100G系统中PM-QPSK光解调器的研究

　　相干接收PM-QPSK调制解调过程

　　PM-QPSK在偏振态、相位和波形多个维度进行调制，具有较大的自由度且每个维度复杂度较低，发射机工作过程如下：连续激光器发出的光信号等分后作为两个QPSK调制器的载波光源，数据经QPSK编码、驱动放大和低通滤波驱动后驱动QPSK调制器；两路经QPSK调制后输出的光信号在偏振态正交化后由偏振合束器汇聚为一路光波信号进入线路。可在连续激光器和分光器之间引入脉冲发生器，通过改变光脉冲形状进一步抑制和补偿光传输损伤。其过程如图2所示。

　　数字相干接收机将传输通道设计的复杂度转移到了接收机。数字相干接收机通过相位分集和偏振态分集将光信号的所有光学属性映射到电域，利用成熟的数字信号处理技术在电域实现偏振解复用和通道线性损伤（CD、PMD）补偿，简化传输通道光学色散补偿和偏振解复用设计，减少和消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖。

　　图2 PM-QPSK调制解调过程

　　数字相干接收机工作过程如下：本振激光器发出的光信号等分后作为两个90°混频器的相干光源；线路输入光信号经偏振分束器分为两路偏振态相互正交的光信号分别进入两个90°混频器与本振光信号产生干涉；混频器输出光信号经平衡接收光电二极管转换为模拟电信号，经高速模数转换器采样量化后转换为数字信号；数字信号在数字信号处理器中完成数据恢复[3]。

　　PM-QPSK光解调器

　　PM-QPSK光学解调器部分较为复杂，采用偏振分集内差检测，将光学属性映射到电域以解析光调制格式的信息。内差检测与零差检测结构相似，利用90°光混频器与本征混频同时提取信号的同相分量和正交分量，通过电信号处理消除相位噪声，从而实现信号调制相位的检测和解调，放宽了对本振激光器与发射机激光器的频率相位一致性要求，兼具零差检测和外差检测的优点。

　　在本文所介绍的100G传输系统中，接收机前端光学解调器结构示意图如图3所示。

　　图3 PM-QPSK光解调器结构示意图

　　其中本地振荡源的光信号和从光纤中接收到的信号光分别经过2个PBS结构，将两路光信号分别分为2个正交的极化模式，四路光信号可以表示为：

　　（2） 

　　其中Esx,Esy,ELO.x,ELO.y分别表示信号光和本地振荡源的TE、TM模式的光信号，α表示信号光TE模所占比例，δ表示初始相位，ws表示信号光角频率，As表示信号光的振幅。

　　信号光和本地振荡源的TE、TM模光信号，分别进入对应的90°混频器，所得到的检测信号分别为：

　　(3)  

　　再经过平衡光电探测器，最后所得到的差分电流可以表示为：

　　(4)

　　这样就将光学属性转移到电域中，通过对电信号的后期数字处理，就可以解调出所需的信息。

　　根据这种结构，可以用自由空间集成光学和平面光波导回路(PLC)这两种技术来实现这种光学解调器模块，但是传统的自由空间集成光学技术设计出的PM-QPSK光解调器，体积较大，而且对大范围温度变化敏感，而用PLC技术制作的PM-QPSK光解调器不仅可以实现全部的光学功能，而且能将保偏光波导(PBS)与90°混频器单片集成，大幅度降低了器件的尺寸，且稳定性好，易于集成。