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采用Costas环的40 Gbit/s相干光接收机

摘要：据报道，一个高度集成的40Gbit/s相干光接收机采用Costas环作为一个零差光锁相回路（OPLL）。采用一个光子集成电路，一个电集成电路和一个混合的环路滤波器的特点在于，和反馈回路系统进行了全面的分析来建立一个稳定的零差OPLL。所有部件都集成在一个单一的只有10*10mm²紧凑尺寸的基板上，包括1.1GHz的环路带宽和120ps环路延迟。二进制相移键控接收机具有无差错（对于35Gbit/s 误码率小于10^-12，对于40Gbit/s 误码率小于10^-7），无延迟，且功耗低于3W等特性。

1.引言

数字相干光通信已经因需求复苏为提高数据速率具有较高的频谱效率和卓越的灵敏度。最近，大多数光接收器都在相干检测的基础上使用高速数字信号处理（DSP），因为高数据速率的信号由于补偿色散和其它非线性效应中DSP的存在，可以达到很长的距离甚至超过1000公里以上。另一方面，短距离以太网如城域网和接入网的网络使用强度调制和直接检测，因为它可能是使用复杂的模拟数字冗余转换器（ADC）和数字信号处理器，所以也应该考虑功耗和产品成本的问题。科斯塔斯环路由简单的反馈环路配置，可能是能源效率和低成本的高速光接收器一个可行的解决方案。

然而，Costas环作为一个零差光锁相回路（OPLL）一直被认为是具有挑战性的，这是由于光子、电子的体积大小和环路滤波元件使得反馈环路延时变长。这个长环路延迟限制着环路带宽，而环路带宽决定了本地振荡器（LO）激光器的相位噪声的抑制范围和跟踪/保持针对接收到的载波信号的范围。在这种情况下，OPLL需要两个本振稳定和窄线宽参考源来和发射激光器保持一个稳定的相位锁定于一个适当的接收器系统的操作。

近年来，许多研究报道OPLL使用集成技术相对稳定的反馈回路。采用高速HEMT小延迟环路滤波器与一个300MHz的环路带宽零OPLL，采用RF异或（XOR）作为外差OPLL与1.8ns环路延迟相位检测器和一个高度集成的外差OPLL使用集成的单边带混频器和0.2ns相位频率检测器（PFD）来检测550MHz的闭环带宽延迟的技术已经出版。OPLL的相干光接收机也已开发，Costas接收机使用低于10Gbit/s的零差OPLLs，决策驱动回路包括子载波的调制方式，并采用正交信号采样与PSK 40Gbit/s的零差接收DSP数字OPLL的技术已经出版。然而，接收器仍然需要在LO和发射激光器的窄线宽由于一个窄的环路带宽，并且它们可能需要额外的模块，如压控振荡器，一个马赫 - 策德尔调制器，光学滤波器，甚至ADC和DSP来恢复载波信号。

在本文中，作为一个扩展，验证使用科斯塔斯环的一个40Gbit/ s的相干光接收器。各组件和反馈回路的特性充分分析具有新颖环路滤波器设计拓扑优化OPLL系统。该接收机在一个10times;10平方毫米紧凑的尺寸内实现，它表现出120ps的循环延迟和1.1GHz的闭环带宽。此外，该数字操作电路使OPLL针对光电流的波动更加健壮，并且在PFD延伸锁相和频率引入范围。其结果是，稳定的OPLL和二进制相移键控（BPSK）相干接收机无差错（对于35Gbit/s误码率lt;10^-12，对于40Gbit/ s误码率lt;10^-7）得以实现的。该BPSK接收器的功耗低于3W的功率。

2.零差OPLL和环路分析

零差OPLL被设计为如图1所示的原理图的概念。主要由光子集成电路（PIC），电集成电路（EIC）和混合环路滤波器组成。

2.1光子集成电路（PIC）

所制作的PIC是基于InGaAsP/InP平台的。该PIC包括一个可调谐取样光栅分布可以通过电流注入被调整过的40nm波长范围为前/后镜和相位调谐部分二极管布拉格反射镜（SG-DBR）激光器。所接收的信号和LO激光器是由一个集成的90°光混合器和下变频由四个单向行进载体的PD为I-Q电输出混合。所制造的光混合器具有plusmn;2％的不平衡输出和PD设备在-5V表现出30GHz的和18毫安饱和电流的3-dB带宽。PIC芯片尺寸为4.30times;0.56平方毫米并具有40ps的传播延迟。可以发现这个PIC的所有细节。

2.2电气集成电路（EIC）

该EIC一直使用Teledyne公司的拥有300GHz的英尺和fmax的500nm的HBT工艺设计。它包括输入偏置电路与50Omega;接口PIC PD设备-2V偏见。限幅放大器（LIAS）限制仅包含相位和频率误差信息对PD输出0.3Vp - 对数字化的信号。由于通过LIAS在反馈系统的数字的操作，OPLL系统变得PIC的强度变化不敏感。一个PFD由带10马力延迟线，这就是所谓的quadricorrelator类型的XOR的，以覆盖一个50GHz的频率牵引范围。EIC芯片尺寸为1.30times;1.20平方毫米并具有50ps的传播延迟。可以发现这个EIC的所有细节。

2.3混合环路滤波器

混合动力环路滤波器已经使用由用于主路径积分器和一个前馈路径的微分器的一个前馈技术实现。所述散装运算放大器（OPA）被用来获取在DC和低频增益高，但OPA的具有长的延迟可能限制OPLL的带宽。为了最小化的延迟效应，无源电容仅高频的前馈路径上加入。其结果是，由环路滤波器的有效环路延迟变得微不足道，回路带宽仅由从PIC，EIC的延迟限制和互连（30PS）获取。

2.4反馈回路分析

基于相位反馈回路分析已经用图2所示在Matlab的Simulinkas进行。鉴相器是由正弦和硬限幅为LIA链和XOR型二进制相位检测前馈回路被建模具有两个独立路径的非线性函数建模。积分路径包括第一阶有源环路滤波器，OPA的二阶极，电阻器和OPA的延迟。微分路径具有零，并通过一个电容值所确定的耦合增益。前馈回路必须避免两个路径之间180°的相位差，以防止幅度缺口在交叉频率。此外，激光缓慢调谐响应，激光调谐灵敏度，对于频率的相位变换积分器和总有效的环路延迟建模如图2所示。基于该模型参数，开环响应T(S)表示为:

其中，线性等效相位检测增益KPD= 0.2〜0.4V/ RAD，激光调谐灵敏度KCCO=5.0times;1013rad/秒/ A，激光缓慢调整响应tau; tune如在100MHz时tau;2determined一个极点，有源环路滤波器极点tau;1and零0.17MHz和2.2MHz的，分别OPA的第二极tau; OP在200MHz，500Omega;，200ps的一个OPA的延迟tau; d_OP上1.0PF的前馈通路CFF耦合电容器的电阻器R，和的总有效环路延迟tau;d120PS的特点。尤其，非线性相位检测器的增益KPD近似，并用线性等效增益最优化。如图3所示为OPLL开环响应T(S)的获得，并且它表明总环路响应如下在低频的主路径和在高频前馈路径。从响应、反馈回路响应表示出4.4times;109rad/秒（700MHz的）和65°的相位裕量的自然频率omega;N。

3.实施和实验结果

3.1集成的OPLL

Costas环接收器的OPLL实现如图4所示。所制造的PIC在上顶部，EIC在底部左侧，右下方的混合动力车环路滤波器被安装在总尺寸范围内的单一10times;10平方毫米的AlN衬底（介电常数εr= 9和热导率= 140〜180W/米/ K）上。它们通过引线键合和传输线，和所述前馈路径（在图4中所示的红色箭头），其连接被最小化，以减少它们的互连延迟。环路滤波器使用商用电压反馈OPA，其具有70分贝开环增益和200MHz的单位增益带宽。连同分立的芯片电容器和电阻器，有源环路传递函数已被实现。

Fig. 4. A photograph of the Costas loop based on a homodyne OPLL receiver (Red arrow:

feed-forward path).

3.2零差OPLL实验

零差OPLL已经过测试，以测量闭环带宽和锁定SGDBR激光线宽性能。测试设置为OPLL说明中，和OPLL具有1.1GHz的闭合带宽，如图5(a)所示，这是最宽的环路带宽，以我们所知的环路带宽。峰节拍音示出在100MHz和两个侧峰值的音调表示由于下在1GHz -left峰作为图象频率和1.2GHz的阻尼所示的闭合环路带宽--右峰作为一个真正的频率。对于未锁定SG-DBR激光器的线宽，锁定SG-DBR激光器，和参考激光测量和比较，如图5(b)所示，使用自外差线宽计测的技术。在未锁定的SG-DBR激光器示出10MHz的宽线宽，但锁定的SG-DBR激光器具有100kHz的，线宽是相同的参考激光线宽。其结果是，在宽的环路带宽抑制为宽的频率范围内对SG-DBR激光器的相位噪声，延伸轨道和靠住接收激光的载波频率漂移范围内，并且科斯塔斯环可以捕获所接收的激光的载波相位。

3.3 BPSK接收器实验

为了证明Costas环接收机性能，眼图输出和误码率（BER）性能进行测定。此测试设置为BPSK解调进行了说明，以及如图6(a)和6(b)分别表示接收25Gbit/ s和40Gbit/ s开放的眼图。误码率与光信噪比（OSNR）如图6(c)所示，及其优越的无差错性能（对于35Gbit/s误码率低于10^-12，对于40Gbit/s误码率低于10^-7）。此外，如示于图5(b)所示，锁定SGDBR激光与25Gbit/ s的BPSK数据的线宽显示相同的线宽性能锁定SG-DBR激光器和基准激光。这意味着，Costas环具有25Gbit/ s的BPSK数据调制可以在不降低线宽和数据接收性能恢复载波相位。该接收机系统功耗低于3W的功率（PIClt;0.5W，EIClt;2.2W和循环过滤lt;0.1W），不包括热电控制器电源。

4.结论

高度集成的基于相干光接收器的零差OPLL一直采用科斯塔斯环证实。一个稳定的OPLL在一个10times;10平方毫米小巧的体积内实现，具有1.1GHz的封闭的环路带宽以及120PS循环传播延迟。基于科斯塔斯环的BPSK接收机表现无误差（对于35Gbit/s误码率lt;10^-12，对于40Gbit/s误码率lt;10^-7）。接收机消耗低于3W的功率。这可能是在短距离或中长距离光通信相干光接收器具有低功耗和低成本有前途的选择。

致谢

这项工作是由DARPA通过的光子集成光学相干技术（PICO）的支持。这项工作的一部分是在UCSB的纳米加工实验室完成的，还包括美国国家科学基金会NNIN网络的部分资金支持。笔者想感谢Teledyne科学公司为EIC所做的贡献。

使用DRZ、QPSK和PoISK三维正交调制的高频谱效率100Gbit/s传输

摘要：本文在同步调制暗归零（DRZ）、差分正交相移键控（DQPSK）和偏振移位键控（PoISK）的基础上对100Gbit/s的应用提出了一种新的4位/符号的光学数据格式。通过数值模拟，我们表明朝向偏振模色散（PMD）和色散的三维调制格式的鉴别能力。通过三种不同组合调制格式，与那些DRZ，DQPSK和PoISK的接收机灵敏度，分别进行比较，同时改变DRZ的消光比。所提出的三维正交调制格式具有更紧凑的频谱，且DQPSK相对于100Gbit/s的传输具有更宽的相位噪声。

引言

每个符号的正交调制的多态是在高速光传输系统的大容量，长距离的创新发展的关键技术。最近，每符号光正交调制方案若干多位已被建议作为一个竞争的方法来实现更高的频谱效率，放松色散管理和改进的偏振模色散（PMD）的耐受性。此外，对于未来的100Gbit / s的应用，许多研究小组表明兴趣，不同的调制格式已被提出，如NRZ，双二进制，DQPSK和SDPSK。为了增加频谱效率，在这项工作中，一个新的光正交调制格式结合暗返回到零（DRZ），差分正交相移键控（DQPSK）和偏振移键控（PoISK）被提出了，并且可以减少用于在发射器和接收器的光的电子所需要的带宽。它还四倍的光传送容量，并实现4位/符号正交调制而不精确的消光比（ER）的调整中，由于产生50％的占空比的DRZ信号类似于在产生反向返回到零。与QPSK相比，我们还将讨论这个正交调制格式的100Gbit/s的传输性能。

信号产生与检测的原理

图1（a）示出了所提出的发射器的配置。从分布反馈激光二极管的连续波（CW）光的光束被送入一个双马赫 - 曾德调制器（MZM），这是在一推挽状态中操作，并且由数据调制。然后，产生一个暗RZ光信号，并将其发射到一个相位调制器。在下一步骤中，该数据通过串并行变换分成相等的两个平行的电信号。一种是直接用来驱动第一相位调制器（PM₁），另一种是用于驱动所述第二相位调制器（PM₂）。第一级调制光信号为0或pi;的相位，而第二个增加0或pi;/ 2的相移。与两个相位调制器（PMs），我们调制载波相位，以产生DQPSK信号。以这种方式，产生了DRZ/ DQPSK信号。最后，DRZ/ DQPSK信号是在45℃为PoISK调制发射。它由一个偏振光束分离器（PBS）和一个偏振光束组合器（PBC）组成。第三相位调制器（PM₃）置于它们的水平端口之间，而其垂直端口直接相连。在PolM的输出，所述DRZ/ DQPSK/ PoISK信号就被发射到光纤链路。三维DRZ、DQPSK和PoISK正交调制的图示如图1(c)所示。

图1（b）示出了所提出的方案的接收机。该接收机包括三个独立的路径以恢复所发射的信号。通过适当地调整偏振的接收状态，其由PBS连接一个平衡检测器的PoISK接收机，用于解调所述PoISK信号。在DQPSK解调路径具有偏振器（POL），两个调整过的马赫

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