基于低带宽器件的大容量通信系统及方法
【专利摘要】一种基于低带宽器件的大容量通信系统及方法，包括：若干个含有强度调制器阵列和阵列波导光栅的硅基芯片发射端以及与发射端相连的模式复用器以及接收机构，其中：发射端以多路激光作为光载波并通过强度调制器阵列进行高阶QAM?OFDM电信号调制，强度调制器阵列与阵列波导光栅相连并将调制后的输出光通过阵列波导光栅并耦合到硅基芯片，经模分复用传输后，由接收机构直接检测并接收信号；本发明通过低带宽器件结合模分复用技术和多维复用技术实现了大容量互连系统的搭建，大大降低了互连系统的成本，并且提高了容量扩充的灵活性。
【专利说明】
基于低带宽器件的大容量通信系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种光通信领域的用于大容量数据中心互连系统的装置，具体涉及一种以3.2GHz带宽电器件结合模分复用技术和多维复用技术来搭建400G互连系统的装置。
【背景技术】
[0002]云的快速兴起带来信息量的爆炸性增长，服务商对网络容量和传输效率的要求也在不断提高，这些因素直接促进了数据中心的迅速发展。随着数据中心和其它带宽需求导向的互连应用的流行，IEEE 802.3bs 400Gbase_LR8规范已经被提出，短距光网络的容量需求已经提高到400Gbit/s甚至更高的级别。用于大容量数据中心互连系统的低成本方案急需解决。
[0003]在这些方案中，强度调制直接检测(IM-DD，Intensi ty Modulat1n-DirectDetect1n)以其低成本的优势得到广泛应用，同时正交频分复用技术(OFDM，OrthogonalFrequency Divis1n Multiplexing)凭借其带宽分配灵活、抗码间干扰能力强、码型阶数易扩展等特性而广受关注。
[0004]为了实现更高的容量，几项主要应用于下一代数据中心的技术被提出，例如密集波分复用技术、直接检测的高阶正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulat1n)技术和模分复用技术。
[0005]密集波分复用技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。与通用的单信道系统相比，密集波分复用技术极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽。
[0006]模分复用技术是把不同模式的光信号复用到一根光纤中进行传送(每个模式承载一个电信号)的技术，可以有效提高传输容量。
[0007]QAM技术是在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式，即数据信号是用相互正交的两个载波的幅度变化来表示的，这两个载波通常是相位差为V2的正弦波，因此被称为正交载波。QAM信号是由两路在频谱上成正交的抑制载波的双边带调幅信号组成，每一种调制波形可用空间中的一个矢量点表示，矢量点有M个选择的调制被称为M-QAM调制，其星座图由M个矢量点构成。直接检测高阶QAM技术是利用强度调制直接检测OFDM码型直接承载高阶QAM信号，同时利用信号优化技术提高OFDM信号的接收灵敏度，接收灵敏度越高，可以实现的QAM阶数也越高，这些优化技术通常包括峰均功率比(PAPR，Peak-to_Average PowerRat1)降低技术、提高调制深度技术及数字滤波技术等。
[0008]数据中心互连的成本对收发机电器件的带宽极为敏感，如何使用低带宽的器件搭建大容量的系统是目前急需解决的问题。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于低带宽器件的大容量通信系统及方法，通过低带宽器件结合模分复用、密集波分复用和高阶QAM技术实现了大容量互连系统的搭建，大大降低了互连系统的成本，并且提高了容量扩充的灵活性。
[0010]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0011]本发明涉及一种基于低带宽器件的大容量通信系统，包括:若干个含有强度调制器阵列和阵列波导光栅的硅基芯片发射端以及与发射端相连的模式复用器以及接收机构，其中:发射端以多路激光作为光载波并通过强度调制器阵列进行高阶QAM-OFDM电信号调制，强度调制器阵列与阵列波导光栅相连并将调制后的输出光通过阵列波导光栅并耦合到硅基芯片，经模分复用传输后，由接收机构直接检测并接收信号。
[0012]所述的多路激光通过频率梳发生器生成，该频率梳发生器包括马赫曾德尔调制器(MZM,Mach Zehnder Modulator)和相位调制器。
[0013]所述的多路激光的多峰梳状谱的光谱平坦度需要根据系统的性能及需求限定阈值。
[0014]所述的光载波的波长是在C波段。
[0015]所述的电信号，采用但不限于DSP和波形发生器实现，该波形发生器及所有其它电器件应具有低带宽特性。
[0016]所述的传输，优选采用少模光纤或硅基波导实现。
[0017]本发明涉及上述系统的通信方法，通过将连续波激光通过梳状谱发生器产生多峰光谱，经放大后由波形发生器产生的强度调制直接检测高阶QAM-(FDM电信号调制，然后将经过调制的光信号通过硅基模分复用器进行模分复用并由少模光纤进行传输，接收端通过放大滤波并由光电检测转换成电信号从而实现解调。
[0018]所述的高阶QAM-OFDM电信号调制，采用强度调制直接检测0FDM-64QAM电信号调制，通过物理层实时DSP产生;该物理层实时DSP通过厄米对称的QAM信号经过逆快速傅里叶变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)后，再进行降峰均功率比和符号尺度变换优化实现。
[0019]所述的模分复用是指:基于硅基光子集成技术的模式复用，具体通过硅基模式复用/解复用器实现。
[0020]所述的高阶QAM-OFDM电信号调制，通过降峰均功率比和提高调制器调制深度实现，其中:所述的降峰均功率比是指:为了降低非线性效应影响及提高调制深度，一方面，高峰均功率比会导致信号峰值进入电放大器或调制器的非线性区，导致非线性效应;另一方面，信号峰均功率比降低后，信号整体峰峰值下降，而波形发生器输出峰峰值固定的信号，所以信号得到了整体放大，调制深度增加；所述的提高调制器调制深度是指:利用优化技术，使得所有OFDM符号的峰峰值均与调制器的线性区匹配，从而极大提高信号的调制深度。
技术效果
[0021]与现有技术相比，本发明硅基模分复用技术，在模分复用的基础上结合密集波分复用技术和高阶QAM技术，极大提高了系统总容量。本发明以低带宽器件实现大容量，线速率与信号源3-dB带宽的比值，达到150bit/s/Hz，在该指标上超出现有其他光互连技术。
【附图说明】
[0022]图1为发明装置的原理示意图；
[0023]图中:物理层实时DSPlOl、波形发生器102、光源103、频率梳发生器104、强度调制器阵列105、阵列波导光栅106、模式复用器107、少模光纤108、接收机109;
[0024]图2为实施例结构示意图；
[0025]图中:光源1、第一偏振控制器2、马赫曾德尔调制器3、相位调制器4、电放大器5、电放大器6、时钟信号7、电分路器8、电延时线9、梳状谱发生器10、滤波器11、第一掺铒光纤放大器12、第二偏振控制器13、波形发生器14、电放大器15、马赫曾德尔调制器16、第二掺铒光纤放大器17、第三偏振控制器18、硅基模分复用/解复用器19、功率计20、耦合器21、可调光衰减器22、第三掺铒光纤放大器23、滤波器24、親合器25、第四掺铒光纤放大器26、光电探测器27、示波器28和光谱仪29;
[0026]图3为实施例中的梳状谱发生器输出的:(a)7个载波的光谱图和(b)经过滤波后的第4个载波的光谱图；
[0027]图4为实施例中接受的信号误码率分别随:(a)第4个载波有无模分复用情况下的接收功率和(b)仅有TEo模式时7个载波的波长的变化情况。
【具体实施方式】
[0028]如图1所示，本发明原理示意图中包括:含有强度调制器阵列105和阵列波导光栅106的芯片发射端Unitl?UnitN以及与发射端相连的模式复用器107、少模光纤108以及接收机构109，其中:发射端以频率梳发生器104输出的多路激光作为光载波并通过强度调制器阵列105进行高阶QAM-OFDM电信号调制，强度调制器阵列105与阵列波导光栅106相连并将调制后的输出光通过阵列波导光栅106并耦合到硅基芯片，经模分复用并由少模光纤或硅基波导的传输后，由接收机构109直接检测并接收信号。
[0029]如图2所述，本实施例中具体包括以下设置:
[0030]所述的频率梳发生器10包括:依次相连的第一偏振控制器2、马赫曾德尔调制器3和相位调制器4。
[0031]所述的马赫曾德尔调制器3和相位调制器4分别通过同一个频率的时钟信号控制，该时钟信号经过延时后输入相位调制器4，1GHz的时钟信号经过电分路器8之后，分成两路，其中一路经由电延时线9延时后进入相位调制器的射频端，另一路直接进入强度调制器的射频端，相位调制器和强度调制器的偏置都在O伏。
[0032]所述的电信号，通过波形发生器14生成，该波形发生器14输出的电信号优选经过电放大器15放大后进行调制。
[0033]所述的马赫曾德尔调制器16偏置电压在调制曲线的正交点。
[0034]所述的频率梳发生器10的输出端优选设有用于调整调制器16输入光偏振态的第二偏振控制器13。
[0035]所述的硅基模分复用/解复用器19包括4模复用器和解复用器，如图2所示，其中4模复用器利用硅波导密度与折射率的关系，把TEo模分成4路，分别耦合出TE1JE2和TE3模，实现4个模式的复用和传输，而解复用器利用相同的原理，把一个波导里传输的4个模式分离开，实现解复用。
[0036]所述的硅基芯片的输出端优选设有用于监测接收光功率的功率计20、耦合器21。
[0037]所述的接收机包括:依次连接的可调光衰减器22、第三掺铒光纤放大器23、滤波器24、第四掺铒光纤放大器26、依次连接的光电探测器27和示波器28。
[0038]本实施例通过以下方式实现通信:光源I产生1547.09nm波长的连续波激光，经过梳状谱发生器10后，通过滤波器滤波之后，产生如图3所示的7峰光谱，经过光谱整形的激光通过掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier)放大后进入第二个强度调制器，被由波形发生器产生的强度调制直接检测0FDM-64QAM电信号调制，经过调制的光信号放大后进入硅基模分复用器中，模分复用后的信号经过掺铒光纤放大器方法和滤波器滤波之后，进入光电检测器转换成电信号，在示波器上显示出来。
[0039]所述的强度调制直接检测0FDM-64QAM的信号中的一帧是由1002个符号组成的，其中前两个符号用来同步，每个符号由256个点的快速傅里叶变换(FFT，Fast FourierTransformat 1n)窗口和12个点的循环前缀(CP ,Cyclic Pref ix)组成。在前半个傅里叶变换窗口中，低频的6个子载波被用作保护间隔，高频的26个子载波被用来降低峰均功率比，同时厄米对称被用来实现可直接检测的信号。
[0040 ]本实施实例的效果如图4所示。图4 (a)反映了不经过硅基芯片的0FDM-64QAM接收信号与不同模式接收信号的误码率性能对比，这五接收信号中心波长在1547.09nm。可以看出，经过硅基芯片传输后，TEO、TE 1、TMO、TMl模式信号的接收灵敏度分别损失1.2dB，0.5dB，2.8dB and 0.2dB，说明该硅基模式复用/解复用芯片性能良好。图4(b)反映了-1OdBm总接收功率下，不同波长信号的误码性能，当接收信号总功率大于-1OdBm时，各波长信号误码率低于前向纠错编码阈值，说明系统的接收灵敏度较高。
[0041]上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
【主权项】
1.一种基于低带宽器件的大容量通信系统，其特征在于，包括:若干个含有强度调制器阵列和阵列波导光栅的硅基芯片发射端以及与发射端相连的模式复用器以及接收机构，其中:发射端以多路激光作为光载波并通过强度调制器阵列进行高阶QAM-OFDM电信号调制，强度调制器阵列与阵列波导光栅相连并将调制后的输出光通过阵列波导光栅并耦合到硅基芯片，经模分复用传输后，由接收机构直接检测并接收信号。2.根据权利要求1所述的基于低带宽器件的大容量通信系统，其特征是，所述的模式复用器通过硅基模分复用/解复用器实现，该硅基模分复用/解复用器包括4模复用器和解复用器。3.根据权利要求1所述的基于低带宽器件的大容量通信系统，其特征是，所述的传输，采用少模光纤或硅基波导实现。4.根据权利要求1所述的基于低带宽器件的大容量通信系统，其特征是，所述的光载波的波长是在C波段。5.根据权利要求1所述的基于低带宽器件的大容量通信系统，其特征是，所述的多路激光通过频率梳发生器生成，该频率梳发生器包括马赫曾德尔调制器和相位调制器。6.一种基于上述任一权利要求所述系统的通信方法，其特征在于，将连续波激光通过梳状谱发生器产生多峰光谱，经放大后由波形发生器产生的强度调制直接检测高阶QAM-OFDM电信号调制，然后将经过调制的光信号通过硅基模分复用器进行模分复用并由少模光纤进行传输，接收端通过放大滤波并由光电检测转换成电信号从而实现解调。7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的高阶QAM-OFDM电信号调制，采用强度调制直接检测0FDM-64QAM电信号调制，通过物理层实时DSP产生；该物理层实时DSP通过厄米对称的QAM信号经过逆快速傅里叶变换后，再进行降峰均功率比和符号尺度变换优化实现，该强度调制直接检测0FDM-64QAM的信号中的一帧是由1002个符号组成的，其中前两个符号用来同步，每个符号由256个点的快速傅里叶变换窗口和12个点的循环前缀组成，在前半个傅里叶变换窗口中，低频的6个子载波被用作保护间隔，高频的26个子载波被用来降低峰均功率比，同时厄米对称被用来实现可直接检测的信号。8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的高阶QAM-OFDM电信号调制，通过降峰均功率比和提高调制器调制深度实现。9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的降峰均功率比是指:为了降低非线性效应影响及提高调制深度，一方面，高峰均功率比会导致信号峰值进入电放大器或调制器的非线性区，导致非线性效应;另一方面，信号峰均功率比降低后，信号整体峰峰值下降，而波形发生器输出峰峰值固定的信号，所以信号得到了整体放大，调制深度增加。10.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的提高调制器调制深度是指:利用优化技术，使得所有OFDM符号的峰峰值均与调制器的线性区匹配，从而极大提高信号的调制深度。
【文档编号】H04L12/46GK106067859SQ201610566658
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】朱庆明, 安韶华, 何宇, 彭继宗, 刘博宇, 苏翼凯
【申请人】上海交通大学