амплитудна

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • резултатът
  • Принципът на нашия IQ предавател
  • експеримент
  • дискусия
  • методи
  • Нашият предавател
  • Цифрова обработка на сигнала
  • Настройка на трансмисионната връзка
  • Повече информация
  • Допълнителна информация
  • PDF файлове
  • Допълнителна информация
  • Коментари

елементи

  • Оптична оптика и оптична комуникация
  • Оптоелектронни устройства и компоненти

абстрактно

Способността да се генерират високоскоростни телекомуникационни сигнали без ключ, използвайки директна модулация на полупроводниковия ток на лазерното задвижване, беше едно от най-невероятните обещаващи приложения на нововъзникващата област на лазерните технологии през 60-те години. Три десетилетия напредък доведоха до комерсиализацията на 2,5 Gbit -1 канални подводни оптични системи, което доведе до растежа на Интернет като глобален феномен. Вредното честотно чуруликане, свързано с директната модулация, принуди индустрията да използва външни електро-оптични модулатори, за да достави следващото поколение безключови системи 10 Gbit с -1, а за днешните (>) 100 Gbit с -1 е абсолютно забранено. кохерентни системи, които използват сложни модулационни формати (например квадратурна амплитудна модулация). Тук използваме блокиране на оптично инжектиране на директно модулирани полупроводникови лазери, за да генерираме сложни модулационни сигнали във формат, който показва ясни предимства пред настоящите и други изследвани в момента решения.

Заслужава да се отбележи, че са съобщени и други конфигурации на IQ модулатор, например с помощта на четири амплитудни модулатора 8 и по-сложни конфигурации, базирани на по-голям брой фазови модулатори, които намаляват изискванията за сигнала 9 на RF устройството или подобряват линейната реакция на модулатор 10. .

резултатът

Принципът на нашия IQ предавател

Схема на нашия метод 11, 12, 13, която показва как да се съберат QAM сигнали от директно амплитудно модулирани (DM) лазери, е очертана на Фигура 1а за два конкретни примера на сигнали (QPSK и 16QAM), въпреки че подчертаваме, че този подход могат лесно да бъдат адаптирани да работят за всяка IQ модулация. Първо ще започнем с амплитудна модулация (две нива за QPSK и четири нива за 16QAM; фиг. 1а). Чрез комбиниране на два такива сигнала с относително фазово изместване от 90 °, получаваме съзвездията QPSK и 16QAM, макар и да не са центрирани на нула (поради остатъчния носител). Премахваме носителя чрез разрушителна намеса с немодулирания компонент на носителя (фиг. La) и накрая получаваме идеални QPSK и 16QAM сигнали.

( а ) Принципът на работа на нашия предавател е показан с помощта на констелационни диаграми (в комплексната равнина) за генериране на QPSK и 16-ниво QAM (16QAM) сигнали. Той използва амплитудната модулация като основен градивен елемент. Двата амплитудно модулирани сигнала се комбинират (етап 1), за да образуват сигнал със съзвездие, подобно на желаното съзвездие. Чрез премахване на компонента на носителя на сигнала чрез намеса в основния сигнал (2-ри етап) се получава желаният сигнал от модулационния формат. Този метод позволява всяко ниво на носещ сигнал да присъства на изхода, което е трудно да се постигне с традиционния IQ модулатор, без да се изкривява сигнала. б ) Скица, обясняваща разликата между свободно работещ директно работещ полупроводников лазер и директна модулация на OIL. Поради голямото чуруликане, свързано с директно модулиран лазер, съзвездието се състои от четири пръстена, а не от четири точки, което го прави неподходяща IQ модулация. Въпреки това, OIL кара четирите кръга да се "сринат" в четири различни точки в равнината на IQ.

Изображение в пълен размер

Има две основни пречки, които трябва да бъдат преодолени, за да се приложи DM лазер "IQ предавател", базиран на принципа, показан на Фигура 1а. Първо, директно модулираният полупроводников лазер произвежда високочестотен чирик 14, който може да бъде показан в диаграмата на съзвездието като кръгове, а не точки (Фигура 1b). Втората пречка за прилагането на тази концепция е, че два независими лазера, носещи независими потоци от данни, трябва да бъдат последователно комбинирани (с фазово изместване от 90 ° в нашия случай, фиг. 1а) и следователно трябва да бъдат взаимно кохерентни.

Решихме и двата проблема с помощта на ефект, известен като OIL 15, 16. В OIL сигнал от "основния" лазер (в нашия случай CW лазер) (в нашия случай директно модулиран лазер; фиг. 1а) се инжектира в кухината на "подчинения" лазер. При определени условия подчинената фаза се блокира в главния, дори ако е директно модулирана. Широчината на честотната лента (т.е. разликата в честотата на свободно работещите лазери), при която възниква това запушване, се нарича честотна лента OIL 17. След като директно модулираният роб е заключен на главния CW, неговото чуруликане се потиска (фиг. 1b) 18, 19 и неговата честотна лента на модулация може да бъде значително увеличена (напр. До 80 GHz 100 GHz резонансни честоти и 80 GHz естествени честоти) Express. 16, 6609 - 6618 (2008). "href =/articles/ncomms6911 # ref20 aria-label =" Reference 20 "track track = щракване върху data track = link> 20). Същият мастер за два подчинени лазера позволява кохерентност между трите устройства и по този начин стабилна кохерентна суперпозиция ( Тази взаимна съгласуваност е от решаващо значение за нашия предавател - тя ни позволява да комбинираме тези два директно модулирани подчинени устройства с 90 ° смяна, както и да осигурим потискане на носителя чрез разрушителни смущения с основния компонент на сигнала.

експеримент

Изграждането на принципно доказателство за нашия предавател е показано на Фигура 2 (описано в раздела Методи). Първо разгледахме настройката на дължината на вълната. Фигура 3а показва излъчените спектри на свободно работещ роб за три различни температурни настройки, които показват, че той може да излъчва светлина в почти цялата С-лента. В OIL лазерът се превръща в единствения режим, както е показано на фигура 3b за трите различни дължини на вълната и трите настройки на температурата на подчинени устройства, показани на фигура 3а. Чрез груба настройка на подчинената температура е възможно да се постигне OIL по цялата С лента (1,530 - 1,560 nm). Фигура 3в показва съзвездията, получени за двоична фазова манипулация за различни битови скорости и дължини на вълните, които показват мощност, независима от почти дължината на вълната - всички бяха постигнати само с един подчинен лазер.

( а ) Експериментална настройка на нашата система за излъчване, използвана в нашите експерименти, за да демонстрира фундаменталност. ( а ) Горна кутия: физическо изпълнение на нашия предавател; а ) долна кутия: конвенционален IQ предавател, базиран на LiNbO 3, използван за целите на сравнението. Трябва да се отбележи, че нашият предавател изисква два пъти по-малко RF сигнали за входни данни в сравнение със стандартна система, базирана на IQ модулатори. Поради доброто оптично представяне е необходим само стандартен DSP от страна на приемника, въпреки че директно модулираните лазери, използвани в нашия пример, са само прости полупроводникови лазери тип Фабри-Перо и изобщо не са оптимизирани за това приложение. ( б ) Настройте нашия експеримент за прехвърляне.

Изображение в пълен размер

а ) Свободно работещи подчинени спектри за три температурни настройки. б ) Спектрите на подчиненото инжектиране са блокирани на главното устройство, което е настроено на 1 530 nm (зелено), 1 543 nm (червено) и 1 561 nm (черно). ( ° С ) Очни диаграми за двоична модулация на фазово преместване (само един подчинен е включен и задвижван от двустепенен поток от данни), генерирани при 1 532, 1 466 и 1 560 nm при 14, 20 и 24 GBaud.

Изображение в пълен размер

Резултатите от други експерименти с използване на генератор на произволна форма на вълната (AWG) за генериране на радиочестотни данни са показани на ФИГ. 4а, b (QPSK с един носител и 16QAM) и ФИГ. 4c, d (ортогонално мултиплексиране с честотно разделяне (OFDM) с QPSK и 16QAM). Резултатите, получени с псевдослучайна битова последователност (PRBS), използвана за генериране на QPSK при скорости на предаване над нашите AWG (20 и 28 GBaud), са показани на Фигура 5. За директно сравнение представяме резултатите, получени с LiNbO с 22,5 GBaud. 3 IQ модулатор (фигури 3 и 4).

а ) Формат QPSK с един оператор. б ) 16-ниво QAM (16-QAM) формат с един носител. ( ° С ) OFDM сигнал с подносещи кодирани, използващи QPSK модулационен формат. ( д ) OFDM сигнал с подносещи кодирани с помощта на модулационни формати 16QAM. RF сигнал за данни, генериран от AWG. Спектрите на генерирания сигнал и съзвездието след предаване се показват като входни стойности.

Изображение в пълен размер

QPSK данни с един носител се генерират с помощта на PRBS RF генератор. Спектрите на генерирания сигнал и съзвездието след предаване се показват като входни стойности. Сини квадрати: 28 Gbaud; лилави кръгове: 20 Gbaud.

Изображение в пълен размер

Фигура 4а показва, че нашият предавател има глоба от приблизително 0,8 dB оптичен сигнал към шум (OSNR) при битова честота на грешки (BER) от 10-3 по отношение на нашия LiNb03 модулатор след разпространение на над 230 km оптично влакно. Фигура 4b показва, че нашият предавател надвишава LiNbO3 при висок BER (над 2 × 10-3), но по-лош за по-нисък BER, когато сигналът се разпространява над 230 km оптично влакно. В съзвездието (получено след фазата на динамично балансиране) виждаме леко изкривяване, което е следствие от (слабия) остатъчен звуков сигнал в нашия предавател.

Фигура 4в показва, че нашият предавател е в състояние да генерира произволни модулирани сигнали, използвайки OFDM. Както можем да видим от спектрите (вложка), нашият предавател показва линейно картографиране на електрическия сигнал към оптичен носител. Диаграмите на съзвездието (получени след 230 km разпространение на влакна и след подравняване) показват ясни клъстери от съзвездия и че нашият предавател е само малко по-лош от нашия LiNbO 3 IQ модулатор, засегнат при V π (0, 7 и 0,5 dB dBRRR за OFDM-QPSK ). и OFDM-16QAM, при BER 10-3). Тъй като OFDM, съдържащ оптичен носещ компонент, е полезен при демодулация, IQ модулаторите обикновено се влияят леко от Vn, за да получат носещ тон 21. Според практическото предположение за въздействие върху LiNbO 3 при 1,05 V π, нашият предавател (който позволява добавянето на носещ тон без изкривяване на формата на вълната) всъщност надвишава LiNbO 3 за OFDM-16QAM (вероятно поради по-добрата линейност на нашия предавател, което е 1 и 2), като е много близо до OFDM-QPSK (фиг. 4г).

По-нататък проучихме докъде можем да прокараме нашия предавател по отношение на скоростта на предаване. Оказа се, че това надвишава честотната лента на нашата AWG, затова използвахме (по-бърз) PRBS генератор с два допълнителни изхода, което обаче ни ограничи да работим само с QPSK. Установихме, че честотната лента на подчинената модулация е около 14 GHz, което ни позволява да достигнем до 28 GBaud - резултатите за 20 и 28 GBaud са показани на фиг.

дискусия

Въпреки че скоростите на предаване, демонстрирани в настоящите ни експерименти, са сравнително малки по принцип в сравнение с последните резултати, получени с външни модулатори на IQ, ние го направихме без никаква оптимизация на нашите компоненти на предавателя и използвахме само оригинални компоненти, предназначени за други приложения. Когато използваме оптимизирани подчинени лазери, очакваме значителни подобрения, особено ако те са интегрирани в един фотонен чип (като InP), както очакваме. Въпреки това, дори и с настоящия предавател, ние изисквахме 25 пъти по-малка мощност на RF задвижването, за което спомогна и фактът, че се нуждаем само от наполовина по-малко RF сигнали и постигнахме мощност, сравнително близка до най-добрия последен модулатор. Ние вярваме, че това прави нашия предавател идеален кандидат за метро мрежи и достъп, където основният проблем е консумацията на енергия.

методи

Нашият предавател

В експериментите QPSK и 16QAM с единичен носител от 10 GBaud, кривите на възбуждане са кодирани диференциално, използвайки алгоритъм за въртене на квадрант 24, базиран на PRBS (2 19-1). От страна на приемника първо компенсирахме недостатъците в оптичния преден край (стесняване, постоянен блок, корекция на дисбаланса на мощността и ортогонализация на IQ). След това взехме получените вълнови форми в две проби/символ и компенсирахме хроматичната дисперсия с помощта на статичен еквалайзер 25. След това използвахме стандартния алгоритъм с постоянен модул от 17 крана (CMA) 25 и многократния CMA 26 с 22 крана, за да коригираме компенсацията на остатъчните грешки за QPSK и 16QAM. Тъй като за опростяване на експеримента беше използвано откриване на хомодин, не се изискваше компенсация на честотното изместване. В последната фаза компенсирахме фазовия шум, използвайки алгоритъма за възстановяване на носителя 24. И накрая, сигналите бяха декодирани по различен начин преди изчислението на BER.

За експериментите QPSK с 20 GBaud и 28 GBaud, ние разделихме изхода на високоскоростния генератор на псевдослучайни модели (SHF 12100B) на два клона и въведохме закъснение в един клон за I и Q контрол (PRBS 2 15 -1). Обработката от страната на приемника е подобна на тази, използвана в експеримента от 10 GBaud, с изключение на това, че плъзгащ се филтър с 13 крана е използван за компенсиране на фазовия шум 27.

В експеримента за настройка на дължината на вълната (фиг. 3), детектирането на хомодин се извършва с помощта на комерсиални алгоритми Agilent DSP, вградени в кохерентен приемник (Agilent DSO-X 93204A + N4391A).

Настройка на трансмисионната връзка

230-километровата предавателна връзка съдържа три влакна: 75 км стандартно едномодово влакно (SSMF-28) в първия и третия диапазон и 80 км влакно с голяма ефективна площ във втория диапазон. Проведохме -1 dBm средна мощност, за да избегнем нелинейности. От страна на приемника, шумовото натоварване, генерирано от ASE, се използва за регулиране на OSNR. OSNR се изчислява от измерения сигнал и шум при разделителна способност 0.1 nm. За филтриране на шума извън обхвата е използван 0,8 nm оптичен лентов филтър. Светлинен компонент на CW (6 dBm) се изпомпва от основния лазер и се използва като локален осцилатор за приемане на единични поляризационни хомодини. Поляризацията на получения сигнал беше ръчно подравнена с поляризацията на локалния осцилатор в приемника. След кохерентно откриване, електрическият сигнал се взема проба с 32-GHz, 80-GS s-1 осцилоскоп в реално време преди обработка офлайн.

Повечето експерименти, извършени с нашия предавател, бяха повторени за сравнение, използвайки 22,5-GBaud IQ модулатор от Fujitsu (FTM7960EX). За да се осигури оптимална линейност, Vpp на управляващите RF сигнали е намалена до

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Liu, Z. et al. Синтез на квадратурна амплитудна модулация без модулатор. Нат. Общ. 5: 5911 doi: 10, 1038/ncomms6911 (2014).

Допълнителна информация

PDF файлове

Допълнителна информация

Допълнителни фигури 1-4

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.