理论上来说是非常理想的，但 是，在实际的应用过程中有太多的问题需要解决。 根据上面的分析，得出本课题的设计思想：利用改变信道编码，使单位载波承载 信息量达到1 0 g 承载的两倍，并利用两倍于1 0 g 码速率传输的方式实现4 0 g b p s 的信 号传输。这样做既可以一定程度上解决传输速率对信号衰减的影响，又可以避免设计 难度大，制作成本高的问题。 2 24 0 g b p s 长距离光收发合一模块实现功能图 按照4 0 g3 0 0p i nm s a 标准的规定【1 8 】，4 0 g b p st r a n s p o n d e r 光收发模块应该包括 光收发，串并行转换和告警监控三大功能。其功能图如图2 1 所示。 图2 14 0 g b p st r a n s p o n d e r 功能图 4 0 g b p st r a n s p o n d e r 模块最关键的部分是光发射部分和光接收部分，这是组成 t r a a s p o n d e r 的基础。 其中，光发射部分是由调制方式决定器件的类型。在直调方式下，只需要驱动器 和直调激光器就可以了。由于电直流调制很难消除啁啾噪声，所以一般采用外调制器 直接使用光调制来实现。在长距离的解决方案中，直调显然不能满足对色散容限的要 求，这时候需要使用相位调制技术。一般使用外调制器进行相位调制【1 9 】。m z 外调制 器是进行相位调节的主要器件。原理上其啁啾参数可以为零，调制速度极高，几乎不 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 受光纤色散的限制，调制线宽窄，消光比高 2 0 1 。缺点是调制器与光的偏振态相关，因 此调制器与激光器之间的连接必须使用保偏光纤。因m z 长期工作过程中产生的热造 成的变化以及长期运行老化，都易使m z 得最佳工作点产生变化，因此，必须要给 m z 增加另外的偏压控制电路才能稳定工作【2 。在超高速传输系统中，m z 外调制器 是克服光纤色散影响的主要手段，在4 0 g b p s 长距离传输系统中，这种调制方式是最 主要的一种。 光探测器是接收机的核心，在数字光纤通信系统中通常采用p i n 光电二极管或者 a p d 雪崩二极管来实现。p i n 光电二极管结构和制作工艺简单，工作偏压低，对温度 不敏感，并且由对电源要求低，不需要任何控制，使用起来非常方便，适合甚短距离 和短距离的应用。a p d 雪崩二极管因内部有很高的倍增因子，外界温度对其工作特 性会造成很大的影响，同时需要很高的工作偏压，因而对外围电路要求很高，需要外 围电路能精确控制a p d 使其能稳定工作。a p d 的接收灵敏对比p i n 要高出1 0 d b ， 非常适合用于长距离和超长距离系统。但是目前4 0 ga p d 技术尚不成熟，4 0 g 接收 的方案目前主要是用p i n + t i a 的方式来解决。 串并行转换器是模块电信号转换的关键器件，它的作用是将从系统中来的低速 电信号复用成4 0 g 高速电信号，以及将接收到的4 0 g 高速电信号解复用成低速电信 号，它的性能将决定4 0 g 信号质量的好坏。其中串并行转换有时钟数据恢复功能， 并串行转换器有时钟倍频功能，有些并串行转换器还带有抖动清零功能。 2 3 各功能解决方案选型分析 2 3 1 光发射部分 发射部分重点需要研究的是激光器( l d ) 的调制速率响应与超高速光发射机的 关系问题，以及限制高速响应的各种因素。当调制速率到达每秒千兆比特的情况下， l d 的辐射波长，因频率啁啾( c h i r p ) 效应，在调制脉冲的上升沿时向短波长漂移， 而在调制脉冲下降沿时则向长波长漂移。这种效应使得激光器的谱线和单模光纤相互 作用，并在超高速数字光通信的接收端引起模分配噪声，它是影响光接收机灵敏度的 主要噪声源。同时，由于这种噪声不是由接收端的光接收机产生的噪声，因此在光接 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 收端无法减小这种影响。为了克服这种啁瞅噪声对4 0 g 光通信系统的影响，必须在 光发射机中采取有效的措施。 传统的电流直接调制技术很难消除啁啾噪声，因此，4 0 g 光通信系统在光调制方 式上需要采用外调制技术。在外调制的情况下，激光器产生稳定的大功率激光输出， 外调制以低啁啾对它进行调制，这样获得的传输距离要远大于通过直接调制所得到的 传输距离。目前，研究较多同时也比较成熟的产品有两种：一种是电吸收型( e a ) 外调制器；另一种是波导型铌酸锂( l i n b 0 3 ) 材料m z 调制器。一般短途应用e a 调 制器，中长途就要用到m z 调制器。由于外调制器对输入电信号的幅度有一定的要求， 所以在4 0 ( 3 电信号输入到调制器进行调制以前还需要对4 0 g 电信号的输出摆幅进行 驱动放大。调制器的信号驱动器需要根据调制器需求( 如偏置电压的高低，输出摆幅 等等) 来进行选择。一般就输入信号的幅度而言，m z 要比e a 的大，同时它要求的 半波电压也要比后者高。 根据上面的分析可以得出，光发射部分需要的器件有：( 1 ) 用于输出恒定光功率 的激光器。( 2 ) 用于驱动4 0 g 电信号的驱动器。( 3 ) 用于对电信号进行调制的m z 调 制器。 其中，m z 调制器作为发射部分码型产生器在光发射部分尤为重要，将在下一章 对它进行重点讨论。 2 3 2 光接收部分 光接收机又被称为光探测器，是光接收部分的核心。其主要的功能是将光信号转 变成电信号。通常由于长距离传输后光信号都非常的微弱，所以，一般用于光纤通信 系统中的光接收机都有一定的特殊要求： ( 一) 、工作波长范围内有足够高的响应度，即对工作波长范围内入射的光信号， 光电检测器能输出较大的光电流。 ( 二) 、光电转换的过程中引入的附加噪声尽可能小。 ( 三) 、响应速度快，线性好，频带宽，信号失真尽量小。 ( 四) 、工作稳定可靠，有较好的温度稳定性和较长的工作寿命。 ( 五) 、体积小，使用简便。 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 用于光纤通信系统的光接收机常采用p i n 光电二极管或者a p d 雪崩二极管两种。 p i n 光电二极管是在p n 结的p 型材料和n 型材料之间，加一层轻掺杂的n 型 材料，一般称为本征半导体层( i 层) 得到的。由于i 层的轻掺杂使的p i n 的光电转 换效率较p n 结提高很多，能够满足光纤通信系统对接收机部分的要求。 a p d 雪崩二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应制成的。由于其 产生的光电流有倍增效应，a p d 可以获得比p i n 要高出几倍的光电流。a p d 作为光 探测器比p i n 更加优异。 但是，目前4 0 g 的a p d 制作难度相当大，近期内4 0 ga p d 商用的可能性非常 小。因此，需要采用p i n 来进行光信号的探测。又因为p i n 检测出的光信号过于微 弱，在p i n 后还需要增加一个放大器对光电流信号进行放大。通常比较主流的做法是 用p i n + t i a 的解决方案。 通过上面的分析可以得出，光接收部分需要的器件有：( 1 ) 用于光电流检测的 p i n 。( 2 ) 用于光电流放大的t i a 。 2 3 3 串并转换部分 4 0 g 的电信号一般不会由信号源直接生成，它通常是将多路低速信号通过复用技 术合成得到的。同理，4 0 g 的电信号也不能直接用于网络业务，网络业务需要的电信 号通常都是小于4 0 g 的低速信号。又因为4 0 g 在p c b 上传输性能要受p c b 本身的 局限，大量的辐射、衰减使得4 0 g 信号在p c b 中损耗非常大，因此，不能直接在p c b 中进行4 0 g 信号的传输。由于上面的两个原因，在模块中需要用到信号的串并转换。 模块中的串并转换部分主要完成的工作是，将低速的电信号复用成4 0 g 电信号和将 接收到的4 0 g 光电流解复用成低速电信号。也可以将串并转换部分称为复用解复用 部分。 在复用解复用部分需要的器件有：( 1 ) 复用芯片。( 2 ) 解复用芯片。 2 4 详细的功能规划 根据功能图和上面的功能选型分析，结合所要应用的领域，客户的需求，以及成 本和开发难易度等问题，最终将解决方案定为： 武汉邮电科学研究院硕士论文 ( 一) 、发射部分，使用d f bc w 激光器，该激光器自带t e c ，能够恒定温度， 使输出波长稳定；采用能输出较高电压的驱动器；采用l i n b 0 3 材料的m z 调制器， 该调制器自带p d 。 ( 二) 、光探测部分，使用带t i a 功能的p i n 探测器。 ( 三) 、串并转换部分，采用带时钟恢复功能的复用器解复用器，附加p r w s 发 生，检测功能，时钟倍频功能。 4 0 gl ht r a n s p o n d e r 整体原理框图如图2 2 所示。 图2 24 0 gl ht r a n s p o n d e r 整体原理框图 发射部分，6 2 2 m 或2 5 g 的参考时钟经过抖动清零，进入倍频单元得到4 0 g 时 钟，1 6 路从3 0 0 p i n 电接e l 并行输入的2 5 g 差分电信号复用成4 0 g b p s 的电信号。该 电信号输入到驱动放大器将4 0 g b p s 电信号幅度放大到合适的范围后，加到m z 外调 制器，利用电信号的强弱改变通过m z 的光载波的相位，从而实现电光转换。 接收部分，4 0 g b p s 光信号经过p i n 转换成电信号，实现光电转换。电信号通过 p i n 探测器内部的跨阻放大器和后置放大器放大后，进入解复用器进行时钟数据恢复 ( c d r ) 实现再定时，同时经过串并转换后，解复用成1 6 路并行2 5 g 差分电信号， 并从中得到一个2 5 g 的差分时钟信号输出。 在激光器监控电路中，通过单片机、t e c 驱动器和激光器内置的t e c 构成的自 动温度控制( a t c ) 电路和通过单片机、数字电位器、激光器偏置控制器构成的自动 光功率控制( a p c ) 电路。 1 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 第3 章4 0 g 长距离光收发合一模块整体实现方案框架 t r a n s p o n d e r 完成的工作就是将电信号转换成光信号，将光信号转换成电信号。 其灯电转换是t r a n s p o n d e r 的核心。在t r a n s p o n d e r 中担任电光转换的m z 调制器是 近些年来研究的热点，它不光啁啾小，同时还有调制速度快，转换效率高等优点。研 究m z 调制器，掌握它的工作特性和性能，是4 0 gl ht r a n s p o n d e r 实现的前提。本章 重点介绍了m z 调制器及其调制原理。为后面用m z 进行编码调制奠定基础。 3 1 光调制器基础 光调制器按照其调制机理可大致分为直接调制和外调制两类。所谓直接调制，就 是将激光二极管注入电流( 电信号) ，以进行光强度调制。所谓外调制，就是激光器 产生的光不直接用于电信号的表示，而是将其作为一个载波输入到外加的一个调制器 中，电信号通过加载到外加的调制器后，对光载波的强度或者相位进行调制。 直接调制器是最简单的一种调制方式，它有体积小、易整合的优点，在2 5 g 以 下t r a n s p o n d e r 中被广泛使用。不过，缺点是直接调制中随着电流的注入，光信号的 上升沿和下降沿处半导体的折射率变化较大，易造成激光二极管的辐射波长在调制脉 冲的上升沿向短波长漂移，在调制脉冲下降沿向长波长漂移的啁啾现象。因为啁啾会 引起信号的恶化，并且影响传输距离和传输速率，所以直接调制不适合用于长距离 t r a n s p o n d e r 之中。 外调制技术由于采用恒定光功率的激光器提供背光，几乎不会产生啁啾，特别适 合用于长距离高速光调制。外调制器一般通过电信号使半导体或电介质的吸收系数、 折射率发生变化，来实现电信号到光信号的强度或相位调制。常用的外调制器有两种： 基于电吸收的i n g a a s p 调制器和基于m z 原理的l i n b 0 3 调制器。e a 调制器易与激 光器集成在一起，形成体积小的单片集成组建，但它的啁啾比m z 调制器大，因此， 对于4 0 g 甚短距离一般采用e a 调制器，而对于其他距离的4 0 g b p st r a n s p o n d e r 通 常采用m z 调制器来实现。 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 3 2 电吸收调制器 电吸收( e a ) 调制器是一种损耗调制器，它利用费朗兹凯尔德修( f r a n z k e l d y s h ) 效应和量子约束的斯塔克( s t a r k ) 效应，使工作时候材料的吸收边界波长向长波长移 动。调制的基本原理是：改变调制器上的偏压，实现调制功能。当调制器无偏压的时 候，光束处于通状态，输出光功率最大；随着调制器上的偏压的增加，多量子阱( m q w ) 的吸收边界波长向长波增长，原光束波长吸收系数变大，调制器成为断状态，输出光 功率最小瞄】。e a 调制器产生的信号啁啾很小，因此可以在标准单模光纤上传播较长 的距离，并且信号失真较小。 虽然e a 调制器目前已在商用的w d m 系统中大量使用，但是当前研究高速光通 信系统的重点更加偏向于基于相位调制技术的光调制编码，显然e a 调制器是无法完 成这样的要求的，因此，在新型光调制编码中e a 调制器应用并不多。 3 3m z 调制器 m z 调制器可以使用半导体材料制作，也可以用电光材料( l i n b 0 3 ) 制作，通过 合理的设置m z 调制器的偏置电压可以使得产生的已调制光信号具有非常好的消啁 啾特性，适合高速率系统的超长距离传输 2 3 1 。 m z 制器在原理上其啁啾参数可以为零，也可以为负，因而调制速率极高，几乎 不受光纤色散的限制，调制线宽很窄，消光比高。在4 0 g b p s 以上超高速光传输时， m z 外调制器成为克服光纤色散影响的主要手段。在本课题的研究设计中，采用的即 是l i n b 0 3m z 调制器。 l i n b 0 3m z 外调制器又分为相位调制和强度调制两种。图3 1 是m z 调制器大致 的结构刚冽。相位调制和强度调制在结构上基本相似。 图3 1 中的行波电极用于加载电信号，通过电信号的变化来改变光波导的折射率， 从而实现光强度调制或光相位调制。其中的偏置电极用于加载偏压控制电压，从而补 偿调制器的相位漂移。光波导中传输的是从激光器输入进来的光载波。 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 图3 1m z 调制器结构图 3 3 1 基于相位调制的m z 调制器 出光纤 要想产生相位调制的光信号，需要能够驱动电压来改变光相位。在l i n b 0 3 晶体 中，如果电场e 加载晶体z 轴的方向，其折射率改变为： a n = i 1 刀3 ，厂3 3 e z ( 3 1 ) 其中，厂3 3 是沿z 方向，折射率为门，时的电光系数，e z 是沿着z 轴方向的电场 强度。当电压v 加在电光材料的上面时，其电场强度近似为v d ，d 为两个电极之间 的长度，如果波导与电极的交互长度为l ，则相移为： 驴= _ 2 z r 2 广m l = 万刀，3 7 一万v l 3 3d ( 3 2 ) l 九 九 其中九是真空中光信号的波长 若要使相移为l ，则所需电压为： y ，：善 ( 3 3 ) n ，厂3 产 因此叫2 彘y ，y z 即为半波电压，v 为外加电压。 m z 型l i n b 0 3 调制器按电极结构可分为集总参数和分布参数两类。理论和实验 研究表明集总参数结构调制器的带宽不超过2 g h z 。为了得到更高的调制速度，人们提 出了分布参数电极结构，即行波电极结构，如图3 1 所示。 在设计相位调制器时，一个主