用于42.7 Gb/s DPSK 信号的热解调器

摘要

我们报告了一种热光学延迟干涉仪，它能够解调国际电信联盟 C+L 频段 50-GHz 网格上的任何 OC-768 DPSK 信号。对于 42.7 Gb/s 的非归零 DPSK 信号，接收器灵敏度达到 -35.5 dBm。

引言

光差分相移键控（DPSK）是一种前景广阔的调制格式，具有高接收灵敏度、对高速传输中主要非线性效应的高耐受性以及对相干串扰的高耐受性，因此最近备受关注。在 DPSK 中，数据信息由相邻比特之间的光相位差来传递。为了直接检测 DPSK 信号（通过传统的强度检测器），需要使用解调器将相位编码信号转换为强度编码信号。传统的解调器是基于全光纤设计或平面光波电路设计的 1 位光学延迟干涉仪（1 位 DI）。这些设计对温度有内在敏感性。由于需要对 DI 的两个光路之间的相位差进行准确控制，因此需要对 DI 进行准确的温度控制和稳定。在此，我们报告了基于自由空间光学设计的耐热 DI 的演示，该 DI 可在 0~70°C 的温度范围内解调国际电信联盟 50-GHz 网格上整个 C+L 波段的任何 OC-768 DPSK 信号。

热敏 DI 的设计和特点

该装置基于自由空间光学迈克尔逊干涉仪，其自由光谱范围（FSR）为 50 GHz，由一个光学分光镜（BS）和两个反射镜组成。从分光器左侧入射的光束分成两束，两束光束经两面反射镜反射后，在分光器上略微不同的位置（与输入光束的位置不同）相互干涉。DI 的两条光路之间的往返差分时延（Δt）满足：其中 f 20 /( 0 Δt = ps ± M（2f 0），f 0=193.100太赫兹（国际电联网格的参考频率），M 为小整数。为了获得良好的消光比，并更大限度地减少偏振相关频移，分光器（BS）的功率分配比例非常接近 50/50，且 BS 的相位对偏振状态不敏感。此外，为了实现热特性，在 0°C 至 70°C 的工作温度范围内，两条路径之间的长度差小于 10 nm。实现这一目标的方法是通过热膨胀系数极低的热轧卷将反射镜与 BS 连接起来。一个光路中的气隙约为 3 毫米。

图 1. 基于自由空间光学迈克尔逊干涉仪的热辐射探测器示意图。

从输入端口到任一输出端口的插入损耗均小于 1.5 dB。值得一提的是它的外形小巧：27 毫米 x 27 毫米 x 10 毫米。测量到的偏振相关频移（PDFS）小于 0.3 GHz。采用热设计时，从 0°C 到 70°C 的频率漂移小于 ±0.75 GHz。这相当于 ~0.02 GHz/°C 的温度依赖性，比传统 DIs 小 50 倍以上。图 2 显示了在 0°、30° 和 70°C 温度条件下，热 DI 的构造端口在 C+L 波段上的传输曲线。消光比大于 25 dB。在 0~70°C 的温度范围内，测量到的整个 C+L 波段与 ITU 的频率偏移（max）也小于 0.8 GHz。

实验结果

为了验证热敏 DI 的性能，我们对 OC-768 DPSK 信号进行了接收器灵敏度测量，并与使用温控 1 位 DI 获得的结果进行了比较。虽然归零（RZ）DPSK 是一些创纪录的大容量长途传输所选择的调制格式，但在紧密滤波传输中，非归零（NRZ）DPSK 显示出与 RZ-DPSK 相似的性能。我们研究了热 20ps-DI 对于 NRZ-DPSK 信号的性能。发射器由工作频率为 193.2 THz 的 DFB 激光器和用于相位调制的双驱动 LiNbO3 Mach-Zehnder 调制器（MZM）组成。该调制器由 42.7 Gb/s 的 NRZ 电子数据流（假设前向纠错开销为 7%）驱动，该数据流是长度为 2³¹ - 1 的伪随机比特流（PRBS）。参考 1 位 DI 的差分延迟为 23.4 ps，PDFS 小于 0.5 GHz，消隐比大于 25 dB。图 3 显示了用平衡接收器测量到的 42.7 Gb/s NRZDPSK 信号的眼图，该信号由 1 位 DI（设置在最佳温度下）和热 20ps-DI 解调。

使用 20ps-DI 获得的眼图与使用 1 位 DI 获得的眼图显示了几乎相同的开眼情况。图 4 显示了使用光学预放大接收器的相应误码率性能。热敏 DI 的性能与温控 1 位 DI 基本相同。我们的仿真结果表明，对于 NRZ-DPSK 而言，20ps-DI 的比特周期与 ∆t 之间的完美匹配所造成的损失约为 0.2 dB。与 1 位 DI 相比，测量的惩罚较小，这可能是因为其 PDFS 较小。

图 2. 在 0°、30° 和 70°C 温度条件下，50-GHz 全热 DI 的构造端口测量到的传输曲线。

图 3. 经 1 位解调器（左）和热 20ps 解码器（右）解调的 42.7 Gb/s NRZDPSK 信号的实测眼图。

图 4. 42.7 Gb/sNRZ-DPSK 信号的实测误码率性能。

图 5 显示了 1551.72 nm 波长下的光信噪比（OSNR）损失（BER=6x10-5 时）与温度的关系。图 7 显示了温度为 35°C 时 C 波段 42.7-Gb/s NRZ DPSK 信号的 OSNR 值。整个 C 波段的 OSNR 要求仅在±0.3 dB 范围内变化。鉴于 L 波段的频率漂移同样很小，如图 3 所示，我们预计热 DI 在 L 波段也会有类似的性能。

图 5. 使用热 20ps-DI 测量的 42.7 Gb/s NRZ-DPSK 信号的 OSNR 值与温度的关系。

图 6. 测量到的 C 波段 42.7 Gb/s NRZDPSK 信号的 OSNR 损耗。信道使用波形计设置在 ITU 网格上。

结论

我们已经展示了一种热光学延迟干涉仪，它能够解调符合国际电信联盟标准的 OC-768NRZ-DPSK 信号，在 0~70°C 的温度范围内，损耗可以忽略不计。这种 DPSK 解调器结构简单、紧凑，而且无需温度控制和稳定，对于可靠和经济有效率的产品实施具有吸引力。