基于VCSEL實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)OFDM光信號(hào)在MMFs中的傳輸

舒 暢，高志軍，涂建華，瞿福琪

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

基于VCSEL實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)OFDM光信號(hào)在MMFs中的傳輸

舒 暢，高志軍，涂建華，瞿福琪

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在使用未冷卻直調(diào)3.63 GHz垂直腔面發(fā)射激光器的簡(jiǎn)單強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)系統(tǒng)中，首次證明在800 m OM2多模光纖上采用正交頻分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行64 QAM（正交幅度調(diào)制）編碼實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)通信，傳輸速度為11.25 Gb/s，功率損失＜1 dB。

光纖通信，垂直腔面發(fā)射激光器，多模光纖，光正交頻分復(fù)用

0 引言

對(duì)高傳輸帶寬不斷呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的需求是局域網(wǎng)（LAN）正面臨的主要挑戰(zhàn)。眾所周知，大量的現(xiàn)有局域網(wǎng)都是基于傳統(tǒng)的多模光纖，使用的是10 GBASE-LRM（10GBASE-LX4）標(biāo)準(zhǔn)。速度為10 Gb/s的最大多模光纖（MMF）傳輸距離不超過(guò)220 m（300 m）［1］。從系統(tǒng)性能和成本效益來(lái)看，高速的單波長(zhǎng)傳輸更傾向于將現(xiàn)有的基于多模光纖的局域網(wǎng)傳播速度從1 Gb/s提升為10 Gb／s。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，先后提出了多種技術(shù)方案，其中包括模場(chǎng)匹配中心發(fā)射［2］和空間光調(diào)制［3］。然而這些技術(shù)過(guò)于依賴(lài)于系統(tǒng)，而且如果要在未來(lái)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用就必須應(yīng)對(duì)諸多重要而艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

光正交頻分復(fù)用技術(shù)（OOFDM）有超強(qiáng)的耐微分模延遲（DMD），自適應(yīng)和高效利用信道光譜特性等先天優(yōu)勢(shì)以及巨大的應(yīng)用成本效益潛力，適應(yīng)于未來(lái)發(fā)展，前景光明。在占比為99.5%的已安裝傳統(tǒng)多模光纖中，不論發(fā)射條件還是運(yùn)行的相關(guān)損害［4-5］，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)支持300 m以上＞50 Gb／s傳輸都有巨大潛力。此外，為了進(jìn)一步降低OOFDM收發(fā)器的成本，在OOFDM收發(fā)器中使用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）作為強(qiáng)度調(diào)制器應(yīng)用價(jià)值很高。除了低閾值、低成本和低功耗，VCSEL還具有很多特性，如可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，便于包裝和測(cè)試等［6-7］。此外多波長(zhǎng)和多維度的VCSEL陣列還能在進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性方面節(jié)約成本。需要克服的重大挑戰(zhàn)就是VCSEL的調(diào)制帶寬過(guò)低，MMF頻率響應(yīng)過(guò)窄，而這兩者都可以通過(guò)利用具有高效光譜特性和自適應(yīng)能力的OOFDM調(diào)制技術(shù)得以克服［7］。

最近，有報(bào)道稱(chēng)VCSEL已被應(yīng)用于1 000 m OM4多模光纖［8］的OOFDM信號(hào)調(diào)制中。然而，測(cè)量都采用的是離線(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）方式，這種方法并沒(méi)有考慮到為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)傳輸而采用的DSP硬件的精度和速度限制。通過(guò)突破性的實(shí)驗(yàn)演示證明使用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)（IMDD）在超過(guò)25 km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）［7，9］以及500 m的多模光纖［5］中利用直接調(diào)制DFB激光器（DMLS）和垂直腔面發(fā)射激光器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)11.25 GB/s OOFDM傳輸。本文中，第一次陳述了一種可行性即在運(yùn)用IMDD將具有未冷卻、低成本、低調(diào)制帶寬特性的VCSEL強(qiáng)度調(diào)制器與已研發(fā)的能在800 m OM2多模光纖中達(dá)到11.25 Gb/s傳播速度的實(shí)時(shí)OOFDM收發(fā)器一起結(jié)合的具體應(yīng)用。

1 實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)置

圖1顯示了實(shí)時(shí)OOFDM發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的具體體系結(jié)構(gòu)以及基于VCSEL并使用50／125 μm OM2多模光纖的IMDD連接。在文獻(xiàn)［5，9-11］中也完整描述了基于可編程門(mén)陣列（FPGA）的收發(fā)器架構(gòu)及其功能包括在線(xiàn)性能監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化和符號(hào)同步。

圖1 點(diǎn)到點(diǎn)實(shí)時(shí)OOFDM收發(fā)器架構(gòu)多模光纖傳輸系統(tǒng)

在發(fā)射機(jī)中生成了84位并行編碼流的偽隨機(jī)數(shù)據(jù)用于64-QAM編碼，以及用于信道估計(jì)均衡［7］的固定6位編碼導(dǎo)頻字。編排組合的90位字最后被映射到15個(gè)平行64-QAM編碼器。最后生成11.25 Gb/s的原信號(hào)比特率（用于4 GS/s數(shù)據(jù)采集和控制（DAC）），其中9 Gb/s可用于攜帶用戶(hù)數(shù)據(jù)，同時(shí)在收發(fā)器設(shè)計(jì)中每個(gè)OOFDM符號(hào)采用了長(zhǎng)度每位2 ns的循環(huán)前綴。

從DAC輸出端口出現(xiàn)的實(shí)值、無(wú)符號(hào)OFDM電信號(hào)經(jīng)過(guò)可變電衰減器調(diào)整產(chǎn)生了振幅為～286mVpp的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由驅(qū)動(dòng)信號(hào)與5.16 mA最佳直流偏置電流結(jié)合產(chǎn)生的電OFDM信號(hào)被直接用來(lái)1 550 nm處調(diào)制3.63 GHz調(diào)制帶寬的單模光纖尾纖激光器。除了提高光信號(hào)功率，可變光衰減器還被用來(lái)調(diào)整光信號(hào)功率，其中最大光功率為～2.24 dBm。光信號(hào)通過(guò)模式調(diào)節(jié)跳線(xiàn)被發(fā)射到多模光纖連接中。

在接收端，一個(gè)12 GHz，-17 dBm的多模光纖尾纖線(xiàn)性PIN探測(cè)器將直接檢測(cè)接收到的光信號(hào)。而從PIN處得到的輸出電信號(hào)被放大到一個(gè)能提供合適振幅的最佳水平，然后通過(guò) ADC（4 GS/s@8-bit）進(jìn)行數(shù)字化處理，類(lèi)似于文獻(xiàn)［9-10］中提及的程序步驟，其中只選取15個(gè)攜帶數(shù)據(jù)的子載波用于信道估計(jì)，信道均衡和數(shù)據(jù)恢復(fù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2（a）顯示了800 m多模光纖連接的系統(tǒng)頻率響應(yīng)，測(cè)量工作從發(fā)射機(jī)的IFFT輸入開(kāi)始直到接收機(jī)中的FFT輸出。圖2中各曲線(xiàn)功率歸一化至125 MHz第一子載波?？梢杂^察到在整個(gè)信號(hào)的頻譜中存在一個(gè)～11.74 dB的響應(yīng)滾降，這主要是由于：①DAC的片上輸出濾波和其固有的sin（x）/x響應(yīng)；②垂直腔面發(fā)射激光器的強(qiáng)度調(diào)制非線(xiàn)性以及③多模光纖的DMD效應(yīng)。為了有效補(bǔ)償系統(tǒng)頻率響應(yīng)的滾降影響，這里運(yùn)用了功率自適應(yīng)加載技術(shù)［9，12］。圖2（a）還顯示了在發(fā)射機(jī)中IFFT之前所有的子載波中得到的最佳自適應(yīng)功率負(fù)載分布圖，同時(shí)在接收機(jī)的FFT后獲得相應(yīng)的子載波功率水平被立即記錄并繪制。如圖2（b）所示，接收的子載波功率變化范圍小至6.5 dB，使得所有的子載波中顯示了幾乎均勻的誤差分布，其中可以看到800 m的多模光纖連接的誤差變化小于±7%。

圖2 （a）歸一化發(fā)送和接收的子載波功率和800 m MMFs頻率響應(yīng)；（b）在800 m MMFs系統(tǒng)中64-QAM調(diào)制格式的誤差分布

利用圖2中所示最佳自適應(yīng)功率負(fù)荷曲線(xiàn)，第2部分中提到的VCSEL強(qiáng)度調(diào)制器最佳操作條件以及在800 m和500 m多模光纖中進(jìn)行11.25 Gb/s OOFDM傳輸所測(cè)出的誤碼率顯示在圖3（a）中。可以看到在800 m（500 m）的多模光纖連接中，最小的誤碼率為9.17×10-4（1.12×10-3），在FEC限值為2×10-3時(shí)功率損失＜1 dB。圖3（b～d）顯示了通過(guò)800 m多模光纖連接傳輸后在第1，第8和第15子載波進(jìn)行信道評(píng)估前相應(yīng)的接收功率水平分布圖。圖3（e～g）顯示的分別是針對(duì)500 m和800 m連續(xù)光傳輸信道估計(jì)和均衡后所有子載波的合成分布圖。

圖3（a）中可以看出，500 m多模光纖連接中出現(xiàn)的＜1 dB的功率損失主要?dú)w因于DMDS和模態(tài)噪聲的影響。而在800 m多模光纖連接中，由于增加了傳輸距離，模態(tài)噪聲影響降低而DMD的影響加大。這樣使得得到功率損失與500 m多模光纖傳輸條件下的相應(yīng)數(shù)值非常接近。在上述兩種情況下的功率損失相似性也表明：①在實(shí)驗(yàn)中采用的循環(huán)前綴長(zhǎng)度足夠應(yīng)對(duì)DMD效應(yīng)；②自適應(yīng)功率加載技術(shù)在提升OOFDM MMF系統(tǒng)性能最大潛力方面所取得的效果，誤幀率降低了5%左右。

圖3（a）在800 m和500 m MMFs中進(jìn)行64 QAM編碼11.25 Gb/s OFDM光信號(hào)連續(xù)傳輸所測(cè)出的誤碼率。800 m MMFs連接傳輸后在（b）第1，（c）第8和（d）第15子載波進(jìn)行信道評(píng)估前相應(yīng)的接收功率水平分布圖。整個(gè)（f）500m和（g）800m（e）連續(xù)光傳輸經(jīng)過(guò)信道均衡后得到的所有子載波的合成分布圖。

美國(guó)Vixar公司采用光正交頻分復(fù)用技術(shù)生產(chǎn)的可見(jiàn)光及近紅外垂直腔面發(fā)射激光器，發(fā)光效率高、功耗極低、光束質(zhì)量好、易于光纖耦合、可調(diào)變頻率達(dá)GHz，超窄的線(xiàn)寬、極高的光束質(zhì)量、高偏振比、造價(jià)便宜，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)傳感，辦公設(shè)備，生物醫(yī)療及國(guó)防領(lǐng)域。

3 結(jié)論

在簡(jiǎn)單IMDD系統(tǒng)中通過(guò)使用低成本、低調(diào)制帶寬、未冷卻VCSEL作為強(qiáng)度調(diào)制器，從而實(shí)現(xiàn)在超過(guò) 800 m OM2多模光纖中進(jìn)行實(shí)時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)11.25 Gb/s OOFDM信號(hào)傳輸。這項(xiàng)研究表明降低成本OOFDM收發(fā)器應(yīng)用于速度超過(guò)10 Gb/s的多模光纖局域網(wǎng)具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 （a）多模光纖中進(jìn)行11.25 Gb/s OOFDM傳輸?shù)恼`碼率分布圖；圖3（b）800 m MMFs連接傳輸后在第1子載波信道評(píng)估接收功率水平分布圖；圖3（c）在第8子載波信道評(píng)估接收功率水平分布圖；圖3（d）在第15子載波信道評(píng)估接收功率水平分布圖；圖3（e）連續(xù)光傳輸經(jīng)過(guò)信道均衡后得到的所有子載波的合成分布圖；圖3（f）500 m光傳輸經(jīng)過(guò)信道均衡后得到的所有子載波的合成分布圖；圖3（g）800 m光傳輸經(jīng)過(guò)信道均衡后得到的所有子載波的合成分布圖。

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Study of VCSEL-based Real-Time End-to-End 11.25 Gb/s Optical OFDM Signal Transmission in MMFs

SHU Chang，GAO Zhi-jun，TU Jian-hua，QU Fu-qi
（Wuhan Ordnance Non-Commissioned Officer Academy of PLA，Wuhan 430075，China）

11.25 Gb/s 64-QAM-encoded real-time end-to-end optical OFDM transmission over 800 m OM2 MMFs with a power penalty of＜1dB is experimentally demonstrated，for the first time，in simple IMDD systems employing un-cooled directly modulated 3.63 GHz VCSELs.

fiber optic communications，vertical cavity surface-emitting lasers，multimode fibers，optical orthogonal frequency division multiplexing

TN29

A

1002-0640（2015）06-0163-03

2014-04-08

2014-05-21

舒 暢（1966- ），男，安徽潛山人，碩士，副教授。研究方向：指揮系統(tǒng)教學(xué)與研究工作。