覃 勐，吳錦虹，段春艷

（1.中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410000）

基于光頻梳CO-OFDM的太比特傳輸實(shí)驗(yàn)研究

覃 勐1，吳錦虹1，段春艷2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410000）

首先簡單介紹了光O FD M技術(shù)的原理和特點(diǎn)，在分析了一種經(jīng)典的光O FD M傳輸方法后，提出一種基于光頻梳的CO-O FD M傳輸方法。在此基礎(chǔ)上，對該方法和背靠背傳輸兩種方式進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，同時(shí)給出了兩者的性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法在傳輸1000km后能夠保證較好的性能和穩(wěn)定性，傳輸效率達(dá)到1Tb/s。

光纖通信；光頻梳；光正交頻分復(fù)用

0 引言

近年來，光通信技術(shù)的容量和傳輸速率不斷提高，同時(shí)，商業(yè)需求也要求在成本、保密和抗干擾等性能上提高，由此產(chǎn)生了多樣的傳輸方案[1,2]。隨著人們對數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的需求增大，單信道速率逐漸由Gbit量級向Tbit量級發(fā)展并逐步完善起來。傳統(tǒng)光通信技術(shù)大致有OTDM、WDM和OFDM等，其中OTDM技術(shù)由于器件的限制應(yīng)用范圍不廣泛；WDM系統(tǒng)較為成熟，主要應(yīng)用在大容量的數(shù)據(jù)傳輸中，但是這種技術(shù)的頻譜利用率不高，計(jì)算復(fù)雜；而OFDM技術(shù)卻可以極大提高頻譜利用率，不必像WDM技術(shù)一樣需要多個(gè)不同中心波長的激光器[3～5]，它只需利用一個(gè)激光器作為單獨(dú)光源，并利用OFDM技術(shù)調(diào)制出多個(gè)“調(diào)制光源”[6]，所以更適合應(yīng)用到光通信中。由于相干光OFDM（CO-OFDM）技術(shù)繼承了光相干技術(shù)和OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其在頻譜利用率和性能上更好，并且在抗干擾和接收靈敏度上更具有優(yōu)勢[7～9]，所以，對于CO-OFDM技術(shù)的研究具有重要的商業(yè)價(jià)值和意義。

1 基于光頻梳的CO-OFDM系統(tǒng)

1.1 OBM-OFDM技術(shù)概述

近年來，光OFDM技術(shù)在光纖通信領(lǐng)域不斷發(fā)展，產(chǎn)生了許多經(jīng)典的方案技術(shù)[7]。例如W.Shieh等人提出了一種OBM-OFDM系統(tǒng)[1]，該方案的原理如圖1所示。W.Shieh等人首先把一個(gè)光源調(diào)制產(chǎn)生多個(gè)信道的光載波，由于利用OFDM調(diào)制，所以這些信道上的載波是相干的，同時(shí)保證每個(gè)信道的頻帶彼此是相互正交的。也就是說，使各個(gè)信道頻帶間隔是被調(diào)制的信號(hào)子載波間隔的整數(shù)倍。雖然技術(shù)上可以改進(jìn)系統(tǒng)的傳輸容量和速率等指標(biāo)，但是在高速傳輸中電子器件的性能是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素。而W. Shieh等人提出的這種系統(tǒng)卻可以把高速的數(shù)據(jù)通過OFDM技術(shù)拆分在多個(gè)低速的信道上傳輸[1]，具有更好的優(yōu)勢，所以可以借鑒這種設(shè)計(jì)來優(yōu)化系統(tǒng)。

圖1 OBM-OFDM原理圖

圖2 為W.Shieh等人提出的系統(tǒng)框圖，其中圖2 (a)為發(fā)射端，圖2(b)為接收端。在發(fā)射端，系統(tǒng)進(jìn)行上變頻技術(shù)處理，將OFDM信號(hào)調(diào)制到對應(yīng)的載波頻譜上，然后經(jīng)電光轉(zhuǎn)換處理后傳輸。而在接收端，系統(tǒng)通過相干探測的方式濾出相應(yīng)的信號(hào)，其中可以利用抗混疊濾波器處理，并由此得到對應(yīng)的本振信號(hào)RF信號(hào)。但是，該方案的缺點(diǎn)也很明顯：①系統(tǒng)接收端需要不斷調(diào)整本振光的中心波長，發(fā)射端和接收端都需要多個(gè)不同頻率的RF本振信號(hào)進(jìn)行混頻，并且對本振信號(hào)源的選擇有嚴(yán)格的要求；②系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量偏大。

圖2 W.Shieh等人的OBM-OFDM系統(tǒng)框圖

1.2 基于光頻梳的CO-OFDM系統(tǒng)方案

本文提出一種基于光頻梳的多頻帶CO-OFDM方案，它借鑒了W.Shieh等人的技術(shù)思想，利用光頻梳方案調(diào)制信號(hào)，提高了頻譜利用率，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。該方案的核心在于采用光頻梳減少使用本振信號(hào)RF，從而減少激光器。由于利用了一個(gè)激光器產(chǎn)生光頻梳且每根光頻梳是一個(gè)光載波，所以其光譜可以看作是彼此間相干的。根據(jù)上面的分析，這可以被視作產(chǎn)生了無縫的寬帶光OFDM信號(hào)。該方案與W.Shieh等人的方案區(qū)別在于后者是在電域?qū)崿F(xiàn)，而前者是通過在光域進(jìn)行頻分復(fù)用調(diào)制的。圖3為基于光頻梳的COOFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 基于光頻梳的CO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該方案的基本原理如下：

①在發(fā)射端，我們先利用激光器和光頻梳生成器生成光頻梳，并且保證它們之間是等間隔的。然后，OFDM基帶信號(hào)經(jīng)解復(fù)用后與前面產(chǎn)生的等間隔光頻梳進(jìn)行光域的I/Q調(diào)制。這里需要保證這些光頻梳的功率穩(wěn)定，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。這可采用可調(diào)諧光衰減器進(jìn)行處理，然后將這些信號(hào)復(fù)用合成為一路光OFDM信號(hào)。從上面的分析可以看出這個(gè)信號(hào)是寬帶的，最后在單模光纖傳輸該信號(hào)。

②在接收端，光頻梳生成器將過來的本振激光器輸入信號(hào)進(jìn)行處理，目的在于產(chǎn)生與發(fā)射端頻率特性一致的光頻梳。然后，對傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用和調(diào)制，以便產(chǎn)生多個(gè)不同頻率光頻梳上的OFDM信號(hào)；在90°光混頻器中對該光OFDM信號(hào)和對應(yīng)本振光頻梳進(jìn)行混頻，處理后的信號(hào)通過平衡探測器得到電域的光OFDM信號(hào)；最后利用OFDM技術(shù)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)可以采用同步、信道估計(jì)等技術(shù)恢復(fù)出原始信號(hào)。

由于無論在發(fā)射端和接收端都采用了OFDM技術(shù)的處理，頻帶間彼此相干，因此其復(fù)用和解復(fù)用都是重疊甚至無縫的，所以在頻譜利用率上比傳統(tǒng)的WDM技術(shù)更高。在該系統(tǒng)中產(chǎn)生光頻梳非常重要，文獻(xiàn)[3]利用連續(xù)波激光器（CW）實(shí)現(xiàn)大約可以產(chǎn)生30根以上光頻梳[3]，然后利用雙臂MZM對CW進(jìn)行調(diào)制處理，其處理過程如圖4所示。該方案通過改變正弦信號(hào)的強(qiáng)度，在經(jīng)過MZM后就可以產(chǎn)生不同個(gè)數(shù)的光頻梳，并且彼此相干。圖5為產(chǎn)生的光頻梳仿真圖，圖中大約產(chǎn)生了間距為10GHz的40個(gè)光頻梳，功率波動(dòng)在3dB左右，這種方式節(jié)約了激光器并且保證了頻帶間相互正交。

圖4 基于雙臂MZM的光頻梳生成器示意圖

圖5 光梳頻譜圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)

該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，仿真中忽略了光纖非線性效應(yīng)的影響。為了便于實(shí)驗(yàn)，我們采用上面的MZM方式產(chǎn)生32根間距為10GHz的光頻梳，這里激光器線寬為10kHz。OFDM信號(hào)經(jīng)16-QAM調(diào)制后與經(jīng)解復(fù)用的光頻梳進(jìn)行復(fù)用調(diào)制，F(xiàn)FT為256，循環(huán)前綴（CP）為32，經(jīng)單模光纖傳輸1000km，DAC采樣速率為10GS/s，ADC采樣速率20GS/s。將處理后的32路光頻梳上的OFDM信號(hào)進(jìn)行傳輸，帶寬約為320GHz，子載波為32×256個(gè)，考慮存在CP后傳輸速率為1138Gb/s左右；接收端進(jìn)行相干檢測，其中每個(gè)光頻梳帶寬為10GHz，傳輸速率40Gb/s，最后用數(shù)字相干解調(diào)和電光轉(zhuǎn)換恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。如圖6所示為32根光頻梳合成后的一路寬帶OFDM信號(hào)頻譜的示意圖。

圖6 合成后的OFDM信號(hào)頻譜示意圖

圖6 中的寬帶OFDM信號(hào)占320GHz，各個(gè)光頻梳上的OFDM信號(hào)彼此正交，并且這里保證了頻帶間隔等于子載波間隔，即實(shí)現(xiàn)無縫的傳輸。在接收端進(jìn)行相干檢測、數(shù)字解調(diào)等，最后利用信道估計(jì)、相位同步和噪聲補(bǔ)償?shù)确绞交謴?fù)出原始數(shù)據(jù)。

圖7 太比特信號(hào)的傳輸性能圖

圖7 為太比特信號(hào)在背靠背情形下與經(jīng)1000km傳輸后的性能對比情況。在背靠背情形下，當(dāng)誤碼率為1×10-3時(shí)，光信噪比（OSNR）約為29dB；此時(shí)經(jīng)過1000km單模光纖傳輸后，在同樣誤碼率條件下，此時(shí)的OSNR約為31dB，與前者相比損傷在2dB內(nèi)。

圖8給出了經(jīng)1000km傳輸后，當(dāng)OSNR為31dB時(shí)，第16個(gè)信道解調(diào)恢復(fù)后的星座圖。可以看出，經(jīng)過解調(diào)處理、相位同步和噪聲補(bǔ)償?shù)仁侄魏?，該信道的星座圖是收斂的，此時(shí)的誤碼率約為7.5×10-5。但是經(jīng)長距離光纖傳輸后，每個(gè)信道還需要進(jìn)行FFT的偏移估計(jì)、相位同步估計(jì)和均衡等處理，這是因?yàn)椴煌男诺揽赡艽嬖谥行念l率不一致的情況，而且光纖傳輸本身也會(huì)有色散和走離現(xiàn)象等存在，所以在接收端還需要進(jìn)行處理。圖9給出了當(dāng)OSNR為31dB時(shí)，在背靠背情形下和經(jīng)1000km傳輸后的32個(gè)頻帶傳輸性能。

圖8 第16個(gè)信道上接收信號(hào)的星座圖

圖9 不同子頻帶的傳輸性能

從圖9可以看出：當(dāng)背靠背傳輸時(shí)，各個(gè)子頻帶間的性能總體穩(wěn)定，每個(gè)信道傳輸?shù)那闆r總體一致；而經(jīng)1000km的單模光纖傳輸后，本文的方案雖然個(gè)別頻帶的性能稍微低于背靠背情形，個(gè)別頻帶性能波動(dòng)有所偏離，但是從長距離傳輸?shù)男詢r(jià)比上看可以忽略，并且在接收端還可以利用其它技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。因此，基于光頻梳的CO-OFDM系統(tǒng)在經(jīng)過1000km傳輸后的性能與背靠背傳輸接近。在長距離、大容量的傳輸中可以忽略這些誤差，也能夠通過其它方式減少這種誤差，從而提高系統(tǒng)的性能。因此，在忽略光纖傳輸過程中的損耗、誤差等因素時(shí)，可以認(rèn)為本方案具有較好的性能。

3 結(jié)束語

在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用了光頻梳的CO-OFDM方式進(jìn)行了太比特傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，本方案結(jié)合了光OFDM和相干探測的特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，本方案適用于太比特信號(hào)在1000km光纖中傳輸，總體上保持較好的性能，并且本方案對電子芯片處理速率要求不高，可以采用商業(yè)器件來實(shí)現(xiàn)。但是，本方案存在進(jìn)一步優(yōu)化開銷、計(jì)算復(fù)雜度等問題，相信隨著算法和技術(shù)的改進(jìn)，這種方法能夠進(jìn)一步優(yōu)化。

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Study of Terabit transmission experiment based on CO-OFDM with the optical fiber combs

QIN Meng1,WU Jin-hong1,DUAN Chun-yan2
(1.No.34 Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004,China; 2.Hunan Communication Polytechnic,Changsha 410000,China)

The paper introduced the principle and characteristics of optical OFDM technology briefly,and a CO-OFDM transmission method based on optical frequency comb is proposed after the analysis of a classical optical OFDM transmission method.On the basis,the paper carried out the simulation experiment to the transmission method and back-to-back,and gave the analysis of the performance of the two.Experimental results show that the proposed method can achieve better performance and stability after the transmission of 1000km, and the transmission efficiency is 1Tb/s.

optical fiber communication,optical fiber combs,optical OFDM

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0052-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.016

2015-11-17。

國家青年基金資助。

覃勐（1988-），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事太比特技術(shù)研究。