基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)及方法，包括：若干個(gè)含有強(qiáng)度調(diào)制器陣列和陣列波導(dǎo)光柵的硅基芯片發(fā)射端以及與發(fā)射端相連的模式復(fù)用器以及接收機(jī)構(gòu)，其中：發(fā)射端以多路激光作為光載波并通過強(qiáng)度調(diào)制器陣列進(jìn)行高階QAM?OFDM電信號(hào)調(diào)制，強(qiáng)度調(diào)制器陣列與陣列波導(dǎo)光柵相連并將調(diào)制后的輸出光通過陣列波導(dǎo)光柵并耦合到硅基芯片，經(jīng)模分復(fù)用傳輸后，由接收機(jī)構(gòu)直接檢測(cè)并接收信號(hào)；本發(fā)明通過低帶寬器件結(jié)合模分復(fù)用技術(shù)和多維復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大容量互連系統(tǒng)的搭建，大大降低了互連系統(tǒng)的成本，并且提高了容量擴(kuò)充的靈活性。
【專利說(shuō)明】
基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種光通信領(lǐng)域的用于大容量數(shù)據(jù)中心互連系統(tǒng)的裝置，具體涉及一種以3.2GHz帶寬電器件結(jié)合模分復(fù)用技術(shù)和多維復(fù)用技術(shù)來(lái)搭建400G互連系統(tǒng)的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]云的快速興起帶來(lái)信息量的爆炸性增長(zhǎng)，服務(wù)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效率的要求也在不斷提高，這些因素直接促進(jìn)了數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展。隨著數(shù)據(jù)中心和其它帶寬需求導(dǎo)向的互連應(yīng)用的流行，IEEE 802.3bs 400Gbase_LR8規(guī)范已經(jīng)被提出，短距光網(wǎng)絡(luò)的容量需求已經(jīng)提高到400Gbit/s甚至更高的級(jí)別。用于大容量數(shù)據(jù)中心互連系統(tǒng)的低成本方案急需解決。
[0003]在這些方案中，強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM-DD，Intensi ty Modulat1n-DirectDetect1n)以其低成本的優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM，OrthogonalFrequency Divis1n Multiplexing)憑借其帶寬分配靈活、抗碼間干擾能力強(qiáng)、碼型階數(shù)易擴(kuò)展等特性而廣受關(guān)注。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)更高的容量，幾項(xiàng)主要應(yīng)用于下一代數(shù)據(jù)中心的技術(shù)被提出，例如密集波分復(fù)用技術(shù)、直接檢測(cè)的高階正交幅度調(diào)制(QAM，Quadrature Amplitude Modulat1n)技術(shù)和模分復(fù)用技術(shù)。
[0005]密集波分復(fù)用技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個(gè)波長(zhǎng)作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時(shí)傳輸。與通用的單信道系統(tǒng)相比，密集波分復(fù)用技術(shù)極大地提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光纖的帶寬。
[0006]模分復(fù)用技術(shù)是把不同模式的光信號(hào)復(fù)用到一根光纖中進(jìn)行傳送(每個(gè)模式承載一個(gè)電信號(hào))的技術(shù)，可以有效提高傳輸容量。
[0007]QAM技術(shù)是在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式，即數(shù)據(jù)信號(hào)是用相互正交的兩個(gè)載波的幅度變化來(lái)表示的，這兩個(gè)載波通常是相位差為V2的正弦波，因此被稱為正交載波。QAM信號(hào)是由兩路在頻譜上成正交的抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)組成，每一種調(diào)制波形可用空間中的一個(gè)矢量點(diǎn)表示，矢量點(diǎn)有M個(gè)選擇的調(diào)制被稱為M-QAM調(diào)制，其星座圖由M個(gè)矢量點(diǎn)構(gòu)成。直接檢測(cè)高階QAM技術(shù)是利用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)OFDM碼型直接承載高階QAM信號(hào)，同時(shí)利用信號(hào)優(yōu)化技術(shù)提高OFDM信號(hào)的接收靈敏度，接收靈敏度越高，可以實(shí)現(xiàn)的QAM階數(shù)也越高，這些優(yōu)化技術(shù)通常包括峰均功率比(PAPR，Peak-to_Average PowerRat1)降低技術(shù)、提高調(diào)制深度技術(shù)及數(shù)字濾波技術(shù)等。
[0008]數(shù)據(jù)中心互連的成本對(duì)收發(fā)機(jī)電器件的帶寬極為敏感，如何使用低帶寬的器件搭建大容量的系統(tǒng)是目前急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)及方法，通過低帶寬器件結(jié)合模分復(fù)用、密集波分復(fù)用和高階QAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大容量互連系統(tǒng)的搭建，大大降低了互連系統(tǒng)的成本，并且提高了容量擴(kuò)充的靈活性。
[0010]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0011]本發(fā)明涉及一種基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)，包括:若干個(gè)含有強(qiáng)度調(diào)制器陣列和陣列波導(dǎo)光柵的硅基芯片發(fā)射端以及與發(fā)射端相連的模式復(fù)用器以及接收機(jī)構(gòu)，其中:發(fā)射端以多路激光作為光載波并通過強(qiáng)度調(diào)制器陣列進(jìn)行高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，強(qiáng)度調(diào)制器陣列與陣列波導(dǎo)光柵相連并將調(diào)制后的輸出光通過陣列波導(dǎo)光柵并耦合到硅基芯片，經(jīng)模分復(fù)用傳輸后，由接收機(jī)構(gòu)直接檢測(cè)并接收信號(hào)。
[0012]所述的多路激光通過頻率梳發(fā)生器生成，該頻率梳發(fā)生器包括馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM,Mach Zehnder Modulator)和相位調(diào)制器。
[0013]所述的多路激光的多峰梳狀譜的光譜平坦度需要根據(jù)系統(tǒng)的性能及需求限定閾值。
[0014]所述的光載波的波長(zhǎng)是在C波段。
[0015]所述的電信號(hào)，采用但不限于DSP和波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，該波形發(fā)生器及所有其它電器件應(yīng)具有低帶寬特性。
[0016]所述的傳輸，優(yōu)選采用少模光纖或硅基波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。
[0017]本發(fā)明涉及上述系統(tǒng)的通信方法，通過將連續(xù)波激光通過梳狀譜發(fā)生器產(chǎn)生多峰光譜，經(jīng)放大后由波形發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)高階QAM-(FDM電信號(hào)調(diào)制，然后將經(jīng)過調(diào)制的光信號(hào)通過硅基模分復(fù)用器進(jìn)行模分復(fù)用并由少模光纖進(jìn)行傳輸，接收端通過放大濾波并由光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)解調(diào)。
[0018]所述的高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)0FDM-64QAM電信號(hào)調(diào)制，通過物理層實(shí)時(shí)DSP產(chǎn)生;該物理層實(shí)時(shí)DSP通過厄米對(duì)稱的QAM信號(hào)經(jīng)過逆快速傅里葉變換(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)后，再進(jìn)行降峰均功率比和符號(hào)尺度變換優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。
[0019]所述的模分復(fù)用是指:基于硅基光子集成技術(shù)的模式復(fù)用，具體通過硅基模式復(fù)用/解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)。
[0020]所述的高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，通過降峰均功率比和提高調(diào)制器調(diào)制深度實(shí)現(xiàn)，其中:所述的降峰均功率比是指:為了降低非線性效應(yīng)影響及提高調(diào)制深度，一方面，高峰均功率比會(huì)導(dǎo)致信號(hào)峰值進(jìn)入電放大器或調(diào)制器的非線性區(qū)，導(dǎo)致非線性效應(yīng);另一方面，信號(hào)峰均功率比降低后，信號(hào)整體峰峰值下降，而波形發(fā)生器輸出峰峰值固定的信號(hào)，所以信號(hào)得到了整體放大，調(diào)制深度增加；所述的提高調(diào)制器調(diào)制深度是指:利用優(yōu)化技術(shù)，使得所有OFDM符號(hào)的峰峰值均與調(diào)制器的線性區(qū)匹配，從而極大提高信號(hào)的調(diào)制深度。
技術(shù)效果
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明硅基模分復(fù)用技術(shù)，在模分復(fù)用的基礎(chǔ)上結(jié)合密集波分復(fù)用技術(shù)和高階QAM技術(shù)，極大提高了系統(tǒng)總?cè)萘俊１景l(fā)明以低帶寬器件實(shí)現(xiàn)大容量，線速率與信號(hào)源3-dB帶寬的比值，達(dá)到150bit/s/Hz，在該指標(biāo)上超出現(xiàn)有其他光互連技術(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為發(fā)明裝置的原理示意圖；
[0023]圖中:物理層實(shí)時(shí)DSPlOl、波形發(fā)生器102、光源103、頻率梳發(fā)生器104、強(qiáng)度調(diào)制器陣列105、陣列波導(dǎo)光柵106、模式復(fù)用器107、少模光纖108、接收機(jī)109;
[0024]圖2為實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖中:光源1、第一偏振控制器2、馬赫曾德爾調(diào)制器3、相位調(diào)制器4、電放大器5、電放大器6、時(shí)鐘信號(hào)7、電分路器8、電延時(shí)線9、梳狀譜發(fā)生器10、濾波器11、第一摻鉺光纖放大器12、第二偏振控制器13、波形發(fā)生器14、電放大器15、馬赫曾德爾調(diào)制器16、第二摻鉺光纖放大器17、第三偏振控制器18、硅基模分復(fù)用/解復(fù)用器19、功率計(jì)20、耦合器21、可調(diào)光衰減器22、第三摻鉺光纖放大器23、濾波器24、親合器25、第四摻鉺光纖放大器26、光電探測(cè)器27、示波器28和光譜儀29;
[0026]圖3為實(shí)施例中的梳狀譜發(fā)生器輸出的:(a)7個(gè)載波的光譜圖和(b)經(jīng)過濾波后的第4個(gè)載波的光譜圖；
[0027]圖4為實(shí)施例中接受的信號(hào)誤碼率分別隨:(a)第4個(gè)載波有無(wú)模分復(fù)用情況下的接收功率和(b)僅有TEo模式時(shí)7個(gè)載波的波長(zhǎng)的變化情況。
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1所示，本發(fā)明原理示意圖中包括:含有強(qiáng)度調(diào)制器陣列105和陣列波導(dǎo)光柵106的芯片發(fā)射端Unitl?UnitN以及與發(fā)射端相連的模式復(fù)用器107、少模光纖108以及接收機(jī)構(gòu)109，其中:發(fā)射端以頻率梳發(fā)生器104輸出的多路激光作為光載波并通過強(qiáng)度調(diào)制器陣列105進(jìn)行高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，強(qiáng)度調(diào)制器陣列105與陣列波導(dǎo)光柵106相連并將調(diào)制后的輸出光通過陣列波導(dǎo)光柵106并耦合到硅基芯片，經(jīng)模分復(fù)用并由少模光纖或硅基波導(dǎo)的傳輸后，由接收機(jī)構(gòu)109直接檢測(cè)并接收信號(hào)。
[0029]如圖2所述，本實(shí)施例中具體包括以下設(shè)置:
[0030]所述的頻率梳發(fā)生器10包括:依次相連的第一偏振控制器2、馬赫曾德爾調(diào)制器3和相位調(diào)制器4。
[0031]所述的馬赫曾德爾調(diào)制器3和相位調(diào)制器4分別通過同一個(gè)頻率的時(shí)鐘信號(hào)控制，該時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過延時(shí)后輸入相位調(diào)制器4，1GHz的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過電分路器8之后，分成兩路，其中一路經(jīng)由電延時(shí)線9延時(shí)后進(jìn)入相位調(diào)制器的射頻端，另一路直接進(jìn)入強(qiáng)度調(diào)制器的射頻端，相位調(diào)制器和強(qiáng)度調(diào)制器的偏置都在O伏。
[0032]所述的電信號(hào)，通過波形發(fā)生器14生成，該波形發(fā)生器14輸出的電信號(hào)優(yōu)選經(jīng)過電放大器15放大后進(jìn)行調(diào)制。
[0033]所述的馬赫曾德爾調(diào)制器16偏置電壓在調(diào)制曲線的正交點(diǎn)。
[0034]所述的頻率梳發(fā)生器10的輸出端優(yōu)選設(shè)有用于調(diào)整調(diào)制器16輸入光偏振態(tài)的第二偏振控制器13。
[0035]所述的硅基模分復(fù)用/解復(fù)用器19包括4模復(fù)用器和解復(fù)用器，如圖2所示，其中4模復(fù)用器利用硅波導(dǎo)密度與折射率的關(guān)系，把TEo模分成4路，分別耦合出TE1JE2和TE3模，實(shí)現(xiàn)4個(gè)模式的復(fù)用和傳輸，而解復(fù)用器利用相同的原理，把一個(gè)波導(dǎo)里傳輸?shù)?個(gè)模式分離開，實(shí)現(xiàn)解復(fù)用。
[0036]所述的硅基芯片的輸出端優(yōu)選設(shè)有用于監(jiān)測(cè)接收光功率的功率計(jì)20、耦合器21。
[0037]所述的接收機(jī)包括:依次連接的可調(diào)光衰減器22、第三摻鉺光纖放大器23、濾波器24、第四摻鉺光纖放大器26、依次連接的光電探測(cè)器27和示波器28。
[0038]本實(shí)施例通過以下方式實(shí)現(xiàn)通信:光源I產(chǎn)生1547.09nm波長(zhǎng)的連續(xù)波激光，經(jīng)過梳狀譜發(fā)生器10后，通過濾波器濾波之后，產(chǎn)生如圖3所示的7峰光譜，經(jīng)過光譜整形的激光通過摻鉺光纖放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)放大后進(jìn)入第二個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器，被由波形發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)0FDM-64QAM電信號(hào)調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制的光信號(hào)放大后進(jìn)入硅基模分復(fù)用器中，模分復(fù)用后的信號(hào)經(jīng)過摻鉺光纖放大器方法和濾波器濾波之后，進(jìn)入光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在示波器上顯示出來(lái)。
[0039]所述的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)0FDM-64QAM的信號(hào)中的一幀是由1002個(gè)符號(hào)組成的，其中前兩個(gè)符號(hào)用來(lái)同步，每個(gè)符號(hào)由256個(gè)點(diǎn)的快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)ast FourierTransformat 1n)窗口和12個(gè)點(diǎn)的循環(huán)前綴(CP ,Cyclic Pref ix)組成。在前半個(gè)傅里葉變換窗口中，低頻的6個(gè)子載波被用作保護(hù)間隔，高頻的26個(gè)子載波被用來(lái)降低峰均功率比，同時(shí)厄米對(duì)稱被用來(lái)實(shí)現(xiàn)可直接檢測(cè)的信號(hào)。
[0040 ]本實(shí)施實(shí)例的效果如圖4所示。圖4 (a)反映了不經(jīng)過硅基芯片的0FDM-64QAM接收信號(hào)與不同模式接收信號(hào)的誤碼率性能對(duì)比，這五接收信號(hào)中心波長(zhǎng)在1547.09nm?？梢钥闯觯?jīng)過硅基芯片傳輸后，TEO、TE 1、TMO、TMl模式信號(hào)的接收靈敏度分別損失1.2dB，0.5dB，2.8dB and 0.2dB，說(shuō)明該硅基模式復(fù)用/解復(fù)用芯片性能良好。圖4(b)反映了-1OdBm總接收功率下，不同波長(zhǎng)信號(hào)的誤碼性能，當(dāng)接收信號(hào)總功率大于-1OdBm時(shí)，各波長(zhǎng)信號(hào)誤碼率低于前向糾錯(cuò)編碼閾值，說(shuō)明系統(tǒng)的接收靈敏度較高。
[0041]上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)，其特征在于，包括:若干個(gè)含有強(qiáng)度調(diào)制器陣列和陣列波導(dǎo)光柵的硅基芯片發(fā)射端以及與發(fā)射端相連的模式復(fù)用器以及接收機(jī)構(gòu)，其中:發(fā)射端以多路激光作為光載波并通過強(qiáng)度調(diào)制器陣列進(jìn)行高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，強(qiáng)度調(diào)制器陣列與陣列波導(dǎo)光柵相連并將調(diào)制后的輸出光通過陣列波導(dǎo)光柵并耦合到硅基芯片，經(jīng)模分復(fù)用傳輸后，由接收機(jī)構(gòu)直接檢測(cè)并接收信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)，其特征是，所述的模式復(fù)用器通過硅基模分復(fù)用/解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)，該硅基模分復(fù)用/解復(fù)用器包括4模復(fù)用器和解復(fù)用器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)，其特征是，所述的傳輸，采用少模光纖或硅基波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)，其特征是，所述的光載波的波長(zhǎng)是在C波段。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低帶寬器件的大容量通信系統(tǒng)，其特征是，所述的多路激光通過頻率梳發(fā)生器生成，該頻率梳發(fā)生器包括馬赫曾德爾調(diào)制器和相位調(diào)制器。6.一種基于上述任一權(quán)利要求所述系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，將連續(xù)波激光通過梳狀譜發(fā)生器產(chǎn)生多峰光譜，經(jīng)放大后由波形發(fā)生器產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，然后將經(jīng)過調(diào)制的光信號(hào)通過硅基模分復(fù)用器進(jìn)行模分復(fù)用并由少模光纖進(jìn)行傳輸，接收端通過放大濾波并由光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)解調(diào)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)0FDM-64QAM電信號(hào)調(diào)制，通過物理層實(shí)時(shí)DSP產(chǎn)生；該物理層實(shí)時(shí)DSP通過厄米對(duì)稱的QAM信號(hào)經(jīng)過逆快速傅里葉變換后，再進(jìn)行降峰均功率比和符號(hào)尺度變換優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，該強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)0FDM-64QAM的信號(hào)中的一幀是由1002個(gè)符號(hào)組成的，其中前兩個(gè)符號(hào)用來(lái)同步，每個(gè)符號(hào)由256個(gè)點(diǎn)的快速傅里葉變換窗口和12個(gè)點(diǎn)的循環(huán)前綴組成，在前半個(gè)傅里葉變換窗口中，低頻的6個(gè)子載波被用作保護(hù)間隔，高頻的26個(gè)子載波被用來(lái)降低峰均功率比，同時(shí)厄米對(duì)稱被用來(lái)實(shí)現(xiàn)可直接檢測(cè)的信號(hào)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的高階QAM-OFDM電信號(hào)調(diào)制，通過降峰均功率比和提高調(diào)制器調(diào)制深度實(shí)現(xiàn)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述的降峰均功率比是指:為了降低非線性效應(yīng)影響及提高調(diào)制深度，一方面，高峰均功率比會(huì)導(dǎo)致信號(hào)峰值進(jìn)入電放大器或調(diào)制器的非線性區(qū)，導(dǎo)致非線性效應(yīng);另一方面，信號(hào)峰均功率比降低后，信號(hào)整體峰峰值下降，而波形發(fā)生器輸出峰峰值固定的信號(hào)，所以信號(hào)得到了整體放大，調(diào)制深度增加。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述的提高調(diào)制器調(diào)制深度是指:利用優(yōu)化技術(shù)，使得所有OFDM符號(hào)的峰峰值均與調(diào)制器的線性區(qū)匹配，從而極大提高信號(hào)的調(diào)制深度。
【文檔編號(hào)】H04L12/46GK106067859SQ201610566658
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年7月19日
【發(fā)明人】朱慶明, 安韶華, 何宇, 彭繼宗, 劉博宇, 蘇翼凱
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)