Page 33 - 网络电信2024年3月刊

光 通 信

面向中短距应用的差分自相干光纤传输系统

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蔡轶 ， 姜晨旭 ， 王霄洲 ， 王甫涵 ， 田中星 ， 孙林 ， 王晓玲 ， 刘宁 ， 沈纲祥 ， 周俊 ， 郝祥勇 ， 庞胜清 3
1. 苏州大学电子信息学院；
2. 科大亨芯半导体技术有限公司
3. 亨通集团有限公司
摘 要：基于4电平脉冲幅度调制（PAM4）的强度调制直接检测（IMDD）是目前中短距应用的主要
解决方案之一。然而，基于高阶脉冲调制的IMDD方案检测灵敏度明显下降。另一方面，拥有更高灵敏度
的标准相干检测技术又面临成本和复杂度方面的挑战。因此，自零差相干检测（SHCD）和差分检测等
自相干检测方案，因其优于PAM4的性能和低于标准相干检测的硬件成本而在新一代中短距应用中具备优
势。本文综述和比较自零差相干以及差分自相干检测（DSCD）系统各自的特征、优点和挑战。文中进
一步针对光功率受限和光信噪比受限的不同传输场景，分析比较基于SHCD-正交相移键控（QPSK）和
DSCD-差分正交相移键控（DQPSK）方案的系统性能，展示了DSCD-DQPSK系统相较其他方案在硬件
成本和系统性能方面的综合优势。
关键词：光通信;相干检测;自相干检测;差分调制;数字信号处理

引言 系统的挑战主要来自光电器件成本和数字信号处理（DSP）芯片
随着5G、云计算、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术 对功耗的提升。特别是典型的相干光传输系统要求接收端配备
的发展，以及物联网设备和智能终端数量逐年增加，网络中所 窄线宽本振激光器，对于低成本低功耗要求的中短距传输尚不
产生的数据流量呈指数型增长。而作为数据中心内和数据中心 适用。近年有研究从降低功耗角度对高复杂度的DSP算法进行优
间流量的主要承载者，高速高性能中短距通信系统的规模和数 化 [15] ，也有通过使用模拟信号处理取代数字信号处理 [16,17,18] ，
量需要大幅增加以满足持续增长的需求。目前，实现中短距传 在一定程度上降低所需功耗。然而这些技术都没有解决接收端
输仍以强度调制直接检测（IMDD）系统为主 [1,2,3,4] 。当前主流的 要求窄线宽本振激光器的问题。
高速IMDD系统采用4电平脉冲幅度调制（PAM4），对于传统数据 为能免除接收端窄线宽本振激光器的要求，从而降低系统
中心内部光互连场景下的短距传输具有复杂度较低、实现较为 所需器件成本，可以采用以下两种方案：1）信号与本振同源的
简单的优势 [5,6] 。针对IMDD-PAM4系统，研究人员在接收端使用 自零差相干检测（SHCD);2）基于差分调制格式的差分自相干检
不同的均衡技术提升系统通信速率和传输距离 [7,8,9,10] 。然而， 测（DSCD）。
基于高阶脉冲幅度调制的IMDD方案的检测灵敏度随调制阶数的 2005年，东京国家和信息通信研究所的Miyazaki和
升高明显下降 [11] ，使得系统性能受限。并且该类系统难以使用 Kubota [19] 提出一种基于偏振复用的SHCD系统，将信号和载波分
偏振复用技术提升频谱效率，将无法满足未来高速高性能光传 别在光的X偏振和Y偏振分量进行传输，在接收端偏振分离实现
输系统的需求。另一方面，基于相干检测技术的光传输系统拥 零差检测。但相对于常规偏振复用系统而言，其频谱效率降低
[5]
有更高的灵敏度，且可使用偏振复用技术提升频谱效率 ，但 50%。随着空分复用（SDM）技术的发展，东京国家和信息通信
是相对于中短距光纤传输场景来说成本和复杂度过高 [12,13,14] 。 研究所在2013年提出使用SDM技术的SHCD系统 [20,21] ，通过19芯
因此只有降低相干检测技术方案的成本和功耗，同时保持较高 多芯光纤（MCF）实现空分复用，使用正交相移键控（QPSK）
的接收机灵敏度，才能使相干光传输系统成为适合中短距数据 调制格式，一根纤芯传输远端本振，其余纤芯传输信号，每
传输的技术方案。相干检测技术从长距下沉至中短距光纤传输 通道速率为10Gbit/s，在18根纤芯中分别实现16通道波分复

62 网络电信 二零二四年四月