若您对半导体/光器件/光模块/光纤通信等感兴趣
请关注我们！
光系统最开始是基于一种简单的数字调制方案，即开关键控或 OOK。在这种方案中，二进制电子比特流在光发射器内对光载波的强度进行调制。由此产生的光信号通过光纤链路传输后，直接落在光接收器上，光接收器将其转换为电域中的原始数字信号。
这种方案也被称为直接检测强度调制（IM/DD）。
在无线电和微波通信系统中，许多其他方案都是通过调制载波的振幅和相位来传输信息的。虽然在 20 世纪 80 年代就有人考虑在光系统中使用这种调制格式，但直到 2000 年之后，光载波的相位调制才重新引起人们的关注，其主要原因是相位调制具有提高波分复用系统频谱效率的潜力。
这种相位编码调制的动机有两个。首先，与直接探测相比，采用适当的设计可以提高光学接收器的灵敏度。其次，基于相位的调制技术可以提高波分复用系统的光谱效率，从而更有效地利用光纤带宽。
光载波的振幅和相位都可用于对需要传输的信息进行编码。在 IM/DD 系统中，采用的是二进制振幅偏移键控（ASK）格式，即载波的峰值振幅（或强度）取两个值，其中一个接近零（也称为 OOK 格式）。下面我们就来看看现代光系统中使用的基于相位的高级调制格式。
1. 光信号编码
与光载波相关的电场 E(t) 的形式为
其中e>是偏振单位矢量，a 是振幅，φ 是相位，以及ω0是载波频率。将复相量引入为 A = A = aeiφ，就可以构建一个星座图，其中 A 的实部和虚部分别沿 x 轴和 y 轴绘制。就 OOK 格式而言，这样的图在实轴上有两个点，表示每当传输一个比特 1 时，只有振幅 a 从 0 变为 a1（相位不变）。
最简单的 PSK 格式是光载波的相位取两个不同的值（见下图），通常选择 0 和 π。相干检测是这种格式的必要条件，因为如果不先将光信号与本地振荡器相干混合，而直接检测光信号，则会丢失所有信息。在给定的比特率 B 下，使用 PSK 格式要求光载波的相位在比特持续时间（Tb = 1/B）长得多的时间内保持稳定。这一要求对激光器和本地振荡器的可容忍光谱线宽提出了严格的条件，尤其是在比特率相对较小时。
通过使用 PSK 格式的一种变体，即差分 PSK 或 DPSK，可以大大放宽相位稳定性要求。在 DPSK 的情况下，信息通过两个相邻比特之间的相位差进行编码。如果只使用两个相位值（差分 BPSK 或 DBPSK），则相位差 Δφ = φk – φk-1 将根据第 k 比特是 1 比特还是 0 比特而变化为 π 或 0。DPSK 格式的优势在于，只要载波相位在两个比特的持续时间内保持相对稳定，就能成功解调接收信号。
BPSK 格式不能提高频谱效率，因为它只采用两个不同的载波相位值。如果允许载波相位取四个不同的值，通常选择 0、π/2、π 和 3π/2，就可以同时传输两个比特。这种格式称为正交 PSK（QPSK），其差分版本称为 DQPSK。下图（a）用星座图显示了 QPSK 格式，有助于理解如何同时传输两个比特。如图所示，我们可以将两个比特的四种可能组合，即 00、01、10、11，以独特的方式分配给载波相位的四个值。因此，在使用 QPSK（或 DQPSK）格式时，比特率实际上降低了一半。
有效比特率称为符号率，以波特为单位。在这个无线电和微波通信领域广为人知的术语中，相位值代表传输的 “符号”，符号数 M 代表字母表的大小。符号率 Bs 与比特率 B 的关系很简单，即 B = log2(M)Bs。
因此，如果在 Bs = 40 Gbaud 时采用 M = 4 的 QPSK 格式，则信息传输速率为 80 Gb/s，从而使波分复用系统的频谱效率提高了两倍。当然，如果使用所谓的 8-PSK 格式，采用 8 个不同的载波相位值，比特率将提高三倍。上图 (b) 8-BPSK显示了这种情况下每个符号分配 3 比特的情况。
如果还允许信号的振幅从一个符号到下一个符号发生变化，则可以设计出更为复杂的调制格式。如上图（d）所示，振幅可以有两种可能的值，每种振幅有四种可能的相位。另一个例子如上图（c）所示，16 个符号位于一个正方形网格上，可同时传输 4 个比特。这种调制格式被称为 16-QAM，其中 QAM 代表正交振幅调制。使用 QAM 调制方案可以让数据速率达到400 Gbps或更高。QAM信号的调制和解调更加复杂，要比其他制式的成本要高。
显然，在给定比特率下，这种方法可以通过增加符号数 M 来进一步降低符号率。需要强调的是，上图中对各种符号的比特组合分配并不是任意的。一种被称为 “格雷编码”（Gray coding）的编码方案将不同的比特组合映射到不同的符号上，使得在星座图中相隔距离最短的两个相邻符号之间只有一个比特发生变化。如果不采用格雷编码，单个符号错误会产生多个比特的错误，从而导致系统误码率增加。
通过利用光载波的偏振态（SOP），可将频谱效率进一步提高两倍。在偏振分复用（PDM）的情况下，每个波长用于以原始比特率的一半传输两个正交偏振比特流。这种方案能够奏效似乎令人惊讶，因为信道的 SOP 在光纤内并不是固定不变的，而是会因双折射波动而随机变化。
不过，我们不难发现，只要每个波长的两个 PDM 信道在整个链路长度上保持接近正交偏振，就能成功采用 PDM。这只有在整个链路长度上 PMD 和非线性去极化的影响相对较小的情况下才能实现。如果在接收器上采用相干检测，就有可能通过适当的极化分集方案来分离两个 PDM 信道。QPSK （或 DQPSK）与 PDM 的结合可将符号率降低到实际比特率的四分之一，从而将频谱效率提高 4 倍。这种双偏振 QPSK 格式很有吸引力，因为 100-Gb/s 信号可在为传输 10-Gb/s 信号而设计、信道间距为 50-GHz 的光纤链路上传输，到 2010 年已用于商业系统。
还有一个设计问题需要解决。在纯相位编码信号的情况下，如上图（a）所示的 QPSK 格式，当采用 NRZ 格式时，数据流的振幅或功率最初是随时间不变的，因为每个符号都占据了分配给它的整个时隙。这种情况有两种影响。
- 首先，进入每个信道的平均功率大大增加，这在一般情况下是不可取的。
- 其次，在数据流通过光纤传输的过程中，各种色散效应和非线性效应会引起随时间变化的功率变化，从而影响系统性能。
另一种方法是采用一种调制格式，在这种格式中，所有符号时隙都包含一个光脉冲，其相位随传输数据的变化而变化。在数据传输所采用的格式（如 RZ-DQPSK）前加上 RZ 就表示这种情况。
2. 振幅和相位调制器
任何 PSK 格式的实现都需要一个外部调制器，该调制器能够通过一种称为电折射的物理机制，根据施加的电压改变光学相位。任何具有正确方向的电光晶体都可用于相位调制。实际应用中通常使用 LiNbO3 波导。波导内发生的相移 δφ 与折射率变化 δn 的简单关系式为：δφ = （2π/λ）（δn）lm其中，λ 是输入光的波长，lm 是调制器的长度。指数变化 δn 与外加电压成正比。因此，通过施加所需的电压，可以对光载波施加任何相移。
在大多数实际情况下，还需要一个振幅调制器。它可用于将 DFB 激光器的 CW 连续信号转换为 RZ 脉冲序列。它还可用于同时调制入射光的振幅和相位。常见的设计采用马赫-泽恩德（MZ）干涉仪，将电压引起的相移转换为输入信号的振幅调制。
下图展示了 LiNbO3 MZ 调制器的设计示意图。
输入场 Ai 在一个 Y 结处被分成两个相等的部分，通过在构成 MZ 干涉仪两臂的两个波导上施加电压，对它们施加不同的相移后，再由另一个 Y 结处重新组合。通常用 φj(t) = πVj(t)/Vπ 表示这些相移，其中 Vj 是施加在第 j 个臂（j = 1，2）上的电压，Vπ 是产生 π 相移所需的电压。这个参数对于任何LiNbO3调制器都是已知的，通常在 3 ~ 5 V 之间。
调制器的传递函数很容易得到，其形式为：
这表明，MZ 调制器对入射光的振幅和相位都有影响。如果我们在两个臂上选择电压，使 V2(t) = – V1(t) + Vb（其中 Vb 是一个恒定的偏置电压），那么它就可以作为一个纯粹的振幅调制器，因为 φ1 + φ2 会减小为一个常数。在这种情况下，调制器的功率传递函数形式为：
如果在两个臂上施加相同的电压，使φ1 = φ2，则这种 MZ 调制器可以作为纯相位调制器，只改变输入信号的相位，改变量为φ1(t)。
虽然单个 MZ 调制器可以通过适当选择臂电压 V1 和 V2 同时改变输入光的振幅和相位，但它不能独立调制两个正交调制。一个正交调制器可以解决这个问题，它由三个 MZ 调制器嵌套而成，如下图所示，外 MZ 干涉仪的每个臂都包含自己的 MZ 调制器。通过适当选择外加电压，可以覆盖星座图中的整个复平面。
以 QPSK 调制格式为例。在这种情况下，两个内部 MZ 调制器在所谓的推挽模式下工作，即 φ2 = – φ1。此外，电压的变化使得传递函数 tm 取值为 ±1，对应于 0 和 π 两种相移，具体取决于传输的数据位。外调制器的偏置使其两臂信号之间产生恒定的 π/2 相移。因此，输出有四种可能的相移，分别为：
对应的四个相位值分别为 π/4、3π/4、5π/4 和 7π/4，适用于创建 QPSK 调制的数据流。当两个内部 MZ 调制器由经过差分编码的电信号驱动时，也可使用这种调制器创建 DQPSK 符号流。
End
………………………………………………