摘要
我們報告了一種熱光(guang)學(xue)延遲干涉儀，它能夠解調國(guo)際(ji)電(dian)信(xin)聯盟 C+L 頻段 50-GHz 網格(ge)上的(de)任何 OC-768 DPSK 信(xin)號(hao)。對(dui)于 42.7 Gb/s 的(de)非歸(gui)零 DPSK 信(xin)號(hao)，接(jie)收(shou)器靈敏(min)度(du)達(da)到 -35.5 dBm。
引言
光差分(fen)相移鍵(jian)控（DPSK）是(shi)一(yi)種前景廣(guang)闊的(de)(de)調(diao)制(zhi)(zhi)格(ge)式(shi)，具有高(gao)(gao)接(jie)收(shou)靈敏度、對(dui)高(gao)(gao)速傳輸中(zhong)主要非線性(xing)(xing)效應的(de)(de)高(gao)(gao)耐受(shou)性(xing)(xing)以及對(dui)相干(gan)串擾的(de)(de)高(gao)(gao)耐受(shou)性(xing)(xing)，因(yin)此(ci)最(zui)近(jin)備受(shou)關注。在 DPSK 中(zhong)，數據信(xin)息(xi)由相鄰比特之(zhi)(zhi)間的(de)(de)光相位(wei)差來傳遞。為了直接(jie)檢測 DPSK 信(xin)號(hao)（通(tong)過(guo)傳統(tong)的(de)(de)強度檢測器），需要使用解調(diao)器將(jiang)相位(wei)編(bian)碼信(xin)號(hao)轉換為強度編(bian)碼信(xin)號(hao)。傳統(tong)的(de)(de)解調(diao)器是(shi)基于全光纖設計或平面光波(bo)電(dian)路(lu)設計的(de)(de) 1 位(wei)光學延遲(chi)干(gan)涉儀（1 位(wei) DI）。這(zhe)些設計對(dui)溫(wen)度有內(nei)在敏感性(xing)(xing)。由于需要對(dui) DI 的(de)(de)兩個(ge)光路(lu)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)相位(wei)差進行準確(que)控制(zhi)(zhi)，因(yin)此(ci)需要對(dui) DI 進行準確(que)的(de)(de)溫(wen)度控制(zhi)(zhi)和穩定。在此(ci)，我們(men)報告(gao)了基于自由空間光學設計的(de)(de)耐熱 DI 的(de)(de)演示，該 DI 可在 0~70°C 的(de)(de)溫(wen)度范圍內(nei)解調(diao)國際電(dian)信(xin)聯盟 50-GHz 網格(ge)上(shang)整(zheng)個(ge) C+L 波(bo)段的(de)(de)任何 OC-768 DPSK 信(xin)號(hao)。
熱敏 DI 的設計和特點
該裝置(zhi)基(ji)于自由(you)空間(jian)(jian)光(guang)(guang)學邁(mai)克爾遜干涉(she)儀，其自由(you)光(guang)(guang)譜范圍（FSR）為(wei) 50 GHz，由(you)一個光(guang)(guang)學分(fen)(fen)光(guang)(guang)鏡（BS）和兩(liang)個反(fan)射(she)鏡組成。從(cong)分(fen)(fen)光(guang)(guang)器(qi)左側入射(she)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)束(shu)(shu)分(fen)(fen)成兩(liang)束(shu)(shu)，兩(liang)束(shu)(shu)光(guang)(guang)束(shu)(shu)經兩(liang)面反(fan)射(she)鏡反(fan)射(she)后，在(zai)分(fen)(fen)光(guang)(guang)器(qi)上略微不同的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)（與(yu)輸(shu)入光(guang)(guang)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)不同）相(xiang)互干涉(she)。DI 的(de)(de)(de)(de)兩(liang)條(tiao)光(guang)(guang)路(lu)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)往返差分(fen)(fen)時(shi)延（Δt）滿足：其中 f 20 /( 0 Δt = ps ± M（2f 0），f 0=193.100太(tai)赫茲（國際電聯網格的(de)(de)(de)(de)參考頻率），M 為(wei)小整數。為(wei)了獲得(de)良好的(de)(de)(de)(de)消光(guang)(guang)比(bi)，并(bing)更大限度地減少偏振相(xiang)關頻移，分(fen)(fen)光(guang)(guang)器(qi)（BS）的(de)(de)(de)(de)功率分(fen)(fen)配比(bi)例非常接近 50/50，且 BS 的(de)(de)(de)(de)相(xiang)位(wei)對偏振狀態不敏(min)感(gan)。此外，為(wei)了實現熱(re)特性，在(zai) 0°C 至(zhi) 70°C 的(de)(de)(de)(de)工作溫度范圍內，兩(liang)條(tiao)路(lu)徑之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)長度差小于 10 nm。實現這一目(mu)標(biao)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法是通過熱(re)膨脹系數極低的(de)(de)(de)(de)熱(re)軋卷將反(fan)射(she)鏡與(yu) BS 連接起來。一個光(guang)(guang)路(lu)中的(de)(de)(de)(de)氣(qi)隙約為(wei) 3 毫米。
圖 1. 基于自由空間光學邁(mai)克爾(er)遜干涉儀(yi)的熱輻射探測(ce)器示意圖。
從輸(shu)入(ru)端(duan)口(kou)(kou)到任一輸(shu)出端(duan)口(kou)(kou)的(de)插入(ru)損耗(hao)均小(xiao)于(yu) 1.5 dB。值(zhi)得一提的(de)是(shi)它的(de)外(wai)形小(xiao)巧：27 毫(hao)米(mi) x 27 毫(hao)米(mi) x 10 毫(hao)米(mi)。測(ce)量(liang)到的(de)偏振相關頻(pin)移（PDFS）小(xiao)于(yu) 0.3 GHz。采用熱(re)(re)設計時，從 0°C 到 70°C 的(de)頻(pin)率漂(piao)移小(xiao)于(yu) ±0.75 GHz。這相當(dang)于(yu) ~0.02 GHz/°C 的(de)溫度依賴性，比傳(chuan)統 DIs 小(xiao) 50 倍以上。圖 2 顯示了在 0°、30° 和 70°C 溫度條件下，熱(re)(re) DI 的(de)構造端(duan)口(kou)(kou)在 C+L 波(bo)段上的(de)傳(chuan)輸(shu)曲(qu)線。消光比大于(yu) 25 dB。在 0~70°C 的(de)溫度范(fan)圍內(nei)，測(ce)量(liang)到的(de)整個 C+L 波(bo)段與 ITU 的(de)頻(pin)率偏移（max）也小(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(wei)隨機比特流（PRBS）。參(can)考 1 位(wei) DI 的(de)差分延遲為 23.4 ps，PDFS 小于 0.5 GHz，消(xiao)隱比大于 25 dB。圖 3 顯示了(le)用平衡接收(shou)器測量到的(de) 42.7 Gb/s NRZDPSK 信號的(de)眼圖，該信號由 1 位(wei) DI（設置(zhi)在最佳溫度下(xia)）和熱(re) 20ps-DI 解(jie)調。
使用(yong) 20ps-DI 獲(huo)得(de)的(de)(de)(de)(de)眼圖與(yu)使用(yong) 1 位 DI 獲(huo)得(de)的(de)(de)(de)(de)眼圖顯(xian)示了(le)幾乎相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)開眼情(qing)況。圖 4 顯(xian)示了(le)使用(yong)光學預放大接收器的(de)(de)(de)(de)相應(ying)誤碼率性能。熱敏 DI 的(de)(de)(de)(de)性能與(yu)溫控 1 位 DI 基本相同(tong)(tong)。我們的(de)(de)(de)(de)仿真結果表明，對于 NRZ-DPSK 而言，20ps-DI 的(de)(de)(de)(de)比(bi)特周期與(yu) ?t 之間(jian)的(de)(de)(de)(de)完美匹配所造成的(de)(de)(de)(de)損失約為 0.2 dB。與(yu) 1 位 DI 相比(bi)，測(ce)量的(de)(de)(de)(de)懲(cheng)罰較(jiao)(jiao)小，這(zhe)可(ke)能是因為其 PDFS 較(jiao)(jiao)小。
圖 2. 在 0°、30° 和 70°C 溫度條件下，50-GHz 全熱 DI 的構造(zao)端口測(ce)量到的傳(chuan)輸曲(qu)線。
圖 3. 經 1 位解(jie)(jie)調器(qi)（左(zuo)）和熱 20ps 解(jie)(jie)碼器(qi)（右(you)）解(jie)(jie)調的 42.7 Gb/s NRZDPSK 信號的實(shi)測(ce)眼圖。
圖 4. 42.7 Gb/sNRZ-DPSK 信(xin)號的(de)實測誤碼率性能。
圖 5 顯示了 1551.72 nm 波長下的光信噪比(bi)（OSNR）損失（BER=6x10-5 時）與溫度的關系(xi)。圖 7 顯示了溫度為 35°C 時 C 波段 42.7-Gb/s NRZ DPSK 信號的 OSNR 值。整個 C 波段的 OSNR 要求僅在±0.3 dB 范圍(wei)內變化。鑒(jian)于 L 波段的頻率(lv)漂移同(tong)樣很小，如圖 3 所(suo)示，我們預計(ji)熱(re) DI 在 L 波段也(ye)會有(you)類似的性能。
圖(tu) 5. 使用熱(re) 20ps-DI 測量的 42.7 Gb/s NRZ-DPSK 信號的 OSNR 值與溫度的關(guan)系。
圖 6. 測量到(dao)的(de) C 波段 42.7 Gb/s NRZDPSK 信(xin)(xin)號的(de) OSNR 損耗。信(xin)(xin)道使用波形計設(she)置在(zai) ITU 網格上。
結論
我們已經展示了一種熱(re)光學延遲干涉儀，它能夠解調(diao)符(fu)合國際電信聯盟標(biao)準的 OC-768NRZ-DPSK 信號，在 0~70°C 的溫度范圍內，損耗(hao)可以忽略不計。這(zhe)種 DPSK 解調(diao)器結構簡(jian)單、緊湊，而且無需溫度控制和(he)穩(wen)定(ding)，對于(yu)可靠和(he)經濟有效率的產品實(shi)施具有吸(xi)引力(li)。
