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100Gb/s RZ-ODQPSK实现方法性能比较 王亮星，董毅，柳大伟，章璐敏，陈翰，胡卫生
(上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200240) 摘要：光差分正交移相键控（O D Q PSK）调制格式在高速光纤通信系统中有着巨大的应用潜力。文章给出了高速O D Q PSK调制格式的三种实现方式（串联调制、并联调制和双驱动单调制器调制），在建立仿真模型的基础上，对光信噪比（O SN R）、散、偏振模散（PM D）以及光纤非线性四个方面的容纳能力进行了对比、分析和研究。 关键词：高速光传输；马赫-曾德调制器；光差分正交相移键控（O D Q PSK）调制
中图分类号：TN929.11文献标识码：A文章编号：1002-5561(2010)01-0042-04
Capability comparison of
100Gb/s RZ-ODQPSK realization methods
WANG Liang-xing,DONG Yi,LIU Da-wei,ZHANG Lu-min,CHEN Han,HU Wei-sheng （State Key Lab of Advanced Optical Communication Systems and
Networks,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200240,China）
Abstract:Optical differential quadrature phase-shift keying(ODQPSK)modulation has tremendous applica-tion potential in high speed optical communication system.In this paper,we propose three methods realizing ODQPSK modulation(serial modulation,parallel modulation,one dual-driver modulator modulation).With simulation models,three modulation realization methods are compared and analyzed in tolerance ability of four aspects respectively:optical signal noise ratio(OSNR),dispersion,polarization mode dispersion and fiber nonlinear.
Key words:high speed optical transmission,Mach-Zehnder modulator,optical differential quadrature phase-shift keying(ODQPSK)modulation.
0引言
近年来，光差分正交移相键控（ODQPSK）调制方式在高速光传输系统中得到广泛的关注和研究。相比于开关键控（OOK），差分相移键控（DPSK）等二进制调制格式，ODQPSK调制具有窄的频谱宽
度和高的频谱利用率[1~3]。利用正交移相调制格式，采用两路50Gb/s 的码元速率就可实现100Gb/s的信息传输速率，从而降低了对于电子器件的带宽要求；由于在接收端使用与DPSK相同的平衡接收，相对于OOK调制DQPSK 能提高3dB的接收灵敏度，DQPSK还具有较强的散、PMD和非线性容纳能力[3]。另外，DQPSK信号通过脉冲成型产生RZ-DQPSK信号，能够使各项性能得到进一步的提升[4]。
目前，实现ODQPSK调制方式主要有串联调制[5]、并联调制[3]、单调制器双驱动调制[6]3种方式。以下我们先介绍3种不同调制方式的产生方法及其基本特征，然后建立基于3种实现方式的100Gb/s RZ-ODQPSK 调制格式的仿真模型，并对其光信噪比、散、偏振模散以及非线性的容纳能力进行对比分析。
1DQPSK调制原理
DQPSK是利用光载波的4种不同相邻码元相位差(例如0,+π/2,-π/2,π)来表征数字信息的调制方式。每一种相位差代表2bit信息。通过使用此方式，能够有效避免在接收端因相位反转引起的解调失败。在实现中，需要先将输入的双比进行预编码处理，再对输出的双比进行四相绝对移相，得到DQPSK编码信号[7]。当前实现ODQPSK调制有3种方式：串联调制(Serial)、并联调制(Para)、单调制器双驱动调制(Dual)。
收稿日期：2009-08-12。
基金项目：国家自然科学资金（10778713）资助；国家863计划资助。作者简介：王亮星（1985-），男，硕士生，主要研究方向为光传输网络。
王亮星，董毅，柳大伟，等：100Gb/s RZ-ODQPSK 实现方法性能比较
⑴串联调制方式串联调制方式使用一个马赫-曾
德光强度调制器（MZM ）和一个光相位调制器（PM ），如图1所示。两路输入信号u 、v 经过差分预编码和比特映射后生成信号I 和Q ，经延迟调整、放大后分别送入
MZM 和PM 。MZM 的偏置点设置在传输零点，实现π相位调制。光相位调制器的相位调制幅度为π/2。这种ODQPSK 实现方式的优点是所需调制器均为商用器
件，易于实现。存在的主要问题是调制编码不符合格雷码规则，因此在逻辑混淆的抑制能力方面不如另外两种实现方式。此外，PM 产生的相位变化易受电驱动信号的幅度噪声影响，难以保证准确的0到π/2的跳变，且相位变化是一个渐变过程，从而会引入相位噪声。
⑵并联调制方式并联调制方式使用两个MZM ，如图2所示。两路输入信号u ,v 经过差分预编码和比
特映射后生成信号I 和Q ，经延迟调整、放大后分别送入上下臂的MZM 。MZM 的偏置点设置在传输零点，实现相位调制，调制后的I 支路光信号π/2相移后与Q 支路光信号耦合生成ODQPSK 信号。这种ODQPSK 实现方式的优点是：产生的编码是格雷码，而且相位的变化是直接的跃变，不受驱动信号幅度噪声的影响，相位噪声小。存在的不足是并联调制方式需要特殊的专用器件，器件制作成本高。
⑶单调制器双驱动调制方式单调制器双驱动调
制仅使用一个双驱动MZ 调制器，其实现方式如图3所示。两路输入信号u 、v 经过差分预编码和比特映射后生成信号I 和Q ，经延迟调整、放大后分别送入
MZM 的上下臂，对下臂加偏置电压使其产生π/2的相移。当I 信号为0时，上臂产生-π/2的相位调制，为1
时上臂产生为π/2的相位调制。Q 信号同理。此实现方式的优点是只需要一只商用的双驱动MZ 调制器，实现成本最低。但上下臂的相位变化均受电驱动信号的幅度噪声影响，相位变化均是渐变过程，因此相位噪声最大[6]。此外，还要求严格控制调制器的偏置点。
贴片式led上述3种方式产生的调制信号通常称之为NRZ-
ODQPSK ，为了减小码间串扰的影响，提高其传输能
力，将NRZ-ODQPSK 再通过一级MZM 强度调制器，用同步的时钟脉冲调制信号，最终形成光信号幅度以时钟频率周期变化的RZ-ODQPSK 信号。
2仿真系统
荧光法溶解氧
图4为100Gb/s RZ-DQPSK 光信噪比、散及偏振模散的仿真模型[8,9]。按照典型系统，发送端带宽设为42.5GHz （50Gb/s 码元速率的85%），接收端带宽设为37.5GHz （50Gb/s 码元速率的75%）。在图4系统中通过调节衰减器改变接收端的光信噪比，用于研究光信噪比的容纳能力；通过改变系统中普通单模光纤（SSMF ）的散系数，来调节系统的散量，用于研究调制格式的散容纳能力；偏振模散容纳能力则通
过偏振模散仿真器来实现。
图1ODQPSK
串联实现方式
图2ODQPSK
并联实现方式
图3ODQPSK
单调制器双驱动实现方式
图4100Gb/s RZ-ODQPSK 光信噪比、
散及偏振模散的仿真系统
王亮星，董毅，柳大伟，等：100Gb/s RZ-ODQPSK 实现方法性能比较
信号的非线性容纳能力体现在传输系统中，为此，需要在传输系统中研究非线性容纳能力。本研究采用的100Gb/s RZ-DQPSK 非线性容纳能力的仿真系统如图5所示，系统由8段80km SSMF 及其散补偿光纤模块（DCM ）构成，总传输距离为640km 。SSMF 及DCM 的非线性系数分别为2.6e-20m 2/W 和4e-20m 2/W 。依照实际传输系统的设计规则，控制光放大器（EDFA ）的增益，使得DCM 的入纤功率比SSMF 的入纤功率小
6dB 。仿真计算中通过调节入纤功率，研究不同入纤功
率下的传输性能
3实验结果
图6给出了不考虑散，PMD 和非线性的情况下，三种调制方式的Q （dB ）与接收光信噪比（OSNR ）
的关系曲线。可以看出并行调制方式性能最佳，其次是串行调制方式，最后是单调制器双驱动调制方式。信噪比为30dB 时，并联调制方式的Q 值比双驱动单调制器调制方式Q 值高约0.7dB 。当信噪比降为22dB 左右时，并联调制和串联调制的Q 值基本相同，双驱动调制比前两者大约小0.4dB ，差距有所缩小。
聚光体
在图4系统中，固定信噪比为30dB ，不考虑PMD 和非线性影响，得到图7所示系统散和Q （dB ）的关系曲线。可以看到当散为0时并联调制和串联调制
Q 值大约比双驱动单调制器调制Q 值大0.7dB 。以2dB Q 代价为参考，并联调制和串联调制方式的散容纳约为-19～+19ps/nm ；双驱动单调制器调制方式的散容纳约为-16~+16ps/nm 。
固定信噪比为30dB ，不考虑散和非线性影响，得到如图8所示的SMF 光纤PMD 和Q （dB ）值的对应关系。随着PMD 从0ps 增加到12ps ，并联调制和串联调制Q 值从22dB 附近降到了17dB 附近。双臂驱动调制Q 值从21.3dB 降到了16dB 附近。整体而言，并联调制方式和串联调制方式Q 值相差不大，双驱动单调制器方式Q 值与前两者相比仍有差距。
图9给出了在图5所示640km 传输系统中，综合
考虑噪声、散、PMD 和非线性影响，三种调制方式发送功率（Tx power ）和Q （dB ）值的对应关系。最佳入纤功率分别为：并联调制方式2dBm 、串联调制方式
3dBm 、单调制器双驱动调制方式3dBm ，较高的最佳入
聚氨酯防滑链
纤功率，意味着该实现方式具有较强的非线性容纳能力。在各自最佳发送功率下，并联调制Q 值大约比串
图5100Gb/s RZ-ODQPSK
非线性容纳能力仿真系统
图6三种调制方式的光信噪比（OSNR ）
容纳能力
图7
三种调制方式散容纳能力
图8三种调制方式偏振模散（PMD ）
容纳能力
联调制Q 值大0.5dB ，比双臂驱动调制Q 值大1dB 。当功率变小时，三种调制方式Q 值都开始下降，仍是并联调制Q 最大，单调制器双驱动最小。当功率从最佳发送功率开始增大时，受非线性影响Q 值开始下降，三种调制方式Q 值差距逐渐变小并趋于相同。
从图6～图9中可以看到在给定的Q 代价下，单调制器双驱动的散容纳能力明显差一些，而在其它方
面3种调制方式的整体变化趋势基本一致。对于并联调制方式，MZM 进行相位调制时在0和π之间直接跳变，相位噪声小，因此在各种情况下其Q 值皆为最优，但所需器件最多，成本最高。对于串联调制方式，PM 支路会由于相位的渐变而引入相位噪声，其性能和成本皆处于中间。对于单调制器双驱动调制方式，其上下臂都会由于相位的渐变而引入相位噪声，但所需器件最少，成本也最低。综合考虑，并联调制方式适宜于长距离传输系统应用，如光纤骨干网；而双驱动单调制器方式则更适宜于短距离传输系统，如100Gb/s 以太网。
4结束语
光差分正交移相键控（ODQPSK ）调制格式是当今高速光纤通信系统中的研究热点。本文对高速光差分正交移相键控（ODQPSK ）调制格式的三种实现方式
（串联调制，并联调制和双驱动单调制器调制）进行了比较研究，然后建立相应的仿真模型，从光信噪比（OSNR ）、散、偏振模散(PMD)以及非线性容纳能力四个方面对三种实现方式进行了比较分析。研究结果表明：并联调制方式的相位噪声最小，性能最优，但实现成本最高，适宜于长距离传输系统应用；双驱动单调制器方式的相位噪声最大，性能最差，但实现成本最低，适宜于短距离的传输系统；而串联调制方式在性能和成本上则介于两者之间。参考文献：
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汽车镀铬图9
三种调制方式非线性容纳能力
王亮星，董毅，柳大伟，等：100Gb/s RZ-ODQPSK 实现方法性能比较
参考文献著录规则（二）———图书的著录格式
◆原著的著录格式：
[序号]著者.书名[M].版本(1版不著录).出版地：出版者，出版年：起-止页码.[1]原荣.光纤通信[M].北京：电子工业出版社，2002.
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◆译著的著录格式：
[序号]著者.书名[M].译者，译.出版地：出版者，出版年：起-止页码.
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