摘要
我們報告了一種熱(re)光學延遲干涉儀，它能夠解調國際電信聯(lian)盟 C+L 頻(pin)段 50-GHz 網(wang)格上的任何 OC-768 DPSK 信號(hao)(hao)。對于(yu) 42.7 Gb/s 的非(fei)歸零 DPSK 信號(hao)(hao)，接收器靈敏(min)度達到 -35.5 dBm。
引言
光(guang)(guang)(guang)差(cha)(cha)分(fen)相移鍵控（DPSK）是(shi)一(yi)種前景廣闊的(de)(de)調(diao)制格式(shi)，具(ju)有高(gao)接(jie)收靈敏度(du)、對(dui)(dui)高(gao)速傳(chuan)(chuan)輸中主要非線性(xing)效應的(de)(de)高(gao)耐(nai)(nai)受性(xing)以及(ji)對(dui)(dui)相干串擾的(de)(de)高(gao)耐(nai)(nai)受性(xing)，因此最近備受關注。在(zai) DPSK 中，數據信(xin)息由(you)相鄰比(bi)特之間的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)相位差(cha)(cha)來傳(chuan)(chuan)遞(di)。為了直(zhi)接(jie)檢(jian)測 DPSK 信(xin)號(hao)(hao)(hao)（通過傳(chuan)(chuan)統(tong)的(de)(de)強(qiang)度(du)檢(jian)測器），需(xu)要使用(yong)解(jie)調(diao)器將相位編碼(ma)信(xin)號(hao)(hao)(hao)轉換為強(qiang)度(du)編碼(ma)信(xin)號(hao)(hao)(hao)。傳(chuan)(chuan)統(tong)的(de)(de)解(jie)調(diao)器是(shi)基(ji)(ji)于全光(guang)(guang)(guang)纖設(she)計或平面光(guang)(guang)(guang)波(bo)電路設(she)計的(de)(de) 1 位光(guang)(guang)(guang)學(xue)延遲(chi)干涉儀（1 位 DI）。這些設(she)計對(dui)(dui)溫(wen)度(du)有內在(zai)敏感性(xing)。由(you)于需(xu)要對(dui)(dui) DI 的(de)(de)兩個光(guang)(guang)(guang)路之間的(de)(de)相位差(cha)(cha)進(jin)行準(zhun)確控制，因此需(xu)要對(dui)(dui) DI 進(jin)行準(zhun)確的(de)(de)溫(wen)度(du)控制和穩(wen)定。在(zai)此，我們報(bao)告了基(ji)(ji)于自由(you)空間光(guang)(guang)(guang)學(xue)設(she)計的(de)(de)耐(nai)(nai)熱 DI 的(de)(de)演(yan)示，該 DI 可在(zai) 0~70°C 的(de)(de)溫(wen)度(du)范圍內解(jie)調(diao)國際電信(xin)聯盟 50-GHz 網格上整個 C+L 波(bo)段(duan)的(de)(de)任何 OC-768 DPSK 信(xin)號(hao)(hao)(hao)。
熱敏 DI 的設計和特點
該(gai)裝(zhuang)置(zhi)基于自由(you)空間(jian)光(guang)(guang)(guang)學邁克爾遜干涉儀，其(qi)自由(you)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)范圍(wei)（FSR）為(wei) 50 GHz，由(you)一(yi)(yi)個(ge)光(guang)(guang)(guang)學分(fen)光(guang)(guang)(guang)鏡(jing)（BS）和兩個(ge)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)組成。從分(fen)光(guang)(guang)(guang)器(qi)左側入射(she)(she)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)束分(fen)成兩束，兩束光(guang)(guang)(guang)束經兩面反(fan)射(she)(she)鏡(jing)反(fan)射(she)(she)后(hou)，在分(fen)光(guang)(guang)(guang)器(qi)上略微不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)（與輸入光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)不(bu)同(tong)）相互(hu)干涉。DI 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩條光(guang)(guang)(guang)路(lu)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)往返差分(fen)時延（Δt）滿足：其(qi)中(zhong) f 20 /( 0 Δt = ps ± M（2f 0），f 0=193.100太赫茲(zi)（國際電聯(lian)網格的(de)(de)(de)(de)(de)(de)參考頻率），M 為(wei)小整數(shu)。為(wei)了獲得良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)消光(guang)(guang)(guang)比，并更大限度(du)地減少(shao)偏(pian)振(zhen)相關頻移，分(fen)光(guang)(guang)(guang)器(qi)（BS）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)功率分(fen)配比例非常(chang)接近 50/50，且 BS 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相位對偏(pian)振(zhen)狀(zhuang)態不(bu)敏感。此外(wai)，為(wei)了實現(xian)熱(re)特性，在 0°C 至 70°C 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)工作(zuo)溫度(du)范圍(wei)內，兩條路(lu)徑之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)差小于 10 nm。實現(xian)這一(yi)(yi)目標(biao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法是通過熱(re)膨脹系數(shu)極低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)軋卷(juan)將反(fan)射(she)(she)鏡(jing)與 BS 連接起(qi)來(lai)。一(yi)(yi)個(ge)光(guang)(guang)(guang)路(lu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氣隙(xi)約為(wei) 3 毫米。
圖 1. 基于自(zi)由空間光學邁克(ke)爾遜(xun)干涉(she)儀(yi)的熱輻射(she)探(tan)測器示意圖。
從(cong)輸入端(duan)(duan)口(kou)到(dao)(dao)任一(yi)輸出端(duan)(duan)口(kou)的(de)(de)(de)(de)插入損(sun)耗均小(xiao)于(yu) 1.5 dB。值得一(yi)提(ti)的(de)(de)(de)(de)是它的(de)(de)(de)(de)外形小(xiao)巧：27 毫米(mi) x 27 毫米(mi) x 10 毫米(mi)。測(ce)量到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)偏振相關頻移(yi)（PDFS）小(xiao)于(yu) 0.3 GHz。采用熱(re)設計時，從(cong) 0°C 到(dao)(dao) 70°C 的(de)(de)(de)(de)頻率(lv)漂移(yi)小(xiao)于(yu) ±0.75 GHz。這相當于(yu) ~0.02 GHz/°C 的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)依賴性，比傳(chuan)統 DIs 小(xiao) 50 倍以上(shang)。圖 2 顯示了在 0°、30° 和 70°C 溫度(du)(du)條件下(xia)，熱(re) DI 的(de)(de)(de)(de)構造端(duan)(duan)口(kou)在 C+L 波(bo)段上(shang)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)輸曲(qu)線。消光比大于(yu) 25 dB。在 0~70°C 的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)范圍內，測(ce)量到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)整個 C+L 波(bo)段與 ITU 的(de)(de)(de)(de)頻率(lv)偏移(yi)（max）也(ye)小(xiao)于(yu) 0.8 GHz。
實驗結果
為了驗證熱敏 DI 的性能，我們對 OC-768 DPSK 信號進行了接收器靈敏度測量，并與使用溫控 1 位 DI 獲得的結果進行了比較。雖然歸零（RZ）DPSK 是一些創紀錄的大容量長途傳輸所選擇的調制格式，但在緊密濾波傳輸中，非歸零（NRZ）DPSK 顯示出與 RZ-DPSK 相似的性能。我們研究了熱 20ps-DI 對于 NRZ-DPSK 信號的性能。發射器由工作頻率為 193.2 THz 的 DFB 激光器和用于相位調制的雙驅動 LiNbO3 Mach-Zehnder 調制器（MZM）組成。該調制器由 42.7 Gb/s 的 NRZ 電子數據流（假設前向糾錯開銷為 7%）驅動，該數據流是長度為 231 - 1 的(de)偽隨機(ji)比特流（PRBS）。參考(kao) 1 位(wei) DI 的(de)差分延遲(chi)為 23.4 ps，PDFS 小(xiao)于(yu) 0.5 GHz，消(xiao)隱比大于(yu) 25 dB。圖 3 顯示了用平(ping)衡(heng)接(jie)收器測量(liang)到(dao)的(de) 42.7 Gb/s NRZDPSK 信(xin)號(hao)的(de)眼(yan)圖，該信(xin)號(hao)由 1 位(wei) DI（設(she)置在最佳溫度下(xia)）和熱 20ps-DI 解調。
使用(yong)(yong) 20ps-DI 獲得的(de)(de)(de)眼圖與(yu)(yu)使用(yong)(yong) 1 位(wei) DI 獲得的(de)(de)(de)眼圖顯(xian)示(shi)了幾乎相(xiang)同的(de)(de)(de)開眼情況。圖 4 顯(xian)示(shi)了使用(yong)(yong)光學預(yu)放大接(jie)收(shou)器(qi)的(de)(de)(de)相(xiang)應誤碼(ma)率性能。熱敏 DI 的(de)(de)(de)性能與(yu)(yu)溫控 1 位(wei) DI 基本(ben)相(xiang)同。我們的(de)(de)(de)仿真結果表明，對于 NRZ-DPSK 而言，20ps-DI 的(de)(de)(de)比特(te)周期(qi)與(yu)(yu) ?t 之間的(de)(de)(de)完美(mei)匹配(pei)所造成(cheng)的(de)(de)(de)損失約為 0.2 dB。與(yu)(yu) 1 位(wei) DI 相(xiang)比，測量的(de)(de)(de)懲罰較小，這可(ke)能是(shi)因為其 PDFS 較小。
圖 2. 在 0°、30° 和 70°C 溫度條(tiao)件(jian)下，50-GHz 全熱 DI 的(de)構造端口測量到的(de)傳(chuan)輸(shu)曲線(xian)。
圖 3. 經 1 位解(jie)調(diao)(diao)器（左）和熱 20ps 解(jie)碼(ma)器（右）解(jie)調(diao)(diao)的 42.7 Gb/s NRZDPSK 信號的實(shi)測眼(yan)圖。
圖 4. 42.7 Gb/sNRZ-DPSK 信號的實(shi)測誤(wu)碼率(lv)性能。
圖 5 顯(xian)示(shi)了(le) 1551.72 nm 波(bo)(bo)長下的(de)光(guang)信噪比（OSNR）損失（BER=6x10-5 時(shi)）與溫度的(de)關系。圖 7 顯(xian)示(shi)了(le)溫度為(wei) 35°C 時(shi) C 波(bo)(bo)段(duan) 42.7-Gb/s NRZ DPSK 信號的(de) OSNR 值(zhi)。整個 C 波(bo)(bo)段(duan)的(de) OSNR 要求僅在±0.3 dB 范圍內變化(hua)。鑒于 L 波(bo)(bo)段(duan)的(de)頻率漂移同樣很小，如圖 3 所示(shi)，我們預(yu)計(ji)熱 DI 在 L 波(bo)(bo)段(duan)也會有類似的(de)性能(neng)。
圖 5. 使用熱 20ps-DI 測量的(de) 42.7 Gb/s NRZ-DPSK 信(xin)號的(de) OSNR 值與溫度的(de)關系。
圖 6. 測(ce)量到的(de) C 波(bo)段 42.7 Gb/s NRZDPSK 信(xin)號(hao)的(de) OSNR 損耗(hao)。信(xin)道使用波(bo)形計設置(zhi)在 ITU 網格(ge)上。
結論
我們已經展(zhan)示了一種(zhong)熱(re)光學延遲(chi)干涉儀(yi)，它(ta)能夠解調(diao)符合國際(ji)電信聯(lian)盟標準的(de) OC-768NRZ-DPSK 信號，在 0~70°C 的(de)溫度范(fan)圍內(nei)，損耗可以忽略不計(ji)。這種(zhong) DPSK 解調(diao)器結構簡單、緊(jin)湊，而且無需溫度控制和穩定(ding)，對于可靠和經濟(ji)有(you)效率(lv)的(de)產品實施具有(you)吸(xi)引(yin)力。
