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1、高级调制格式高级调制格式 Advanced Modulation FormatsAdvanced Modulation Formats余宇2013-3-27Outline 高级调制格式高级调制格式? 背景介绍? 调制二进制调制和高阶调制? 调制:二进制调制和高阶调制? 解调:直接探测和相干探测? 解调:直接探测和相干探测2背景介绍背景介绍2007年报道年报道RZ-DQPSK格式,格式,50GHz间隔,间隔,85.4Gb/s,偏振复用,偏振复用,160信道,总速率信道,总速率25.6Tb/s,光谱利用率,光谱利用率3.2b/s/Hz 2010年年3月份报道:月份报道:69Tb/s,240km,
2、432*171Gb/s,25GHz, 6.4 b/s/Hz , 16 QAM2011年报道:年报道: 7芯芯x160个个WDM波长波长x2偏振偏振x53.5Gbit/s,共计,共计112Tbit/s传输传输76.8km实验实验2012年年OFC PDP报道:报道:305Tb/s 10.1 km, using 19-SDM, 100-WDM PDM-QPSK光纤通信系统容量量化:比特率传输距离积:BL积 ? BL=比特率(bit/s)* 传输距离(km)如何增大B和L?Modulation & MultiplexingDWDMGain bandwidth of optical amplifier
3、s1660 nm16401620160015801560154015201500146014401480Fluoride EDFA 62 nmEDFA 52 nmEDFA 47 nmFluoride EDFA 62 nmTellurite EDFA 76 nmTDFA 37 nmTDFA 35 nmTDFA 35 nm Raman + Fluoride EDFA 80 nmDist. Raman + Fluoride EDFA 83 nmRaman + TDFA 53 nmRaman 18 nm Raman 40 nmRaman 100 nm1660 nm1640162016001580156
4、0154015201500146014401480Raman 100 nmRaman 132 nmC-BandL-BandS-BandU-BandE-Band0EExoutyout=? ? ? ?几个基本概念几个基本概念Outline 高级调制格式高级调制格式? 背景介绍? 调制二进制调制和高阶调制? 调制:二进制调制和高阶调制? 解调:直接探测和相干探测? 解调:直接探测和相干探测12光学调制ASKFSKPSKPolSKASKFSKPSKPolSKASK:Amplitude shift keying FSK: Frequency shift keying PSKPhhift kiPSK: P
5、hase shift keying PolSK: Polarization shift keying光学调制Direct modulation (DML) & External modulation电吸收调制器EAM相位调制器 Phase modulator (PM) 其他调制器:MZM、IQ调制器等Electro-absorption modulator:EAM费郎兹-凯尔德修效应 :Franz-Keldysh effect 量子约束斯塔克效应: Quantum-confined Stark effect A change in the absorption spectrum caused
6、by an applied electric field,A change in the absorption spectrum caused by an applied electric field, which changes the band-gap energy thus the photon energy of an absorption edge. 当调制器无偏压使,光束处于通状态,输出功率最大;随着调制器上偏压制偏使束状输率着制偏 的增加,MQW的吸收边界波长向长波长移动,原光束波长吸收系数变大, 调制器变为阻断状态,输出功率最小。?响应速度快?响应速度快 ?偏置电压低 ?易于和
7、光源集成:EML ?反向加载?反向加载 ?适用于40Gb/s以下的系统P224Phase modulatorPMPhase modulator:PM 当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化 时,称为线性电光效应,即普克尔(Pockels)线性光效即普克 效应。目前,普科尔效应是制作光调制器应 用最广泛的物理效应。 材料: LiNbO3、InP、Polymer、Si材料:bO3、 o ye 、S 在LiNbO3中,如果电场E加在沿晶体Z轴的方 向,则其折射率改变引起的相位变化关系为:3 331 2rznn r E = VV=333 332 2rzrnLVLn rd = 3 33rd dVn r
8、L =Commercially available LiNbO3 amplitude modulator has a V from 4 to 6 V.MZM构成LiNbO3型MZM是由两个LiNbO3相位调制器构成。3型是由两个3相位调制器构成输入光波在一个Y分支处被分为功率相等的两束,分别通过两路光波 导(相位调制器)传输。 两束光到达第二个Y分支处的相位差不同,通过控制相位差,发生相两束光到达第个 分支处的相位差不同通过控制相位差发相 消或者相涨干涉,对光信号进行调制。分为单臂驱动和双臂驱动。其中双臂驱动应用的最广泛。分为单臂驱动和双臂驱动其中双臂驱动应用的最广泛0( )cjt inEtE
9、 e=MZM工作原理上臂相移为 ( ) tV=下臂相移为11( ) tVV=下臂相移为22( ) tVV=设输入光电场为Ein,则经过MZM后输出信号为:( )Et+1212121212( )( )( )cosexp()222 ()()( )jjin outinEtEteeEtjVVVVEj+=+=+1212()()( )cosexp22inEtjVV=MZM工作原理()()VVVV+1Vpi maximum transmissionCMZM传输曲线传输曲线1212()()( )( )cosexp22outinVVVVEtE tjVV+=0.60.8transmissionquandratur
10、epointB212()( )( )cos 2outinVVPtP tV= 00.20.4optical tminimum A2V02468101214161820 voltage(v)transmissionAV2=0时为单驱动时为单驱动V1-V2Modulation formats幅度调制格式相位调制格式NRZ:Non-return-to-zero RZ: Return-to-zero CSRZ: Carrier suppressed RZB(D)PSK: Binary (Differential) phase shift keying NRZ-DPSK, RZ-DPSK, CSRZ-DP
11、SK CSRZ: Carrier-suppressed RZDQPSK: Differential Quadrature phase shift keying NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK, CSRZ-DQPSK利用MZM产生各种二进制调制格式1data upbias upVVV=+1212()()( )( )cosexp22outinVVVVEtE tjVV+=2data lowbias lowVVV=+( )( )p22outinjVV2data lowbias low上下两臂可分别加载数据调制电压和偏置电压,每一臂上的总电压等于这两者 之和之和。数据驱动电压:输入电信号提供。一
12、般把一路数据信号等分成两路,其中一路 反向分别作为上下两臂的驱动电压反向,分别作为上下两臂的驱动电压。 偏置电压:由直流电源分别给上下两臂提供偏置电压,一般也是一路分成两路, 其中一路反向,分别作为上下两臂的偏置电压。数据驱动电压和偏压NRZ格式产生111 110 0 000产生NRZ信号只需要用到一个MZM调制器NRZ是当前应用得最多的调制格式 应用简单、成本低,技术成熟, 光谱宽度较窄广泛应用于DWDM系统中光谱宽度较窄,广泛应用于DWDM系统中。数据反向加载数据正向加载数据反向加载数据正向加载RZ格式的产生:Pulse caving产生RZ信号需要用到两个MZM调制器。由第一个MZM产生
13、的光NRZ信号,在第二个MZM中被正弦电时钟信号调制,即得到光RZ信号。 可以理解为NRZ信号与正弦信号发生逻辑“与”运算,这一过程又形象地称为“斩波”。NRZ不同占空比的时钟信号相“与”即得到不同占空比的RZ信号NRZ不同占空比的时钟信号相“与”,即得到不同占空比的RZ信号。RZ应用也比较多 非线性容忍度高,有利于时钟恢复,光谱宽度较宽,时域波形窄,应用于OTDM系统中。不同占空比RZ格式的产生1 11 110 0 001 1 1 1 1 0 0 00时钟信号不同加载方式时钟信号不同加载方式NRZ-DPSK格式的产生基于PM最简单的NRZ DPSK产生方法 最简单的NRZ-DPSK产生方法。
14、 直接用NRZ电信号去驱动PM。电NRZ为0时,无相位改变, 电NRZ为1时,相位为。 啁啾大不适合长距离传输 啁啾大,不适合长距离传输。VV=00VVVV =NRZ-DPSK产生基于MZM 利用双驱MZM,产生NRZ-DPSK信号。 较复杂,无啁啾。传输特性好。实际传输中均用 此方法来产生。121212()()( )( )cosexp22outinbiasVVVVEtEtjVVVVVV+= =+ 12120bias VV += ()0( )( )cosexpbiasVVEtEtj+=i( )( )cosexp22outinEtEtjVV=(0)(0)0( )( )cosexp( )exp(
15、0)tiiVEtEtjEtj=0bV=0( )( )cosexp( )exp( 0)22(2)(0)2( )( )cosexp( )exp( 0)( )exp()22outininoutinininVEtEtjEtjVVVVVEtEtjEtjEtjVV = =0biasVNRZ-DPSK产生理想情况:方波上升、下降时间为理想情况:方波上升、下降时间为0实际情况:方波上升、下降时间有限实际情况:方波上升、下降时间有限RZ-DPSK格式的产生产生RZ-DPSK信号需要用到两个MZM调制器。由第一个MZM产生的光NRZ-DPSK信号,在第二个MZM中被正弦电时钟信号调制,即得到光RZ- DPSK信号。 可以理解为NRZ-DPSK信号与正弦信号发生逻辑“与”运算,这一过程又形象地称为“斩波”。NRZ-DPSK不同占空比的时钟信号相“与”,即得到不同占空比的RZ-DPSK信号。与RZ情况类似, 可以得到33%RZ-DPSK、50%RZ-DPSK、66%RZ-DPSK(CSRZ-DPSK)。二进制相位调制:差分编码二进制相位调制:差分编码差分编码规则 (差分编码规则 (BPSK-D(B)PSK)?先设一参考位。绝对码如果是“1”,相对码的这一比 特和前面相邻比特位相反绝对码如果是“0”相