新型光接收系統(tǒng)架構(gòu)：應(yīng)用于超大容量低成本的短距光互連

計(jì)紅林，李雪陽，賀志學(xué)，胡衛(wèi)生,2，William Shieh

（1. 鵬城實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所，廣東 深圳 518055； 2. 上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240； 3. 墨爾本大學(xué)電氣與電子工程系，澳大利亞 墨爾本 3010）

0 引言

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和算力中心的廣泛部署支撐起如今繁榮的數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代。為構(gòu)建一體化的新型算力平臺(tái)，國家部署的東數(shù)西算工程將東部算力需求引導(dǎo)到西部數(shù)據(jù)中心[1]，這將極大地增加光網(wǎng)絡(luò)的容量需求。同時(shí)，許多新興互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如移動(dòng)端視頻流服務(wù)、自動(dòng)駕駛、智慧城市等）的出現(xiàn)將進(jìn)一步推動(dòng)短距離光網(wǎng)絡(luò)中的流量增長[2]。根據(jù)電氣電子工程師學(xué)會(huì)（Institute of Electrical an2 Electronics Engineers，IEEE）的以太網(wǎng)路線規(guī)劃圖，800 GE～1.6 TE的通信設(shè)備將在2023年開始商業(yè)化部署并取代目前已廣泛交付的400 GE光通信設(shè)備，成為下一代以太網(wǎng)接口的目標(biāo)交換速率[3]。為了滿足這種快速流量增長的需求，短距離光網(wǎng)絡(luò)需要使用更高速的傳輸鏈路。由于傳輸系統(tǒng)的大規(guī)模部署，收發(fā)機(jī)的成本在短距光互連系統(tǒng)中占據(jù)了最主要的部分，因此，短距光互連系統(tǒng)需要在提升容量的同時(shí)保持低成本的特點(diǎn)。目前，短距離光網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路主要基于傳統(tǒng)的直調(diào)直檢，使用非相干的一維強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)。為了增加光鏈路的傳輸速率，目前較多采用的方案是使用多通道并行傳輸?shù)拇植ǚ謴?fù)用技術(shù)。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的400 GE光通信設(shè)備使用了8個(gè)50 Gbit/s的波長通道。沿用相同的思路，為了實(shí)現(xiàn)下一代800 GE/1.6 TE的接口速率目標(biāo)，新一代通信設(shè)備需要使用更多的波長通道或者增加單個(gè)通道的傳輸速率。然而，堆疊更多的波長通道需要更多的激光器且需進(jìn)行復(fù)雜的波長管理，這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營管理成本的急劇增加。如果單波長使用更高的傳輸速率，將對保持電信號(hào)的完整性帶來巨大的挑戰(zhàn)并會(huì)增加系統(tǒng)鏈路的功率耗散。這些問題的根源在于傳統(tǒng)的直調(diào)直檢只能檢測信號(hào)的強(qiáng)度信息而丟失了相位分集功能，不能實(shí)現(xiàn)高階信號(hào)的調(diào)制和檢測。

因此，提升傳統(tǒng)直調(diào)直檢系統(tǒng)傳輸速率的難題進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了充分利用更多信道維度的重要性，如相位和偏振維度。借助高階調(diào)制信號(hào)，系統(tǒng)可以在增加傳輸速率的同時(shí)降低系統(tǒng)符號(hào)速率和器件帶寬。因此，近年來，在短距光互連系統(tǒng)的研究中，經(jīng)典的數(shù)字相干傳輸系統(tǒng)由于能夠調(diào)制和檢測高階信號(hào)而受到越來越多的關(guān)注。然而，經(jīng)典的相干傳輸系統(tǒng)需要昂貴的窄線寬激光源和高復(fù)雜度的數(shù)字信號(hào)處理，這使其主要應(yīng)用于長途骨干網(wǎng)和中長距離的城域網(wǎng)。隨著硅基光子集成技術(shù)的發(fā)展，相干收發(fā)機(jī)所需要的光電器件（如光場調(diào)制器、相干接收機(jī)等），都能夠被集成到硅光平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)低成本、小型化光模塊的批量生產(chǎn)。然而，所需的窄線寬激光源需要復(fù)雜且昂貴的異質(zhì)集成工藝[4-6]。該昂貴的窄線寬激光器以及復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理限制了經(jīng)典相干光傳輸系統(tǒng)在短距離光互連中的進(jìn)一步應(yīng)用。為了在增加傳輸速率的同時(shí)保持低成本的特點(diǎn)，短距光互連系統(tǒng)需要采用新型的光接收系統(tǒng)架構(gòu)。

該新型的光接收系統(tǒng)架構(gòu)旨在結(jié)合相干檢測和直接檢測的優(yōu)點(diǎn)，與相干傳輸系統(tǒng)類似，能夠恢復(fù)光場信號(hào)且補(bǔ)償各種各樣的信道損傷（如光纖色散和器件帶限效應(yīng)等），從而實(shí)現(xiàn)基于高階調(diào)制格式的大容量傳輸；同時(shí)也能夠像直調(diào)直檢系統(tǒng)擁有簡單的接收機(jī)結(jié)構(gòu)不需要昂貴的本振激光源，且所需的數(shù)字信號(hào)處理復(fù)雜度低沒有頻偏和相位噪聲補(bǔ)償過程，在發(fā)射端能夠采用低成本的大線寬非冷卻激光源。鑒于此，新型的光接收系統(tǒng)架構(gòu)主要基于自相干檢測，彌補(bǔ)相干傳輸和直調(diào)直檢系統(tǒng)之間的研究空白，使直接檢測系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制和光場信號(hào)的恢復(fù)。在自相干檢測系統(tǒng)中，自相干的光載波是線性化信道、恢復(fù)光場所必需的。因此，在發(fā)射端，該自相干的載波和高階調(diào)制信號(hào)可以共享一個(gè)激光源消除頻率偏差和相位噪聲的影響，同時(shí)降低波長管理成本。自相干的載波和調(diào)制信號(hào)可以使用單纖或者雙工光纖傳遞到接收端。在接收端，新型的光接收機(jī)在不需要窄線寬本振激光源的前提下，如何實(shí)現(xiàn)光場信號(hào)的恢復(fù)將是本文討論的重點(diǎn)。

本文以信號(hào)復(fù)用維度為主線，介紹實(shí)現(xiàn)大容量低成本短距光互連的新型單偏振、雙偏振和少模光接收系統(tǒng)架構(gòu)。類似于相干檢測，本文討論的新型光接收系統(tǒng)都能夠恢復(fù)光場信號(hào)、補(bǔ)償信道損傷、實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制，且類似于直接檢測不需要本振激光源；從硬件和算法上降低系統(tǒng)的成本和功耗。

1 新型單偏振光接收系統(tǒng)架構(gòu)

在本節(jié)里，單偏振是指高階調(diào)制信號(hào)和自相干光載波在光纖的同一個(gè)偏振上傳輸。信號(hào)和自相干載波在正交偏振上傳輸會(huì)浪費(fèi)一個(gè)偏振維度，且需使用單模斯托克斯矢量接收機(jī)檢測和恢復(fù)信號(hào)[7]。在同一個(gè)偏振上，信號(hào)和自相干光載波可以在時(shí)域或者頻域上傳遞給接收機(jī)。在時(shí)域上，信號(hào)和光載波可以分別占據(jù)不同的時(shí)隙[8-9]，但該方式會(huì)降低系統(tǒng)的光譜效率。因此，本節(jié)的新型單偏振光接收系統(tǒng)是在頻域上同時(shí)傳遞信號(hào)和光載波給接收機(jī)而不需要犧牲光譜效率。相對于光載波的位置，該高階調(diào)制信號(hào)在頻域上可以以單邊帶或者雙邊帶的形式存在。單邊帶信號(hào)可以使用Kramers-Kronig接收機(jī)恢復(fù)[10]，但系統(tǒng)的電頻譜效率會(huì)降低一半。因此，本節(jié)介紹的新型單偏振光接收機(jī)的目標(biāo)是通過直接檢測恢復(fù)復(fù)值雙邊帶的高階調(diào)制信號(hào)。該新型的單偏振光接收機(jī)擁有和單偏振零差相干傳輸系統(tǒng)相同的光譜和電譜效率，同時(shí)類似直接檢測不需要使用本振激光源。針對該新型的單偏振光接收系統(tǒng)，本文提出了以下幾種方案。

? 載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)[11-19]。

? 非對稱自相干探測接收機(jī)[20-22]。

? 基于馬赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)[23]。

1.1 載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)

載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，基礎(chǔ)載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，接收的光信號(hào)包括雙邊帶復(fù)信號(hào)S和自相干零差的光載波C。該接收的光信號(hào)經(jīng)過分光器分成兩個(gè)支路，一路輸入廣義的光濾波器，另一路直接輸入90°光混頻器。該廣義的光濾波器可以是純光時(shí)延、相位型濾波器（如色散）和光帶通濾波器（其相位響應(yīng)可以包含任意的群時(shí)延）。廣義光濾波器的輸出經(jīng)過分光器后再分成兩路，一路輸入90°光混頻器，另一路直接被單端光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。90°光混頻器的輸出通過兩個(gè)平衡光電探測器完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。為了便于解釋，所有用到的光電器件的物理效率都假設(shè)單位是1，例如分光器分光比、濾波器插損、光電探測器的響應(yīng)度等。因此，接收的光信號(hào)可以表示為 ()cst+ 。雙邊帶復(fù)信號(hào)()st可以是單載波調(diào)制信號(hào)或者任意的多載波調(diào)制信號(hào)。假設(shè)廣義光濾波器的中心波長正好位于自相干光載波c處，經(jīng)過光濾波器后，產(chǎn)生的光信號(hào)可以表示為c+r(t)，r(t)是濾波后的雙邊帶復(fù)信號(hào)，可以表示為：

圖1 載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)結(jié)構(gòu)

其中，?代表卷積操作，T(t)是廣義光濾波器在基帶的時(shí)域脈沖響應(yīng)。這里需要注意的是，該廣義光濾波器可能會(huì)對光載波c產(chǎn)生一個(gè)相位響應(yīng)系數(shù)，該系數(shù)可以分解出來并歸入濾波器響應(yīng)T(t)中。從圖1（a）中的3個(gè)光電探測器得到的輸出波形可以表示為：

其中，*代表復(fù)共軛，Re[·]和Im[·]分別代表取一個(gè)復(fù)變量的實(shí)部和虛部。聯(lián)合式（2）～式（4），在數(shù)字域可以重建一個(gè)新信號(hào)R1，該新信號(hào)可以表示為：

其中，SSBI1=r*(s-r)是信號(hào)和信號(hào)拍頻的二階干擾。式（5）的第一項(xiàng)是線性的，將用來恢復(fù)接收的復(fù)值雙邊帶信號(hào)s(t)。光濾波器的帶寬越窄，所產(chǎn)生的二階干擾 SSBI1越小，這有利于提高接收機(jī)的性能并逼近相干檢測接收機(jī)的靈敏度。因此，接收的雙邊帶復(fù)信號(hào)在頻域可以恢復(fù)為：

其中，F(xiàn)(·)代表傅里葉變換，T(f)是光濾波器的頻域脈沖響應(yīng)。因此，載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)的廣義傳遞函數(shù)是H1(f) =1 -T(f)。當(dāng)使用純光時(shí)延作為廣義濾波器的一種實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，該接收機(jī)的傳遞函數(shù)可以表示為H1(f) =1 - e-j2πfτ，τ是所使用的純光延時(shí)大小。在式（6）中，需要估計(jì)和消除二階干擾項(xiàng) SSBI1，這可以通過使用二階干擾迭代消除算法實(shí)現(xiàn)[12]，這里不贅述。當(dāng)恢復(fù)接收的光場信號(hào)s(t)后，就可以補(bǔ)償光纖色散等信道損傷，實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制和高譜效傳輸。

為了進(jìn)一步降低載波協(xié)助差分檢測接收機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，簡化的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。相比于圖1（a），其移除了單端光電探測器支路。此時(shí)，提出的接收機(jī)所需的平衡光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量與單偏振相干接收機(jī)是一樣的，但是提出的載波協(xié)助差分檢測接收機(jī)不需要昂貴的窄線寬本振激光源也能實(shí)現(xiàn)光場恢復(fù)。通過使用圖1（b）中僅有的兩個(gè)平衡探測器，可以在數(shù)字域重建一個(gè)新信號(hào)R2，該新重建的新信號(hào)可以表示為：

這里產(chǎn)生的二階信號(hào)干擾項(xiàng) SSBI2=sr*-s*r?T*。在式（7）中，前兩項(xiàng)是線性信號(hào)項(xiàng)，將用于光場信號(hào)的恢復(fù)。一般情況下，光濾波器的響應(yīng)T(t)是未知的。為了重建新信號(hào)R2，需要首先知道光濾波器的響應(yīng)T(t)。為了估計(jì)光濾波器的響應(yīng)T(t)，可以使用子載波交織的訓(xùn)練序列。類似于圖1（a）的檢測方式，接收的復(fù)值雙邊帶信號(hào)在頻域可以恢復(fù)為：

因此，對于簡化的載波協(xié)助差分檢測接收結(jié)構(gòu)，接收機(jī)的傳遞函數(shù)是H2(f) =1 -T(f)T*(-f)。相比于圖1（a）的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，簡化的載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)的等效廣義光濾波器響應(yīng)是T(f)T*(-f)，這相當(dāng)于兩個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)且其時(shí)域脈沖響應(yīng)是相互共軛的。所以，簡化的載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)雖然只用一個(gè)光濾波器，其等效廣義光濾波器響應(yīng)相當(dāng)于兩個(gè)相同濾波器的級(jí)聯(lián)，這將會(huì)有更窄的等效濾波器帶寬以及更陡峭的滾降邊緣。因此，相比于圖1（a）的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，該簡化的載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)將會(huì)有更小的二階信號(hào)干擾以及更好的傳輸性能。但是，一些有對稱相位響應(yīng)的廣義光濾波器（例如色散），不能用于簡化的載波協(xié)助的差分檢測接收結(jié)構(gòu)，因?yàn)樯⒌念l響與頻率成二階關(guān)系，其等效的濾波器響應(yīng)是單位1，這會(huì)使傳遞函數(shù)H2(f)變?yōu)榱恪榱讼剑?）里的二階信號(hào)干擾項(xiàng)SSBI2，也可以使用二階干擾迭代消除算法[17]，這里也不再贅述。

對于載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)結(jié)構(gòu)以及其簡化版本，其傳遞函數(shù)在零頻位置有接近于零的幅度響應(yīng)，這是因?yàn)闉V波器的中心波長位于自相干載波處而產(chǎn)生的現(xiàn)象。此外，載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)固有的二階信號(hào)干擾在頻域呈現(xiàn)類似三角形的形狀。因此，在零頻的位置，二階信號(hào)干擾最強(qiáng)。對重建的信號(hào)R1/R2除以傳遞函數(shù)恢復(fù)接收的復(fù)雙邊帶信號(hào)時(shí)，在低頻區(qū)的二階信號(hào)干擾和噪聲將會(huì)被放大。為避免性能的惡化，可以在信號(hào)的上下邊帶之間或者零頻位置設(shè)置一個(gè)保護(hù)間隔。在該保護(hù)間隔內(nèi)不加載任何信號(hào)。雖然大的頻率保護(hù)間隔有利于提升性能，但會(huì)降低接收機(jī)的電頻譜效率。因此，需要平衡電頻譜效率和傳輸性能。需要注意的是，該頻率保護(hù)間隔通常很小，不能容納所有的二階信號(hào)干擾，以保持和相干傳輸系統(tǒng)相似的電頻譜效率。

1.2 非對稱自相干探測接收機(jī)

非對稱自相干探測接收機(jī)是用于自相干雙邊帶復(fù)數(shù)信號(hào)相場恢復(fù)的另一種方案。對于表示為c+s(t)的自相干雙邊帶復(fù)數(shù)信號(hào)，其光場強(qiáng)度可直接抽取信號(hào)s(t)的實(shí)數(shù)部分。基于此，本文設(shè)計(jì)另一路互補(bǔ)的探測分支，使光信號(hào)經(jīng)過一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的光傳遞函數(shù)后，對光場強(qiáng)度的平方探測可用于抽取信號(hào)的虛部。因此，本文可以聯(lián)合兩路探測分支恢復(fù)完整的信號(hào)復(fù)振幅，實(shí)現(xiàn)鏈路損傷在接收端的數(shù)字域補(bǔ)償，提升系統(tǒng)通信速率。非對稱自相干探測接收機(jī)示意圖如圖2所示。

為簡化分析，本文忽略接收機(jī)噪聲，將電信號(hào)i1(t)與i2(t)分別表示如下：

其中，h(t)為光傳遞函數(shù)，Re(x)表示x的實(shí)部，是x的共軛，自拍頻串?dāng)_以及分別記作r1(t)和r2(t)。如文獻(xiàn)[20]中推導(dǎo)，可以分別得到s(t)實(shí)部sI(t)和虛部sQ(t)在頻域的表達(dá)式如下：

其中，各信號(hào)的傅里葉變換由相應(yīng)的大寫字母表示，與光濾波器配置有關(guān)的響應(yīng)函數(shù)P(ω)與Q(ω)的具體表示由文獻(xiàn)[20]給出，而自拍頻串?dāng)_項(xiàng)R1(ω)及R2(ω)可通過循環(huán)算法消除[21-22]。由式（11）與式（12）可得到光濾波器采取不同傳遞函數(shù)重建信號(hào)的表達(dá)式。例如，當(dāng)一個(gè)色散器件用于抽取信號(hào)虛部時(shí)，信號(hào)的虛部在頻域可表達(dá)為（信號(hào)實(shí)部同式（11））：

其中，β2是傳輸常數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)。而當(dāng)光濾波器為一個(gè)邊帶抑制濾波器，即具有如下響應(yīng)時(shí)：

信號(hào)的虛部在頻域可表達(dá)為：

其中，AE與AO為H(ω)振幅的奇數(shù)與偶數(shù)部分。

綜上，非對稱自相干探測接收機(jī)通過一個(gè)雙分支的簡單接收機(jī)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)自相干雙邊帶復(fù)數(shù)信號(hào)的相場恢復(fù)，不僅可實(shí)現(xiàn)鏈路中導(dǎo)致性能劣化的物理損傷在收端的數(shù)字域補(bǔ)償，還省去了接收端本振光，大大提升了系統(tǒng)對長途波長管理的寬容度，在短距離光互連場景中具有一定的應(yīng)用潛力。進(jìn)一步地，可以采取提升調(diào)制格式頻譜效率、優(yōu)化濾波器傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)、壓縮自拍頻干擾消除循環(huán)次數(shù)等技術(shù)路線提升非對稱自相干探測接收機(jī)所允納的通信速率，使其更適用于帶寬日益增長的短距光互連場景。

1.3 基于馬赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)

區(qū)別于第1.2節(jié)中討論的非對稱自相干探測接收機(jī)，還可以在接收機(jī)中增加一個(gè)馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)，即通過s(t)與經(jīng)過一定時(shí)延τ的s(t)（即s(t-τ)）的拍頻信號(hào)重建相場?；隈R赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)架構(gòu)示意圖如圖3所示。對比圖2中的接收機(jī)架構(gòu)，該架構(gòu)同樣僅采用兩個(gè)實(shí)信號(hào)接收分支重建二維復(fù)數(shù)信號(hào)的相場。

圖3 基于馬赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)架構(gòu)示意圖

圖3中模數(shù)轉(zhuǎn)換器探測的連續(xù)電信號(hào)i1(t)與i2(t)可分別表示如下。

其中，τ是圖3所示光信號(hào)群時(shí)延。為方便表示，將信號(hào)自拍頻串?dāng)_和 Im (s(t)s*(t-τ))/T分別記作u1(t)和u2(t)，由文獻(xiàn)[23]可得到重建相場實(shí)部與虛部的頻域表示：

注意此處連續(xù)信號(hào)的傅里葉變換由相應(yīng)的大寫字母表示，δ(x)是狄拉克函數(shù)。類似地，式（18）與式（19）的信號(hào)自拍頻串?dāng)_項(xiàng)可通過循環(huán)算法消除，進(jìn)而得到線性化的信號(hào)相場。由于基于圖3的馬赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)所重建的信號(hào)實(shí)部與信號(hào)虛部各自含有一個(gè)非理想傳遞函數(shù)，即 1/(1 +e-jωτ)與 1/(1 - e-jωτ)。非理想的接收機(jī)傳遞函數(shù)在頻域上具有多個(gè)零點(diǎn)，將導(dǎo)致重建信號(hào)信噪比在部分頻域區(qū)間受到增強(qiáng)的噪聲與非線性串?dāng)_影響而劣化。為了提升信號(hào)信噪比并最大化接收機(jī)通信速率，可以使用如圖4所示改進(jìn)的基于馬赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)架構(gòu)示意圖，即通過增加一路額外的基于單端探測器的直檢分支消除重建信號(hào)實(shí)部的非理想傳遞函數(shù)。對比圖3，圖4中改進(jìn)的接收機(jī)方案仍只需兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，僅在硬件復(fù)雜度上將一個(gè)單端的探測器替換為平衡探測器。

圖4 改進(jìn)的基于馬赫-曾德干涉的非對稱自相干 探測接收機(jī)架構(gòu)示意圖

基于該改進(jìn)方案，有如下相場重建表達(dá)式：

顯然，該重建信號(hào)僅在虛部上受到非理想傳遞函數(shù)影響。

此類接收機(jī)（包括非對稱自相干接收機(jī)或載波協(xié)助差分探測接收機(jī)）難以區(qū)分自相干信號(hào)的載波與信號(hào)成分，并給予差異化的響應(yīng)，所重建信號(hào)中的噪聲與自拍頻串?dāng)_均受到自相干接收機(jī)非理想傳遞函數(shù)的影響，需要合理優(yōu)化調(diào)制信號(hào)頻域分布，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。對比圖2無干涉結(jié)構(gòu)的非對稱自相干探測接收機(jī)，基于馬赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)在頻域具有更均勻的串?dāng)_/噪聲增強(qiáng)分布，便于在信號(hào)調(diào)制時(shí)加載數(shù)個(gè)帶寬相同的數(shù)字子載波，但同時(shí)對接收機(jī)兩路接收的時(shí)偏、強(qiáng)度偏移有更苛刻的要求[31-34]。

2 新型雙偏振光接收系統(tǒng)架構(gòu)

本節(jié)介紹的新型雙偏振光接收系統(tǒng)架構(gòu)基于同源自相干零差檢測，用于調(diào)制和接收雙偏振復(fù)雙邊帶信號(hào)。其中，信號(hào)和載波使用雙工光纖獨(dú)立傳輸，以此降低經(jīng)典偏振分集相干接收機(jī)的成本以及數(shù)字信號(hào)處理復(fù)雜度。然而，由于使用獨(dú)立的光纖傳遞同源自相干的本振信號(hào)，其偏振態(tài)會(huì)以一定速率快速隨機(jī)地變化。對使用經(jīng)典的偏振分集相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)接收到的本振信號(hào)偏振與偏振分束器的本征偏振之一對齊時(shí)，會(huì)造成另一個(gè)偏振的功率完全丟失，即功率凋零或者偏振凋零現(xiàn)象。因此，對新型雙偏振光接收系統(tǒng)機(jī)構(gòu)來說，核心問題是如何避免或者處理該偏振凋零的問題。為了解決接收到的本振信號(hào)的偏振隨機(jī)變化問題以及偏振凋零現(xiàn)象，最直接的方式是在經(jīng)典的偏振分集相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)使用一個(gè)自動(dòng)偏振控制器調(diào)節(jié)接收到的本振信號(hào)偏振態(tài)[24]，使接收到的本振信號(hào)經(jīng)過自動(dòng)偏振控制器后，兩個(gè)偏振有相等的載波功率保障信號(hào)和載波的正確拍頻。該偏振控制器需要能夠?qū)⑤斎氲娜我馄駪B(tài)轉(zhuǎn)換為所需要的固定輸出偏振態(tài)。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程必須是一種連續(xù)的或者無止盡的方式，稱為無重置方式[25]，任意變化的輸入偏振態(tài)都不會(huì)被用戶感知。然而，為了實(shí)現(xiàn)透明的偏振轉(zhuǎn)換，該自動(dòng)偏振控制器總是需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和反饋算法。為了應(yīng)對各種各樣的電磁環(huán)境，特別是在一些極端環(huán)境（如閃電、暴風(fēng)雨等）下，該自動(dòng)偏振控制器的響應(yīng)速度必須要達(dá)到106ra2/s及以上[26-27]。到目前為止，工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)偏振控制器的偏振追蹤速度僅能夠達(dá)到104ra2/s[28]。而且，對于600 Gbit/s的相干光傳輸系統(tǒng)，所使用的自動(dòng)偏振控制器僅能夠在300 ra2/s以內(nèi)保證系統(tǒng)傳輸性能不會(huì)下降[29]。鑒于此，提出了兩個(gè)基于電數(shù)字信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)的高速偏振追蹤而不需要借助任何光偏振控制或者自動(dòng)偏振控制的方案：混合的偏振分集相干接收機(jī)[30]和互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)[31-34]。

2.1 混合的偏振分集相干接收機(jī)

混合的偏振分集相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，它包括一個(gè)單偏振相干接收機(jī)（右上角的90°光混頻器以及跟隨的兩個(gè)平衡光電探測器）和一個(gè)斯托克斯矢量接收機(jī)（包括3個(gè)平衡光電探測器）。該結(jié)構(gòu)和經(jīng)典的偏振分集相干接收機(jī)有著顯著的區(qū)別，創(chuàng)新性地引入了斯托克斯矢量接收機(jī)。接收到的雙偏振信號(hào)和自相干載波首先經(jīng)過兩個(gè)分光器分別分成相同的兩個(gè)支路，其中，兩個(gè)支路分別連接單偏振相干接收機(jī)，另外兩個(gè)支路由光耦合器合并為一個(gè)光信號(hào)作為斯托克斯矢量接收機(jī)的輸入。該結(jié)構(gòu)不需要任何的光偏振控制或者自動(dòng)偏振控制器也能應(yīng)對任意的輸入偏振態(tài)，且信號(hào)恢復(fù)方式與經(jīng)典相干探測原理有較大的區(qū)別。

為了便于解釋，使用接收的自相干載波的偏振坐標(biāo)系作為信號(hào)和載波的公共偏振參考坐標(biāo)系。在參考偏振坐標(biāo)系中，接收的雙偏振信號(hào) RE和自相干載波C在瓊斯空間中的電場可以分別表示為：

其中，XR和YR是經(jīng)過光纖傳輸后接收的兩個(gè)正交偏振的信息承載信號(hào)，它們是發(fā)射的雙偏振信號(hào)的一個(gè)線性組合。在實(shí)際中，信號(hào)和自相干載波兩路的光纖長度可能不是精確匹配的，在接收的信號(hào)和載波之間可能存在一個(gè)慢的相位漂移和殘余的相位噪聲。該相位漂移可以被歸入雙偏振信號(hào)ER中，并可以被數(shù)字信號(hào)處理算法估計(jì)和消除。因此，從單偏振的相干接收機(jī)，可以恢復(fù)得到與載波偏振相平行的信號(hào)偏振成分：

其中，上標(biāo)H代表厄米操作（包括共軛和轉(zhuǎn)置）。為了恢復(fù)正交偏振RY，使用了斯托克斯矢量接收機(jī)。該斯托克斯矢量接收機(jī)作為一個(gè)偏振追蹤儀，可以跟蹤輸入信號(hào)的任意偏振態(tài)。由于雙偏振信號(hào)和自相干載波的電場基于同一個(gè)偏振坐標(biāo)系，斯托克斯矢量接收機(jī)的輸入場信號(hào)在瓊斯空間中可以表示為ER+C= [XR+ 1,YR]。從斯托克斯矢量接收機(jī)，可以得到ER+C的一個(gè)完備的斯托克斯矢量：

由于接收的 REC+ 信號(hào)的偏振態(tài)和斯托克斯矢量接收機(jī)中的偏振分束器的本征偏振態(tài)不是對齊的，為獲得 REC+ 的斯托克斯矢量，需要先對接收的斯托克斯矢量進(jìn)行斯托克斯空間中的偏振恢復(fù)[35]。該過程只需要通過一定方法獲取一個(gè)3×3的實(shí)值偏振旋轉(zhuǎn)矩陣即可實(shí)現(xiàn)。因此，在獲取ER+C信號(hào)的斯托克斯矢量后，正交的偏振態(tài)YR可以恢復(fù)為：

提出的混合偏振分集相干接收機(jī)不存在偏振凋零現(xiàn)象，因?yàn)樵诮邮针p偏振信號(hào)和自相干載波后只使用了分光器和耦合器產(chǎn)生單偏振相干接收機(jī)和斯托克斯矢量接收機(jī)的輸入信號(hào)。為了追蹤信號(hào)和載波偏振態(tài)的變化，前面提到的斯托克斯空間的偏振恢復(fù)算法和2×2 MIMO算法需要自適應(yīng)地更新相應(yīng)的信道系數(shù)。因此，提出的混合偏振分集相干接收機(jī)在斯托克斯空間和瓊斯空間都使用了數(shù)字酉變換，不需要對接收的自相干本振信號(hào)進(jìn)行光偏振控制就可以避免偏振凋零現(xiàn)象并能處理任意接收到的載波偏振態(tài)。因此，提出的混合偏振分集相干接收機(jī)對任意的偏振態(tài)是穩(wěn)健的。

2.2 互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)

進(jìn)一步提出的互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。區(qū)別于經(jīng)典的偏振分集相干接收機(jī)，該接收機(jī)也能夠應(yīng)對任意輸入的偏振態(tài)。在該接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，最上面和最下面的兩個(gè)90°光混頻器的作用和經(jīng)典的偏振分集相干接收機(jī)是一樣的。為了克服偏振凋零現(xiàn)象，引入第3個(gè)90°光混頻器（中間的器件）實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的偏振分集相干探測。接收的雙偏振信號(hào)和任意偏振態(tài)的自相干載波仍然分別被偏振分束器分為兩束偏振光。注意，在每個(gè)偏振分束器后需要使用手動(dòng)的偏振控制器將一個(gè)輸出偏振與另一個(gè)偏振對齊，才能進(jìn)行隨后的信號(hào)分光和耦合操作。在偏振分束器后，信號(hào)和自相干載波的兩個(gè)偏振都被光耦合器結(jié)合形成一個(gè)互補(bǔ)的偏振分量。聯(lián)合互補(bǔ)的偏振分量，雙偏振信號(hào)的3個(gè)偏振分量分別和自相干載波的3個(gè)偏振分量輸入3個(gè)90°光混頻器，實(shí)現(xiàn)全相干檢測。

圖6 互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)

接收到的雙偏振信號(hào)S和自相干載波C的電場在瓊斯空間中可以分別表示為：

其中，X/Y指代兩個(gè)正交的偏振。同樣，為了便于解釋，省去一些煩瑣的常數(shù)和相位延遲因子。經(jīng)過偏振分束器、分光器、耦合器后，增強(qiáng)的偏振信號(hào)SE和載波CE可以表示為：

其中，S2/C2即產(chǎn)生的互補(bǔ)偏振分量。矢量SE和CE都有3個(gè)分量但它們在線性空間的維度僅是2。為了避免復(fù)雜的自動(dòng)偏振控制器，冗余的偏振成分，即互補(bǔ)的偏振分量C2是必要的，使接收的自相干載波C成為一個(gè)增強(qiáng)的自相干載波信號(hào)CE。自相干載波在本質(zhì)上是單偏振的。類似經(jīng)典的偏振分集相干系統(tǒng)，偏振成分C1/C3在互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)中也會(huì)發(fā)生偏振凋零現(xiàn)象。注意，受式（28）中的條件所限，C1/C3不可能同時(shí)處于偏振凋零狀態(tài)。在這種情況下，互補(bǔ)的偏振分量 2C能夠再生凋零的偏振分量，從而避免了偏振凋零所帶來的信號(hào)丟失問題。當(dāng)沒有偏振凋零現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，兩個(gè)偏振分量 1C和 3C有相同的光功率但相位差異可能是π，這會(huì)導(dǎo)致互補(bǔ)的偏振分量處于偏振凋零狀態(tài)。在這樣一種偏振狀態(tài)下，兩個(gè)偏振分量 1C和 3C將提供偏振分集探測，這和經(jīng)典的偏振分集相干探測原理是一樣的?；パa(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)至少有兩個(gè)90°光混頻器有輸出信號(hào)，這保證了互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)對任意的輸入偏振態(tài)是穩(wěn)健的。從3個(gè)90°光混頻器（包括六個(gè)平衡探測器）輸出的電信號(hào)在經(jīng)過復(fù)信號(hào)成形后，得到的電矢量信號(hào) ER可以表示為：

其中，操作符?表示點(diǎn)對點(diǎn)的乘積，*代表復(fù)共軛。獲得的電輸出矢量 ER是一個(gè)線性矢量場信號(hào)，包含了發(fā)射的雙偏振信號(hào)的一個(gè)線性組合。為了進(jìn)行偏振解復(fù)用，即偏振追蹤，瓊斯空間的3×2 MIMO需要被用來恢復(fù)發(fā)射的雙偏振信號(hào)。相比于經(jīng)典偏振分集相干接收機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理流程，唯一需要改動(dòng)的是該3×2 MIMO偏振解復(fù)用算法，其他大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)相干數(shù)字信號(hào)處理算法可以重用在該互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)中。

在系統(tǒng)復(fù)雜度方面，相比于經(jīng)典的偏振分集相干接收機(jī)，提出的混合和互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)都需要額外的一個(gè)或者兩個(gè)平衡探測器以及對應(yīng)數(shù)量的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。隨著先進(jìn)的硅光集成技術(shù)的到來，這些硬件成本的差異將會(huì)很小，甚至可以忽略，因?yàn)榧山邮諜C(jī)的成本僅由片上接收機(jī)的成本決定而不是所用器件的數(shù)量。同時(shí)，相比于經(jīng)典的偏振分集相干接收機(jī)，提出的混合和互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)的優(yōu)勢是不需要任何光偏振控制或者自動(dòng)偏振控制器，偏振追蹤的速度完全由電數(shù)字信號(hào)處理決定，可以在算法中靈活調(diào)節(jié)；最高偏振追蹤速度可以達(dá)到發(fā)射信號(hào)的符號(hào)速率級(jí)別或者109ra2/s級(jí)別，這是自動(dòng)偏振控制器很難達(dá)到的偏振追蹤速率。

3 新型少模光接收系統(tǒng)架構(gòu)

本節(jié)介紹的新型少模光接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)是指信號(hào)在少模光纖中傳輸，輸出的少模信號(hào)能夠被新型少模光接收機(jī)直接探測和接收，不需要使用本振激光源。以往的斯托克斯矢量直接檢測檢接收機(jī)的研究主要集中在單模光纖傳輸系統(tǒng)中，用來恢復(fù)單個(gè)模式包含兩個(gè)正交偏振的信號(hào)。近年來，基于少模光纖的模分復(fù)用傳輸能夠進(jìn)一步擴(kuò)展單模光纖地傳輸容量而逐漸被廣泛地關(guān)注和探索。在弱耦合或者強(qiáng)耦合光纖中，由于外界環(huán)境的擾動(dòng)或者光纖幾何形狀的不完美性，不可避免地會(huì)發(fā)生模間耦合效應(yīng)以及存在差分模群時(shí)延，這需要恢復(fù)光場并使用MIMO算法才能夠消除這些信道損傷并恢復(fù)不同的空間偏振模式。然而，迄今為止，該類模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)都是基于相干探測接收和恢復(fù)每一個(gè)空間偏振模式。因此，本節(jié)將討論利用直接檢測的方式進(jìn)行模分復(fù)用傳輸。該模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)是基于高維的斯托克斯矢量直接檢測接收機(jī)結(jié)構(gòu)[36]。

在介紹基于直接檢測的模分復(fù)用傳輸這個(gè)概念前，首先討論高維斯托克斯矢量理論。以往的基于斯托克斯矢量的傳輸是基于單模光纖的。因此，進(jìn)一步擴(kuò)展單模斯托克斯矢量理論，介紹兩模式的高維斯托克斯矢量理論，可以選取具有兩個(gè)空間模式以及兩個(gè)偏振模式的LP11模組作為一個(gè)例子：LP11ax、LP11ay、LP11bx、和LP11by。這里x和y代表兩個(gè)正交的偏振模式，a和b代表同一模式不同的空間分布。該少模光信號(hào)在四維廣義瓊斯空間的中的電場可以表示為：

N維的廣義瓊斯空間和N2-1維的廣義高維斯托克斯空間是同構(gòu)的，N代表少模光纖中空間偏振模式的數(shù)量。對于式（32），N=4。因此，N2-1個(gè)無跡厄米矩陣滿足跡正交條件構(gòu)成了高維斯托克斯矢量分析的基礎(chǔ)。例如，在單模光纖中，被用來分析偏振模色散的3個(gè)泡利矩陣[37]即是一組無跡厄米矩陣，對應(yīng)N= 2的兩個(gè)正交偏振模式。為了便于分析，忽略了少模光纖中的模式依賴損耗和偏振依賴損耗。對歸一化的瓊斯矢量|ψ使用包括無跡厄米矩陣的跡正交條件在內(nèi)的正交投影，可以得到瓊斯空間4個(gè)空間偏振模式的15維斯托克斯矢量[38-41]：

這里n= 4對應(yīng)4個(gè)空間偏振模式。從歸一化的瓊斯矢量|ψ可知，該15維的高維斯托克斯矢量代表著單位幅度的兩個(gè)空間模式，也說明該高維的斯托克斯矢量是在一個(gè)15維的單位球上。該高維的斯托克斯矢量是單模斯托克斯矢量理論的延伸，可以擴(kuò)展到多模波導(dǎo)中的任意N個(gè)維度。相比于瓊斯矢量|ψ，高維斯托克斯矢量的每一個(gè)參數(shù)是任意兩個(gè)偏振模式之間的拍頻。因此，接收到的高維斯托克斯矢量對激光器內(nèi)在的相位噪聲是免疫的，這可以簡化數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜度,例如頻偏和相位噪聲補(bǔ)償。

為了線性化光傳輸信道，選取一個(gè)偏振模式ψ4(LP11by)傳輸自相干光載波，其他3個(gè)偏振模式調(diào)制復(fù)雙邊帶光信號(hào)。因此，在對接收的高維斯托克斯矢量的分量進(jìn)行復(fù)信號(hào)成形后，復(fù)數(shù)項(xiàng)擁有3個(gè)空間偏振模式的所有相位分集信息，可以看作發(fā)射信號(hào)的線性復(fù)制，不會(huì)遭受色散引起的功率凋零現(xiàn)象，并且在恢復(fù)光場信號(hào)后可以補(bǔ)償色散。相比于單偏振的相干傳輸系統(tǒng)，基于高維斯托克斯矢量的直接檢測模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的容量擴(kuò)展了3倍。在經(jīng)過少模光纖傳輸后，接收的高維斯托克斯矢量會(huì)遭受到模間耦合和模內(nèi)耦合（偏振旋轉(zhuǎn)）的影響。受少模光纖彎曲、環(huán)境擾動(dòng)以及纖芯幾何形狀不完美等因素影響，該模式耦合效應(yīng)存在于整個(gè)少模光纖鏈路。在斯托克斯空間，該模式耦合效應(yīng)可以用一個(gè)信道旋轉(zhuǎn)矩陣表征。由于存在差分模群時(shí)延以及偏振模色散效應(yīng)，信道旋轉(zhuǎn)矩陣地每個(gè)元素可能是多抽頭的。類似于相干檢測，在恢復(fù)光場信號(hào)后，這個(gè)多抽頭的信道旋轉(zhuǎn)矩陣可以使用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法估計(jì)并補(bǔ)償。

基于高維斯托克斯矢量直接檢測接收機(jī)的模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)如圖7所示，是基于直接檢測的模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)，使用少模光纖的兩個(gè)空間模式：LP11a和LP11b。接收機(jī)是基于高維斯托克斯矢量直接檢測理論。兩個(gè)空間模式的4個(gè)偏振共用一個(gè)激光源，其中，一個(gè)偏振模式ψ4(LP11by)傳輸自相干光載波，另外3個(gè)偏振模式分別使用IQ調(diào)制器傳輸高階調(diào)制的復(fù)雙邊帶信號(hào)。為了在實(shí)驗(yàn)中模擬模分復(fù)用傳輸，3個(gè)偏振模式傳輸了相同的信號(hào)，但使用了不同長度的光延時(shí)線進(jìn)行數(shù)據(jù)解耦操作。在經(jīng)過偏振合束器后，光子燈籠將單模光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換為少模光纖里的空間模式LP11信號(hào)。在經(jīng)過少模光纖傳輸后，光子燈籠將接收的少模信號(hào)LP11a和LP11b轉(zhuǎn)換為兩個(gè)單模信號(hào)，并分別加上等量的光噪聲，模擬光傳輸過程中光信噪比的變化。為了節(jié)省需要的光電探測器數(shù)量以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器端口數(shù)，接收機(jī)是基于時(shí)分復(fù)用的接收結(jié)構(gòu)，聲光調(diào)制器用來控制信號(hào)光的開與關(guān)，起門控的作用。根據(jù)式（33），需要得到4個(gè)偏振模式之間兩兩的信號(hào)拍頻。因此，接收機(jī)需要使用6個(gè)90°光混頻器。3×3光耦合器在只有兩個(gè)輸入的情況下能夠起到和90°光混頻器相同的功能[43-44]。因此，6個(gè)低成本的3×3光耦合器被用來代替所需的90°光混頻器。3×3光耦合器的3個(gè)輸出分別使用不同長度的光延時(shí)線時(shí)延并結(jié)合為一個(gè)光輸出，使用一個(gè)單端的光電探測器探測。在本系統(tǒng)中，通過使用時(shí)分復(fù)用的接收結(jié)構(gòu)，將原本需要18個(gè)光電探測器數(shù)量降為6個(gè)。對接收的18個(gè)端口的電信號(hào)使用18×3 MIMO[45]，可以恢復(fù)發(fā)射的3個(gè)偏振模信號(hào)。

圖7 基于高維斯托克斯矢量直接檢測接收機(jī)的模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了作者在新型單偏振、雙偏振、少模光接收系統(tǒng)架構(gòu)方面的研究工作。新型的光接收機(jī)結(jié)合了相干檢測和直接檢測的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了二者之間的研究空白，能夠恢復(fù)光場信號(hào)且不需要窄線寬的本振激光源。對于新型的單偏振光接收機(jī)，提出了3種方案：載波協(xié)助的差分檢測接收機(jī)、非對稱自相干探測接收機(jī)和基于馬赫-曾德干涉的非對稱自相干探測接收機(jī)。對于新型的雙偏振光接收機(jī)，提出了兩種方案：混合的偏振分集相干接收機(jī)和互補(bǔ)的偏振分集相干接收機(jī)。對于新型的少模光接收機(jī)，提出了基于高維斯托克斯矢量直接檢測的模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)?；谔岢龅男滦凸饨邮諜C(jī)，傳輸系統(tǒng)能夠基于直接檢測恢復(fù)復(fù)雙邊帶信號(hào)并補(bǔ)償信道損傷，實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制和高譜效傳輸。本文提出的新型光接收系統(tǒng)架構(gòu)，可用于數(shù)據(jù)中心、移動(dòng)前傳和無源光網(wǎng)絡(luò)等短距光互連系統(tǒng)中，不同于傳統(tǒng)的相干檢測和直接檢測系統(tǒng)，提出的新型光接收系統(tǒng)架構(gòu)對器件性能和光子電路有著更高的要求，如光濾波器的帶寬和溫度敏感性。硅基光子技術(shù)以其半導(dǎo)體工藝的先天優(yōu)勢能更好地滿足短距光互連系統(tǒng)對容量、成本、功耗的要求，是未來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。因此，實(shí)現(xiàn)新型光接收機(jī)的硅基集成將是未來的主要關(guān)注點(diǎn)。同時(shí)，基于新型光接收系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)下一代800 GE/1.6 TE及以上的接口交換速率將持續(xù)是未來的研究熱點(diǎn)。