amplitudinii

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • Principiul transmițătorului nostru de IQ
  • experiment
  • discuţie
  • metode
  • Transmițătorul nostru
  • Prelucrarea semnalului digital
  • Configurarea conexiunii de transmisie
  • Mai multe detalii
  • Informatii suplimentare
  • Fișiere PDF
  • Informatii suplimentare
  • Comentarii

obiecte

  • Fibre optice și comunicații optice
  • Dispozitive și componente optoelectronice

abstract

Abilitatea de a genera semnale de telecomunicații de mare viteză, fără cheie, utilizând modulația directă a curentului de acționare cu semiconductor laser a fost una dintre cele mai uimitoare aplicații promițătoare ale câmpului emergent al tehnologiei laser din anii 1960. Trei decenii de progrese au condus la comercializarea sistemelor optice submarine de 2,5 Gbit-1-canal, ceea ce a determinat creșterea internetului ca fenomen global. Cu toate acestea, ciripitul de frecvență dăunător asociat modulației directe a forțat industria să utilizeze modulatori electro-optici externi pentru a furniza următoarea generație de sisteme fără cheie de 10 Gbit cu -1 și pentru astăzi (>) 100 Gbit cu -1 este absolut interzisă. sisteme coerente care utilizează formate complexe de modulație (de exemplu, modulația amplitudinii în cvadratură). Aici folosim blocarea prin injecție optică a laserelor semiconductoare modulate direct pentru a genera semnale complexe de modulație într-un format care prezintă avantaje clare față de soluțiile actuale și alte soluții investigate în prezent.

Este demn de remarcat faptul că au fost raportate alte configurații ale modulatorului IQ, de exemplu folosind patru modulatori de amplitudine 8 și configurații mai complexe bazate pe un număr mai mare de modulatori de fază, care reduc cerințele de semnal 9 ale unității RF sau îmbunătățesc răspunsul de linearitate al modulator 10. .

Rezultatul

Principiul transmițătorului nostru de IQ

O schemă a metodei noastre 11, 12, 13, care arată cum să asamblați semnale QAM de la lasere direct modulate în amplitudine (DM), este prezentată în Figura 1a pentru două exemple specifice de semnale (QPSK și 16QAM), deși subliniem că această abordare poate fi ușor adaptat pentru a funcționa pentru orice modulație IQ. Mai întâi vom începe cu modulația amplitudinii (două niveluri pentru QPSK și patru niveluri pentru 16QAM; Fig. 1a). Combinând două astfel de semnale cu o fază relativă de 90 °, obținem constelațiile QPSK și 16QAM, deși nu sunt centrate la zero (datorită purtătorului rezidual). Îndepărtăm purtătorul prin interferență distructivă cu componenta nemodulată a purtătorului (Fig. La) și în final obținem semnale QPSK și 16QAM ideale.

( A ) Principiul de funcționare al emițătorului nostru prezentat folosind diagrame de constelații (în planul complex) pentru generarea de semnale QPSK și QAM pe 16 niveluri (16QAM). Folosește modulația amplitudinii ca element de bază. Cele două semnale modulate de amplitudine sunt combinate (etapa 1) pentru a forma un semnal cu o constelație similară constelației dorite. Prin îndepărtarea componentei purtătoare de semnal prin interferența cu semnalul principal (etapa a doua), se obține semnalul formatului de modulație dorit. Această metodă permite prezentarea oricărui nivel de semnal purtător la ieșire, lucru dificil de realizat cu un modulator IQ tradițional fără a provoca distorsionarea semnalului. b ) Schiță care explică diferența dintre un laser semiconductor cu funcționare directă și modulația directă OIL. Datorită ciripitului mare asociat cu un laser direct modulat, constelația constă din patru inele mai degrabă decât din patru puncte, ceea ce îl face o modulație IQ inadecvată. Cu toate acestea, OIL face ca cele patru cercuri să se „prăbușească” în patru puncte diferite din planul IQ.

Imagine la dimensiune completă

Există două obstacole principale care trebuie depășite pentru a implementa un "transmițător de IQ" cu laser DM bazat pe principiul prezentat în Figura 1a. În primul rând, laserul semiconductor direct modulat produce un ciripit de înaltă frecvență 14, care poate fi prezentat în diagrama constelației ca cercuri mai degrabă decât ca puncte (Figura 1b). Al doilea obstacol în calea implementării acestui concept este acela că două lasere independente care transportă fluxuri de date independente trebuie combinate coerent (cu o schimbare de fază de 90 ° în cazul nostru, Fig. 1a) și, prin urmare, trebuie să fie reciproc coerente.

Am rezolvat ambele probleme folosind un efect cunoscut sub numele de OIL 15, 16. În OIL, un semnal de la laserul „principal” (în cazul nostru un laser CW) (în cazul nostru un laser direct modulat; Fig. 1a) este injectat în cavitatea laserului „sclav”. În anumite condiții, faza sclavă este blocată în master, chiar dacă este direct modulată. Lățimea de bandă (adică diferența de frecvență a laserelor cu funcționare liberă) la care apare acest blocaj se numește lățimea de bandă OIL 17. Odată ce sclavul modulat direct este blocat pe masterul CW, sonorul său este suprimat (Fig. 1b) 18, 19 și lățimea de bandă de modulație poate fi crescută semnificativ (de exemplu, până la 80 GHz frecvențe rezonante 100 GHz și 80 GHz frecvențe naturale) 16, 6609 - 6618 (2008). "href =/articles/ncomms6911 # ref20 aria-label =" Reference 20 "data track = click on data track = link> 20). Această coerență reciprocă este critică în transmițătorul nostru - ne permite să combinăm acești doi sclavi modulați direct cu o deplasare de 90 °, precum și pentru a asigura suprimarea purtătorului prin interferență distructivă cu componenta principală a semnalului.

experiment

Construcția unei dovezi de principiu pentru transmițătorul nostru este prezentată în Figura 2 (descrisă în secțiunea Metode). În primul rând, am examinat tunabilitatea lungimii de undă. Figura 3a prezintă spectrele emise ale unui sclav cu funcționare liberă pentru trei setări diferite de temperatură, care arată că poate emite lumină în aproape întreaga bandă C. În OIL, laserul devine singurul mod, așa cum se arată în Figura 3b pentru cele trei lungimi de undă diferite și trei setări ale temperaturii slave prezentate în Figura 3a. Prin reglarea aproximativă a temperaturii slave, este posibil să se obțină ULEI pe întreaga bandă C (1.530 - 1.560 nm). Figura 3c prezintă constelațiile obținute pentru tastarea binară a fazei pentru diferite rate de biți și lungimi de undă, care arată o putere independentă de aproape lungimea de undă - toate au fost realizate cu un singur laser sclav.

( A ) Configurarea experimentală a sistemului nostru de difuzare utilizat în experimentele noastre pentru a demonstra fundamentalitatea. ( A ) Top box: implementarea fizică a transmițătorului nostru; A ) caseta de jos: un transmițător IQ convențional bazat pe LiNbO 3 utilizat în scopuri comparative. Trebuie remarcat faptul că transmițătorul nostru necesită de două ori mai puține semnale de intrare a datelor RF comparativ cu un sistem standard bazat pe modulatori IQ. Datorită performanțelor optice bune, a fost nevoie doar de un DSP standard pe partea receptorului, deși laserele direct modulate utilizate în exemplul nostru sunt doar lasere semiconductoare simple de tip Fabry-Perot și nu au fost deloc optimizate pentru această aplicație. ( b ) Configurați experimentul nostru de transfer.

Imagine la dimensiune completă

A ) Spectre slave funcționale pentru trei setări de temperatură. b ) Spectrele de injecție sclavă blocate pe master, care au fost reglate la 1 530 nm (verde), 1 543 nm (roșu) și 1 561 nm (negru). ( c ) Diagramele oculare pentru modularea de introducere a fazei binare (doar un sclav a fost pornit și condus de un flux de date pe două niveluri) generate la 1 532, 1 466 și 1 560 nm la 14, 20 și 24 GBaud.

Imagine la dimensiune completă

Rezultatele altor experimente folosind un generator de formă de undă arbitrară (AWG) pentru a genera date RF sunt prezentate în FIG. 4a, b (purtător unic QPSK și 16QAM) și FIG. 4c, d (multiplexare prin diviziune de frecvență ortogonală (OFDM) cu QPSK și 16QAM). Rezultatele obținute cu secvența de biți pseudorandom (PRBS) utilizate pentru a genera QPSK la viteze baud peste AWG (20 și 28 GBaud) sunt prezentate în Figura 5. Pentru comparație directă, prezentăm rezultatele obținute cu LiNbO cu 22,5 GBaud. 3 modulator IQ (figurile 3 și 4).

A ) Format QPSK cu un singur operator. b ) Format QAM (16-QAM) cu un singur purtător pe 16 niveluri. ( c ) Semnal OFDM cu subpurtători codați utilizând formatul de modulație QPSK. ( d ) Semnal OFDM cu subpurtători codați utilizând formate de modulație 16QAM. Semnal de date RF generat de AWG. Spectrele semnalului generat și constelația după transmisie sunt afișate ca valori de intrare.

Imagine la dimensiune completă

Datele QPSK cu un singur purtător sunt generate folosind generatorul RF PRBS. Spectrele semnalului generat și constelația după transmisie sunt afișate ca valori de intrare. Patratele albastre: 28 Gbaud; cercuri mov: 20 Gbaud.

Imagine la dimensiune completă

Figura 4a arată că emițătorul nostru are o amendă de aproximativ 0,8 dB semnal optic la zgomot (OSNR) la o rată de eroare de biți (BER) de 10-3 în raport cu modulatorul nostru LiNb03 după propagarea peste 230 km de fibră optică. Figura 4b arată că transmițătorul nostru depășește LiNbO3 la BER mare (peste 2 × 10-3), dar mai rău pentru BER mai mic atunci când semnalul se propagă peste 230 km de fibră optică. În constelație (obținută după faza de echilibrare dinamică) vedem o ușoară distorsiune, care este o consecință a sunetului (slab) rezidual prezent în emițătorul nostru.

Figura 4c arată că emițătorul nostru este capabil să genereze semnale modulate arbitrar folosind OFDM. După cum putem vedea din spectre (insert), emițătorul nostru prezintă o mapare liniară a unui semnal electric către un purtător optic. Diagramele de constelații (obținute după 230 km de propagare a fibrelor și după aliniere) arată clustere clare de constelații și că emițătorul nostru este doar puțin mai rău decât modulatorul nostru LiNbO 3 IQ afectat la V π (0, 7 și 0,5 dB dBRRR pentru OFDM-QPSK ). și OFDM-16QAM, la BER 10-3). Deoarece OFDM cuprinzând o componentă purtătoare optică este utilă în demodulare, modulatorii IQ sunt de obicei ușor afectați de VH pentru a obține un ton purtător 21. Conform ipotezei practice de influențare a LiNbO 3 la 1,05 V π, transmițătorul nostru (care permite adăugarea unui ton purtător fără distorsiune a formei de undă) depășește de fapt LiNbO 3 pentru OFDM-16QAM (probabil datorită liniarității mai bune a transmițătorului nostru, care este 1 și 2), fiind foarte aproape de OFDM-QPSK (Fig. 4d).

Am investigat în continuare cât de mult ne putem împinge emițătorul în ceea ce privește viteza de transmisie. S-a dovedit că acest lucru depășește lățimea de bandă a AWG-ului nostru, așa că am folosit un generator PRBS (mai rapid) cu două ieșiri suplimentare, care, totuși, ne-a limitat să lucrăm doar cu QPSK. Am constatat că lățimea de bandă a modulației slave a fost de aproximativ 14 GHz, ceea ce ne permite să urcăm până la 28 GBaud - rezultatele pentru 20 și 28 GBaud sunt prezentate în Fig.

discuţie

Deși ratele de transmisie prezentate în experimentele noastre actuale sunt relativ mici în principiu comparativ cu cele mai recente rezultate obținute cu modulatori externi de IQ, am făcut acest lucru fără nicio optimizare a componentelor emițătorului nostru și am folosit doar componente originale proiectate pentru alte aplicații. Atunci când se utilizează lasere slave optimizate, ne așteptăm la îmbunătățiri semnificative, mai ales dacă sunt integrate într-un singur chip fotonic (cum ar fi InP), așa cum ne așteptăm. Cu toate acestea, chiar și cu transmițătorul de curent, am necesitat o putere de 25 de ori mai mică a unității RF, ceea ce a fost ajutat și de faptul că avem nevoie doar de jumătate de semnal RF și am obținut o putere rezonabilă aproape de cel mai bun modulator. Credem că acest lucru face ca emițătorul nostru să fie un candidat ideal pentru rețelele de metrou și acces, unde principala problemă este consumul de energie.

metode

Transmițătorul nostru

În experimentele QPSK și 16QAM cu un singur purtător de 10 GBaud, curbele de excitație sunt codificate diferențial folosind un algoritm de rotație a cadranului 24 bazat pe PRBS (2 19-1). Pe partea receptorului, am compensat mai întâi deficiențele de la capătul optic frontal (îngustare, bloc DC, corectarea dezechilibrului de putere și ortogonalizare IQ). Apoi am luat formele de undă obținute în două eșantioane/simbol și am compensat dispersia cromatică folosind un egalizator static 25. Am folosit apoi algoritmul standard cu 17 robinete cu modul constant (CMA) 25 și 22-robinet CMA 26 cu inele multiple pentru a ajusta compensarea reziduală a defectelor pentru QPSK și 16QAM. Deoarece detectarea homodină a fost utilizată pentru a simplifica experimentul, nu a fost necesară compensarea schimbării frecvenței. În ultima fază, am compensat zgomotul de fază folosind algoritmul de recuperare a purtătorului 24. În cele din urmă, semnalele au fost decodate diferit înainte de calculul BER.

Pentru experimentele QPSK cu 20 GBaud și 28 GBaud, am împărțit ieșirea generatorului de modele pseudorandom de mare viteză (SHF 12100B) în două ramuri și am introdus o întârziere într-o ramură pentru controlul I și Q (PRBS 2 15 −1). Procesarea pe partea receptorului a fost similară cu cea utilizată în experimentul de 10 GBaud, cu excepția faptului că a fost utilizat un filtru glisant cu 13 robinete pentru a compensa zgomotul de fază 27.

În experimentul reglabil al lungimii de undă (Fig. 3), detectarea homodinei a fost efectuată utilizând algoritmi comerciali Agilent DSP încorporați într-un receptor coerent (Agilent DSO-X 93204A + N4391A).

Configurarea conexiunii de transmisie

Legătura de transmisie de 230 km conținea trei întinderi de fibră: 75 km de fibră monomodă standard (SSMF-28) în prima și a treia întindere și 80 km de fibră cu o suprafață eficientă mare în a doua distanță. Am rulat -1 dBm de putere medie pentru a evita neliniaritățile. Pe partea receptorului, sarcina de zgomot generată de ASE a fost utilizată pentru a regla OSNR. OSNR a fost calculat din semnalul și zgomotul măsurat la o rezoluție de 0,1 nm. Pentru filtrarea zgomotului în afara benzii s-a folosit un filtru optic de bandă de 0,8 nm. Componenta luminii CW (6 dBm) a fost pompată de la laserul principal și utilizată ca oscilator local pentru a primi homodini de polarizare unică. Polarizarea semnalului primit a fost aliniată manual cu polarizarea oscilatorului local din receptor. După detectarea coerentă, semnalul electric a fost eșantionat cu un osciloscop 32-GHz, 80-GS s-1 în timp real înainte de procesarea offline.

Majoritatea experimentelor efectuate cu transmițătorul nostru au fost repetate pentru comparație utilizând un modulator IQ de 22,5 GBaud de la Fujitsu (FTM7960EX). Pentru a asigura liniaritatea optimă, Vpp-ul semnalelor RF de conducere a fost redus la

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Liu, Z. și colab. Sinteza modulației amplitudinii în cvadratură fără modulator. Nat. Comun. 5: 5911 doi: 10, 1038/ncomms6911 (2014).

Informatii suplimentare

Fișiere PDF

Informatii suplimentare

Figurile suplimentare 1-4

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.