高级调制格式高级调制格式 Advanced Modulation FormatsAdvanced Modulation Formats余宇yuyumail.hust.edu.cn2013-3-27Outline 高级调制格式高级调制格式? 背景介绍? 调制二进制调制和高阶调制? 调制：二进制调制和高阶调制? 解调：直接探测和相干探测? 解调：直接探测和相干探测2背景介绍背景介绍2007年报道年报道RZ-DQPSK格式，格式，50GHz间隔，间隔，85.4Gb/s，偏振复用，偏振复用，160信道，总速率信道，总速率25.6Tb/s，光谱利用率，光谱利用率3.2b/s/Hz 2010年年3月份报道：月份报道：69Tb/s,240km, 432*171Gb/s，25GHz, 6.4 b/s/Hz , 16 QAM2011年报道：年报道： 7芯芯x160个个WDM波长波长x2偏振偏振x53.5Gbit/s，共计，共计112Tbit/s传输传输76.8km实验实验2012年年OFC PDP报道：报道：305Tb/s 10.1 km， using 19-SDM, 100-WDM PDM-QPSK光纤通信系统容量量化：比特率传输距离积：BL积 ? BL=比特率（bit/s）* 传输距离（km）如何增大B和L？Modulation & MultiplexingDWDMGain bandwidth of optical amplifiers1660 nm16401620160015801560154015201500146014401480Fluoride EDFA 62 nmEDFA 52 nmEDFA 47 nmFluoride EDFA 62 nmTellurite EDFA 76 nmTDFA 37 nmTDFA 35 nmTDFA 35 nm Raman + Fluoride EDFA 80 nmDist. Raman + Fluoride EDFA 83 nmRaman + TDFA 53 nmRaman 18 nm Raman 40 nmRaman 100 nm1660 nm16401620160015801560154015201500146014401480Raman 100 nmRaman 132 nmC-BandL-BandS-BandU-BandE-Band0EExoutyout=? ? ? ?几个基本概念几个基本概念Outline 高级调制格式高级调制格式? 背景介绍? 调制二进制调制和高阶调制? 调制：二进制调制和高阶调制? 解调：直接探测和相干探测? 解调：直接探测和相干探测12光学调制ASKFSKPSKPolSKASKFSKPSKPolSKASK：Amplitude shift keying FSK: Frequency shift keying PSKPhhift kiPSK: Phase shift keying PolSK: Polarization shift keying光学调制Direct modulation (DML) & External modulation电吸收调制器EAM相位调制器 Phase modulator （PM） 其他调制器：MZM、IQ调制器等Electro-absorption modulator：EAM费郎兹-凯尔德修效应 ：Franz-Keldysh effect 量子约束斯塔克效应： Quantum-confined Stark effect A change in the absorption spectrum caused by an applied electric field,A change in the absorption spectrum caused by an applied electric field, which changes the band-gap energy thus the photon energy of an absorption edge. 当调制器无偏压使，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上偏压制偏使束状输率着制偏 的增加，MQW的吸收边界波长向长波长移动，原光束波长吸收系数变大， 调制器变为阻断状态，输出功率最小。?响应速度快?响应速度快 ?偏置电压低 ?易于和光源集成：EML ?反向加载?反向加载 ?适用于40Gb/s以下的系统P224Phase modulatorPMPhase modulator：PM 当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化 时，称为线性电光效应，即普克尔（Pockels）线性光效即普克 效应。目前，普科尔效应是制作光调制器应 用最广泛的物理效应。 材料： LiNbO3、InP、Polymer、Si材料：bO3、 o ye 、S 在LiNbO3中，如果电场E加在沿晶体Z轴的方 向，则其折射率改变引起的相位变化关系为：3 331 2rznn r E = VV=333 332 2rzrnLVLn rd = 3 33rd dVn r L =Commercially available LiNbO3 amplitude modulator has a V from 4 to 6 V.MZM构成LiNbO3型MZM是由两个LiNbO3相位调制器构成。3型是由两个3相位调制器构成输入光波在一个Y分支处被分为功率相等的两束，分别通过两路光波 导（相位调制器）传输。 两束光到达第二个Y分支处的相位差不同，通过控制相位差，发生相两束光到达第个 分支处的相位差不同通过控制相位差发相 消或者相涨干涉，对光信号进行调制。分为单臂驱动和双臂驱动。其中双臂驱动应用的最广泛。分为单臂驱动和双臂驱动其中双臂驱动应用的最广泛0( )cjt inEtE e=MZM工作原理上臂相移为 ( ) tV=下臂相移为11( ) tVV=下臂相移为22( ) tVV=设输入光电场为Ein，则经过MZM后输出信号为：( )Et+1212121212( )( )( )cosexp()222 ()()( )jjin outinEtEteeEtjVVVVEj+=+=+1212()()( )cosexp22inEtjVV=MZM工作原理()()VVVV+1Vpi maximum transmissionCMZM传输曲线传输曲线1212()()( )( )cosexp22outinVVVVEtE tjVV+=0.60.8transmissionquandraturepointB212()( )( )cos 2outinVVPtP tV= 00.20.4optical tminimum A2V02468101214161820 voltage(v)transmissionAV2=0时为单驱动时为单驱动V1-V2Modulation formats幅度调制格式相位调制格式NRZ：Non-return-to-zero RZ: Return-to-zero CSRZ: Carrier suppressed RZB(D)PSK: Binary (Differential) phase shift keying NRZ-DPSK, RZ-DPSK, CSRZ-DPSK CSRZ: Carrier-suppressed RZDQPSK: Differential Quadrature phase shift keying NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK, CSRZ-DQPSK利用MZM产生各种二进制调制格式1data upbias upVVV=+1212()()( )( )cosexp22outinVVVVEtE tjVV+=2data lowbias lowVVV=+( )( )p22outinjVV2data lowbias low上下两臂可分别加载数据调制电压和偏置电压，每一臂上的总电压等于这两者 之和之和。数据驱动电压：输入电信号提供。一般把一路数据信号等分成两路，其中一路 反向分别作为上下两臂的驱动电压反向，分别作为上下两臂的驱动电压。 偏置电压：由直流电源分别给上下两臂提供偏置电压，一般也是一路分成两路， 其中一路反向，分别作为上下两臂的偏置电压。数据驱动电压和偏压NRZ格式产生111 110 0 000产生NRZ信号只需要用到一个MZM调制器NRZ是当前应用得最多的调制格式 应用简单、成本低，技术成熟， 光谱宽度较窄广泛应用于DWDM系统中光谱宽度较窄，广泛应用于DWDM系统中。数据反向加载数据正向加载数据反向加载数据正向加载RZ格式的产生：Pulse caving产生RZ信号需要用到两个MZM调制器。由第一个MZM产生的光NRZ信号，在第二个MZM中被正弦电时钟信号调制，即得到光RZ信号。 可以理解为NRZ信号与正弦信号发生逻辑“与”运算，这一过程又形象地称为“斩波”。NRZ不同占空比的时钟信号相“与”即得到不同占空比的RZ信号NRZ不同占空比的时钟信号相“与”，即得到不同占空比的RZ信号。RZ应用也比较多 非线性容忍度高，有利于时钟恢复，光谱宽度较宽，时域波形窄，应用于OTDM系统中。不同占空比RZ格式的产生1 11 110 0 001 1 1 1 1 0 0 00时钟信号不同加载方式时钟信号不同加载方式NRZ-DPSK格式的产生基于PM最简单的NRZ DPSK产生方法 最简单的NRZ-DPSK产生方法。 直接用NRZ电信号去驱动PM。电NRZ为0时，无相位改变， 电NRZ为1时，相位为。 啁啾大不适合长距离传输 啁啾大，不适合长距离传输。VV=00VVVV =NRZ-DPSK产生基于MZM 利用双驱MZM，产生NRZ-DPSK信号。 较复杂，无啁啾。传输特性好。实际传输中均用 此方法来产生。121212()()( )( )cosexp22outinbiasVVVVEtEtjVVVVVV+= =+ 12120bias VV += ()0( )( )cosexpbiasVVEtEtj+=i( )( )cosexp22outinEtEtjVV=(0)(0)0( )( )cosexp( )exp( 0)tiiVEtEtjEtj=0bV=0( )( )cosexp( )exp( 0)22(2)(0)2( )( )cosexp( )exp( 0)( )exp()22outininoutinininVEtEtjEtjVVVVVEtEtjEtjEtjVV = =0biasVNRZ-DPSK产生理想情况：方波上升、下降时间为理想情况：方波上升、下降时间为0实际情况：方波上升、下降时间有限实际情况：方波上升、下降时间有限RZ-DPSK格式的产生产生RZ-DPSK信号需要用到两个MZM调制器。由第一个MZM产生的光NRZ-DPSK信号，在第二个MZM中被正弦电时钟信号调制，即得到光RZ- DPSK信号。 可以理解为NRZ-DPSK信号与正弦信号发生逻辑“与”运算，这一过程又形象地称为“斩波”。NRZ-DPSK不同占空比的时钟信号相“与”，即得到不同占空比的RZ-DPSK信号。与RZ情况类似， 可以得到33%RZ-DPSK、50%RZ-DPSK、66%RZ-DPSK（CSRZ-DPSK）。二进制相位调制：差分编码二进制相位调制：差分编码差分编码规则 （差分编码规则 （BPSK-D(B)PSK）?先设一参考位。绝对码如果是“1”，相对码的这一比 特和前面相邻比特位相反绝对码如果是“0”相