强度调制与相干检测光通信系统架构和接收算法研究

摘要

随着互联网应用的飞速发展，固网用户的带宽需求和移动互联网用户的带宽需求都在急剧增长，这导致了城域网和接入网已难以满足用户带宽增长的需求。现阶段骨干网100G传输技术已经商用，400G甚至1T设备业已准备铺设。然而，城域网和接入网由于面向用户端，难以接受相干技术昂贵的成本和复杂的实现结构，主要采用直调直检光传输系统。直调直检光系统基于非常简单的结构进行短距离传输，不需要进行频偏补偿和相位噪声补偿。但由于其接收信号仅包含幅度信息难以进行色散补偿导致功率衰落使得可用带宽和传输距离均受限，难以进行偏振解复用导致无法引入偏振分集使得频谱利用率受限。
　　结合相干光系统和直调直检光系统的优势和劣势，本论文基于强度调制相干检测的系统架构，通过相干检测对信道的色散进行补偿，消除其带来的功率衰落，从而提升了系统的可用带宽和传输距离，并通过偏振复用方式进一步提高系统的频谱效率，在此基础上，本论文的创新点及贡献如下：
　　（1）针对直调直检信号的调制光载波占据过高能量导致系统的功率效率偏低的不足，提出了一种数字载波再生技术，基于这种数字载波再生技术和强度调制相干检测系统架构，实现了124Gb/s的偏振复用(Polarization Division Multiplexing, PDM)离散多音调制(Discrete Multitone, DMT)信号100km标准单模光纤传输实验，其中PMD-DMT光信号的光载波信号功率比(Carrier-To-Signal Power Ratio, CSPR)仅-8dB，可支持10KHz~10MHz线宽激光器信号恢复。DCR技术的优点是：在发送端将调制光载波的功率降低，而在接收端对接收信号进行滤波和载波再生，包络检测，从而无需进行频偏补偿和相位噪声补偿。
　　（2）针对波分复用无源光网络(Wavelength Division Multiplex Passive Optical Network, WDM-PON)架构中相干光网络单元(Optical Network Unit, ONU)的实现成本过高，提出了基于可调激光器复用的外差相干检测ONU架构，通过可调激光器同时作为上行信号的调制光载波以及下行信号相干检测的本振光源，将上下行信号划分在同一波段的不同频率，构成了外差检测。
　　（3）基于本论文提出的外差检测 ONU，依据外差检测输出电信号的数学模型，本论文通过一对平衡探测器恢复PMD信号，减少了相干接收机的平衡探测器数量，相应数模转换器(Digital-To-Analog Converter, DAC)数量减少一半，创新地得到一种简化相干接收机结构；针对不同ONU具有不同的功率预算，本论文提出一种灵活的速率分配策略，根据ONU的功率预算不同分配不同的下行调制信号；本论文提出一种多级恒模算法的信道均衡方法，可自适应地解调不同的下行调制信号；本论文基于该简化外差ONU和灵活的速率分配策略，实现了2.5GHz带宽的脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation, PAM)传输实验，可根据功率预算的不同动态的调整调制格式，其效果是，从PAM2调制到PAM4调制，新增7.5dB的动态调整范围。
　　（4）为了进一步简化相干 ONU，本论文提出一种基于直接调制激光器(Directly Modulated Laser, DML)复用的ONU结构，在基于这种结构的ONU中，通过一个DML实现上行信号的调制并将该调制过的光信号作为下行信号外差相干检测的本振光源；为了偏振无关地接收下行信号而无需使用偏振控制器，本论文提出一种“偏振扰动的发送和偏振无关的接收方法”，通过在发送端加入偏振扰动实现偏振分集，从而在接收端无需偏振对准即可实现信号的单偏振相干检测。进一步，本论文提出一种极简ONU的结构，仅采用一个DML、一个耦合器以及一个单端探测器(Photodiode, PD)实现了上行信号的调制和下行信号的外差相干检测，相比传统直接检测接收ONU仅多采用一个耦合器，但是其接收灵敏度提高了20.3dB，并基于该极简 ONU完成了1.25Gb/s信号的单纤双向传输，实现了上行传输功率预算47.1dB，下行传输功率预算40.6dB，成本和指标均具优势。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究意义

1.2 光纤通信的发展历程

1.3 光OFDM技术的研究现状

1.4 无源光网络的发展历史和现状

1.5 论文的主要工作和结构安排

2 基于载波再生技术的相干检测系统研究

2.1 光OFDM系统的关键技术

2.2 基于载波再生技术的IM/CO-OFDM系统结构

2.3 基于载波再生技术的IM/CO-OFDM系统性能研究

2.4 基于载波再生技术的系统实验研究

2.5 本章小结

3 基于多级恒模算法的简化相干检测技术研究

3.1 波分复用PON及相干PON系统

3.2 简化相干ONU关键技术研究

3.3 基于简化相干ONU的灵活WDM-PON系统研究和实验

3.4 本章小结

4 极简相干检测系统研究

4.1 基于直调DML复用的ONU研究

4.2 极简外差检测ONU结构研究

4.3 基于极简ONU的1.25-Gb/s/λ双向WDM-PON系统研究与实验

4.4 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间的研究成果

附录3 攻读博士学位期间参与项目

附录4 论文中英文缩写简表