Page 28 - 网络电信2023年11月刊

光 通 信
图5 偏振控制器结构
块和误差函数计算部分组成。前馈块具有四个系数为h xx 、h xy 、
h yx 和h yy 的滤波器，并以蝶形结构布置。该结构产生均衡的输出
信号x eq 和y eq ，以及在误差发生器中计算的CMA误差信号ε x 和ε y
[20,21]
。x，y，x eq ，y eq 均为复数信号。以x eq 为例，均衡器的表达
式为：
均衡器权重系数的更新方程如下：
其中μ为微调系数; τd是抽头延迟; k为抽头序号，
0<=k<=L，其中L是每个均衡器中抽头的总个数。y eq 表达式及权
重系数更新方程同理。
图6 使用CMA 算法的模拟均衡器
模拟均衡器中主要的计算操作包括延迟、加法、乘法和积
分，将这些计算单元组合就能组成模拟均衡器。模拟延迟可以
由级联的数个共发射极的CMOS单元以及作为输出缓冲的共集电
极单元组成，可以增减共发射极单元的数目来调整延时时间。
虽然无源器件也可以组成延迟单元，但延迟线所需的面积较
大，不利于集成芯片的布局。模拟加法的实现可以通过直接将
需要求和的电流同时加载在同一电阻上，以实现电流上的相加
效果，这种方法的结构最简单，占用面积最小；当需要额外增
益的时候，也可以使用CMOS搭建结构进行加法操作，该结构由
两个共发射极单元组成。模拟乘法器可以由吉尔伯特单元
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现，复数乘法器可通过连接四个这样的吉尔伯特单元来实现，
而平方电路可通过向吉尔伯特单元的两个输入端提供相同的信
号来实现。均衡器的稳态性能主要由模拟积分器的直流增益和
截止频率决定，积分器除了积分部分与额外增益部分之外，还
需要附带复位电路，以初始化权重系数。
上面介绍的模拟均衡器结构不需要ADC采样量化，能直接
对模拟信号进行均衡，不含任何数字逻辑器件，极大简化了接
收机结构。但其互连结构较为复杂，寄生电容较大，限制了传
输的速率。除此之外，还有一种在模拟均衡器中搭配低速数字
（2）
逻辑器件以改善上述问题的方法。北京大学的Kai Sheng等人使
用28nm CMOS工艺，实现了传输速率为200Gb/s的DP-QPSK模拟相
（3）
干接收机。其仅使用符号检测和ADC低速采样信号来作为CMA均
衡器的输入，以最小化数字器件的复杂度和能耗。其能耗仅为
4.6pJ/b[23]。该方案的应用场景为准静态的色散，且偏振旋转
变化较慢（低于300kHz），此场景也是基本符合数据中心等短
距高速传输场景的实际情况。CMA算法需要采集均衡前信号和均
衡后信号来计算误差损失函数，该方案中均衡前信号仅测量符
号，均衡后信号用8 bit ADC采集，两者的采样率均为信号波特
率的1/256，以最小化均衡器能耗。实验证明，对于准静态的色
散，环路收敛后均衡器系数变化缓慢，符号检测与ADC低采样率
运行虽然带来了较高的环路延迟，但足够跟踪变化缓慢的色散
及偏振旋转。
二、其他简化相干技术
除了模拟相干接收技术之外，还有几种与模拟相干类似的
简化相干接收技术。
2.1 准相干接收技术
准相干接收技术是一种简化的相干接收方式，也可
以认为是直调直检技术的改进。其接收结构框图如图7所
示。接收的光信号在分为两束偏振信号后，依次经过光电
二极管(Photodiode, PD)、跨阻放大器（Transimpedance
Amplifier，TIA）和包络检波器（通常用二极管制作），最终
合并包络得到最终输出信号。因为准相干接收技术不需要光信
号的频率与相位信息，仅检测强度信息，相较于传统数字相干
技术省去了ADC与DSP等诸多结构，功耗和复杂度都大大降低；
而相较于同样只检测强度信息的IMDD，准相干技术因为引入了
本振光，在灵敏度上有着巨大的优势。另外，准相干接收技
[22] 实 术也利用了单边带滤波技术。可以利用PD和TIA本身具有的频
率选择特性，将其组合达到去掉一侧边带的效果，将接收的
网络电信 二零二三年十二月