光接入網(wǎng)高靈敏度低成本相干通信技術(shù)

唐明 李偉昊 馮振華

摘要：基于高性能通信多芯光纖（MCF），提出了一種波分空分混合復(fù)用光接入網(wǎng)（WSDM-OAN）架構(gòu)，并采用MCF中間芯傳輸本征光、外層芯傳輸信號光的方式在下行傳輸（DS）中實現(xiàn)了空分自零差相干探測（SHCD）。相關(guān)實驗表明，所提出的接入系統(tǒng)下行總傳輸速率可達4.8 Tbit/s，而且無需采用頻偏補償和相位恢復(fù)算法，并可采用10 MHz線寬的分布反饋（DFB）激光器。此外，提出了一種由單抽頭復(fù)蝶形有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器、4個N抽頭實FIR濾波器和4×4 多輸入多輸出（MIMO）FIR濾波器構(gòu)成的簡化自適應(yīng)均衡（AEQ）算法。相關(guān)實驗表明，所提出的AEQ與2×2 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ性能相近，與4×4 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ相比功率代價小于1 dB。當(dāng)濾波器抽頭數(shù)25時，可降低59%的實數(shù)乘法數(shù)。

關(guān)鍵詞：OAN;MCF;SHCD;AEQ

Abstract： A hybrid wavelength division and space division multiplexing optical access network （WSDM-OAN） based on high-performance communication multi-core fiber （MCF） is proposed in this paper. To realize the self-homodyne coherent detection （SHCD） in downstream （DS）， the MCF inner cores transmit the local oscillator light， while the outer cores transmit the signal light. The related experiments show that the total transmission rate of the proposed system is up to 4.8 Tbit/s in DS， and carrier frequency offset compensation algorithms and phase recovering algorithms are not required. The distributed feedback （DFB） lasers with 10 MHz linewidth can be adopted in this proposed system. A simplified adaptive equalization （AEQ） algorithm， which consists of a 1-tap complex-valued butterfly finite impulse response （B-FIR） filter， four N-tap real-valued FIR filters， and a 3-tap 4×4 multiple-input multiple-output （MIMO） FIR filter is also proposed. The experiment results show that the proposed AEQ share the same performance with 2×2 MIMO AEQ， and the power penalty is less than 1 dB compared with 4×4 MIMO AEQ. When using 25-tap filters， the number of real multipliers can be reduced by 59%.

Key words： OAN; MCF; SHCD; AEQ

光接入網(wǎng)（OAN）作為最靠近用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)，長期以來承載了大量的用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）以低成本、低功耗、共享基建設(shè)施和支持多用戶接入等特點被廣泛應(yīng)用于OAN中。受到不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的驅(qū)動，PON的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)多次演化。吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）和以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）、非對稱10 G EPON（XG-EPON）和10 G GPON（XG-GPON）、40 G PON第2階段（NG-PON2）等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)受到了廣泛關(guān)注與討論。最新的NG-PON2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求PON能夠支撐至少40 km范圍的40 Gbit/s下行、10 Gbit/s的上行傳輸速率，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）最終確立時分和波分復(fù)用（TWDM）-PON技術(shù)為NG-PON2的實現(xiàn)方式，利用多個波長傳輸時分復(fù)用（TDM）數(shù)據(jù)幀[1-3]。

為簡化網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)，減少有源器件使用，降低系統(tǒng)基建費用與維護成本，人們希望將城域網(wǎng)與接入網(wǎng)逐步融合，這就要求PON能覆蓋更長的傳輸距離[3]。以第5代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）、云計算、超高清視頻為代表的新型應(yīng)用則對接入網(wǎng)帶寬的需求日益增加，從而對PON的容量、速率、可擴展性、頻譜靈活性及其利用率等提出了更高的要求[4-5]。總體來說，覆蓋廣范圍和長距離，支持大容量和高傳輸速率，滿足低成本、低功耗和多用戶接入，具有良好可擴展性和靈活性的PON將會是未來的發(fā)展趨勢。

受限于靈敏度、頻譜效率、非線性檢測等因素，強度調(diào)制-直接檢測（IM-DD）技術(shù)難以應(yīng)對OAN的發(fā)展趨勢。為實現(xiàn)對OAN容量、速率和覆蓋范圍的全面升級，相干通信技術(shù)不失為一種良好的解決方案。基于偏振復(fù)用、高階調(diào)制格式和相干探測的數(shù)字相干通信技術(shù)，具有高頻譜效率、高靈敏度、信號損傷可電域補償?shù)忍攸c。相比于IM-DD技術(shù)在提高傳輸速率、延長傳輸距離、可擴展性（擴容）上具有天然的優(yōu)勢，如圖1所示。然而，傳統(tǒng)的用于骨干網(wǎng)通信的相干光通信技術(shù)存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、硬件成本高昂、器件功耗較大等問題，難以直接移植到對成本敏感的接入網(wǎng)中。針對接入網(wǎng)的應(yīng)用場景，必須“軟硬兼施”，從系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)字信號處理（DSP）2個角度著手，對相干通信系統(tǒng)做出合理的設(shè)計與簡化。

1 基于自零差相干探測（SHCD）的波分空分混合復(fù)用（WSDM）-OAN架構(gòu)

采用低成本器件可有效降低相干通信技術(shù)的成本，但受限于低成本器件的帶寬，在高傳輸速率下勢必會出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_（ISI）。有效地利用有限的帶寬資源，采用具有高頻譜效率的高階調(diào)制格式十分必要。然而高階調(diào)制格式對載波頻率偏移（CFO）和相位噪聲（PN）敏感，不僅對激光器的線寬、頻率穩(wěn)定性、可調(diào)諧性有著較高的要求，同時也需要在接收端DSP模塊中采用復(fù)雜的頻偏補償和相噪恢復(fù)算法，這極大地增加了光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的成本。SHCD技術(shù)通過將發(fā)射端激光器出射的激光分出一部分光，作為本振光以用作接收端的相干探測，可利用發(fā)射端激光器的同源相干性消除經(jīng)典的相干探測所帶來的頻率偏移和相位噪聲，提高對激光器線寬的容忍度。這不僅可以簡化接收機DSP中的頻偏補償和相噪恢復(fù)模塊，同時使得在發(fā)射端采用低成本的非制冷激光器成為可能，能夠有效地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度與成本。SHCD可通過偏振復(fù)用（PDM）、空分復(fù)用（SDM）等方式實現(xiàn)，PDM的方式即通過兩正交偏振態(tài)分別傳輸信號光和本振光，該方式犧牲了信號光場的PDM維度，降低了一半的頻譜效率，在高速傳輸?shù)那樾蜗虏⒉贿m用。SDM的方式則是通過多路空間信道分別傳輸信號光和本振光，多芯光纖（MCF）則憑借著空分信道串?dāng)_小、數(shù)目多、一致性好等特點尤其適合高速、大容量的傳輸場景。

另一方面，TDM-PON采用用戶分占不同時隙共享帶寬的方式實現(xiàn)低成本的多用戶接入，其ONU中的接收機需要工作在高于所分配的比特速率下，在高傳輸速率的需求下會極大地增加ONU的成本，同時其基于功率分配的廣播屬性也帶來了額外的功率損耗，單一的TDM-PON技術(shù)難以應(yīng)對高速率、廣覆蓋的OAN的發(fā)展趨勢[3]?；诓ㄩL分配的WDM-PON在功率代價上更具優(yōu)勢，而用戶分占波分復(fù)用信道獨享帶寬的特性也使得其能夠支持更大的傳輸速率。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在OAN系統(tǒng)架構(gòu)上，我們在波分復(fù)用（WDM）-PON的基礎(chǔ)上引入MCF以實現(xiàn)多路空間信道的并行傳輸，擴展了PON的復(fù)用維度（SDM），使其能更好地支撐大容量、可擴展的發(fā)展趨勢[6-8]。為實現(xiàn)廣覆蓋的OAN，同時更好地支撐高速傳輸下的高階調(diào)制格式，我們進一步引入SHCD以提升ONU接收機的靈敏度，延長PON的傳輸距離，擴展其傳輸速率。同時SHCD架構(gòu)可降低對發(fā)射端激光器的要求和ONU的成本[5]，[9]，[10]?；赟HCD的WSDM-OAN系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。在光線路終端（OLT）中，對m個激光器分別進行N+1等分的分光，N份用作N路空間信道的信號光調(diào)制，1份用作本振光。相比于傳統(tǒng)的WDM-PON，只采用m個激光器即可實現(xiàn)N×m位用戶接入，在文獻[8-9]中我們也曾演示過利用單個激光器、馬赫·曾德爾調(diào)制器（MZM）調(diào)制器和微波信號源生成光頻梳，作為WDM信號源的方式。下行信號的調(diào)制可采用基于偏振復(fù)用（PDM）的具有高頻譜效率的多級正交幅度調(diào)制（M-QAM）的單載波調(diào)制技術(shù)，也可采用OFDM等多載波調(diào)制技術(shù)[9-10]。N×m路信號光場經(jīng)調(diào)制后先通過N個波分復(fù)用器耦合為N路m波的WDM信號，經(jīng)N個摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后經(jīng)光環(huán)形器并由扇入器件從N根單模光纖（SMF）耦合進MCF相應(yīng)的纖芯中實現(xiàn)SDM，本振光則通過波分復(fù)用器后經(jīng)扇入器件耦合進MCF的中間芯。經(jīng)MCF傳輸后，信號光由扇出設(shè)備耦合到N根SMF中實現(xiàn)空間解復(fù)用，并由N個波分解復(fù)用器實現(xiàn)波長分配，將各信號分支分發(fā)給N×m個ONU，本振光在經(jīng)過扇出設(shè)備后由波分解復(fù)用器分波，并由功率耦合器對每個波長進行N等分的分光，然后分發(fā)給相應(yīng)的ONU用作相干探測。而上行傳輸則可采用具有高頻譜效率的IM-DD調(diào)制格式。

1.2 實驗結(jié)果

實驗裝置具體如圖3所示，圖3a）即為所采用的弱耦合（芯間串?dāng)_<-45 dB）7芯光纖橫截面結(jié)構(gòu)圖，光纖總長37 km，在1 550 nm處光纖各纖芯損耗<0.3 dB/km，色散17±1 ps/（nm·km），與SMF相似。圖3b）為本課題組自研的連接SMF和MCF所用的低損耗扇入/扇出空分復(fù)用/解復(fù)用耦合器。

在下行傳輸中采用中間芯傳輸本振光，外層芯傳輸信號光的方式實現(xiàn)SHCD。4個激光器構(gòu)成WDM光源，采用雙偏矢量光調(diào)制器（PDM-IQM）實現(xiàn)PDM-16 QAM-OFDM信號的調(diào)制。任意波形發(fā)生器（AWG）工作在25 GS/s的采樣速率下，最后采用商用的相干接收機進行相干接收。將數(shù)字采樣示波器（DSO）用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），工作在80 GS/s的采樣速率下，在MATLAB中利用去掉了頻率補償和相位恢復(fù)的經(jīng)典偏振復(fù)用的相干光正交頻分復(fù)用（PDM-CO-OFDM）解調(diào)算法實現(xiàn)對信號的離線處理，對應(yīng)的單波傳輸速率為200 Gbit/s。實驗中在接收機前采用偏振控制器（PC）以避免本振光經(jīng)MCF傳輸后某偏振方向上可能的載波衰落問題。另外，由于實驗所采用的相干接收機中跨組放大器（TIA）的偏置電壓尚未優(yōu)化，導(dǎo)致接收機的靈敏度不高。因此在波長解復(fù)用之前，分別采用2個EDFA對信號光和本征光進行了放大，并將輸入相干接收機的本振光功率固定在13 dBm。

為說明SHCD架構(gòu)在性能和成本上的優(yōu)勢，我們在OLT中采用2種激光器：窄線寬（約100 kHz）外腔激光器（ECL）以及10 MHz 線寬的DFB激光器，經(jīng)典的相干系統(tǒng)在接收端采用額外的激光器用作本振光源，其中心頻率相比于載波頻率有所偏移，對應(yīng)于內(nèi)差探測。圖4 a）、b）對應(yīng)的實驗中采用的是ECL，另外采用20%的軟判決前向糾錯（SD-FEC），對應(yīng)的誤碼率（BER）門限2.4×10-2。（1）我們對SHCD和內(nèi)差探測2種架構(gòu)進行了對比，如圖4 a）。可見在低接收光功率（ROP）下，SHCD性能略優(yōu)，這是由于內(nèi)差探測的相噪恢復(fù)算法在低ROP下計算誤差較大;而在高ROP下，SHCD略差于內(nèi)差探測，主要是由于SHCD的本振光經(jīng)EDFA放大后光信噪比（OSNR）有所劣化，若采用高靈敏度的相干接收機，則無需利用EDFA對本振光放大，SHCD將會具有更好的性能。（2）我們分別對比了基于SHD的傳輸架構(gòu)在DSP中含PN、CFO補償和不含PN、CFO補償時的性能，如圖4 b）。在低ROP時，無PN和CFO補償?shù)男阅苈詢?yōu);在高ROP時，含PN和CFO補償?shù)男阅芨鼉?yōu)，這同樣是由于低ROP時PN和CFO補償算法的精度引起的。但總體來看，整體差異不大，這表明采用SHCD架構(gòu)消除DSP中CFO和PN補償模塊具有可行性。（3）為得到基于MCF的SHCD架構(gòu)對激光器線寬的容忍度，探索采用低成本的大線寬激光器的可能，我們分別采用線寬約100 kHz的ECL和線寬約10 MHz進行了下行傳輸實驗，并在本征光支路加入一根15 m的光纖補償由EDFA引入的延時差，具體如圖4 c）所示。對比基于ECL和DFB的下行傳輸BER曲線可知，在SD-FEC門限上，采用10 MHz的DFB引入的功率代價相比于采用100 kHz的ECL小于2 dB。而采用相位補償算法后，基于DFB的SHCD系統(tǒng)性能在高ROP下略有提升，低ROP下基本相當(dāng)，表明在SHCD架構(gòu)中采用低成本的大線寬激光器具有可行性。

其次，為展示所提出的同源相干WSDM-OAN的擴容能力，我們采用4個波長間隔100 GHz的ECL作為WDM信號的光源，開展了WSDM-OAN的下行傳輸實驗。在單波的下行傳輸實驗中，MCF各纖芯的一致性較好，如圖5 a）所示。WSDM-OAN下行傳輸實驗中，為方便起見，我們僅給出7號芯中各波分信道的傳輸結(jié)果，如圖5 b）所示。對比可知各波長信道性能相近。6芯4波單波速率200 Gbit/s的WSDM-OAN總速率可達4.8 Tbit/s，基于更多波長的WDM和更多纖芯MCF的SDM能夠支撐更大容量的OAN接入，因而WSDM-OAN在擴充接入網(wǎng)容量上具有巨大潛力。

2 低計算復(fù)雜度簡化自適應(yīng)均衡（AEQ）

上一節(jié)中所展示的SHCD傳輸已驗證了去掉DSP中頻偏補償和相位恢復(fù)模塊的可行性。而針對殘留色散、偏振模色散和高頻衰落補償?shù)腁EQ算法仍然具有較高的計算復(fù)雜度。進一步合理簡化DSP不僅有利于實現(xiàn)低功耗、低成本的ONU，對構(gòu)建低延時的移動前傳/回傳網(wǎng)絡(luò)同樣具有重要意義。K.MATSUDA等人提出將AEQ中N抽頭的蝶形有限沖擊響應(yīng)（B-FIR）濾波器拆分為單抽頭的B-FIR濾波器和2個N抽頭的FIR濾波器（后續(xù)稱為KM-AEQ），分別用于解偏振復(fù)用和補償偏振無關(guān)信號損傷。該方案相比于由4個復(fù)值FIR濾波器構(gòu)成的2×2 多輸入多輸出（MIMO）結(jié)構(gòu)AEQ計算復(fù)雜度近乎減半，然而犧牲了對差分群時延（DGD）的補償能力[11]，同時對X/Y偏振和I/Q路信號之間的時間傾斜較為敏感[12]。

2.1 AEQ原理

針對短距相干接入的場景，由色散引起的I路和Q路信號間串?dāng)_較小，我們可進一步將KM-AEQ中N抽頭復(fù)FIR濾波器實數(shù)化，并引入由16個3抽頭實FIR濾波器構(gòu)成的4×4 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ補償X/Y偏振和I/Q路信號間的時間傾斜，該結(jié)構(gòu)亦可有效地補償殘留色散和DGD，對應(yīng)的AEQ結(jié)構(gòu)具體如圖6所示[12]。

由于乘法運算對應(yīng)的計算復(fù)雜度遠(yuǎn)高于加法運算，為比較不同結(jié)構(gòu)AEQ的計算復(fù)雜度，我們列出每計算2個符號（X/Y偏振）對應(yīng)總實數(shù)乘法次數(shù)，如表1所示?？梢?，當(dāng)抽頭數(shù)N很大時，所提出的AEQ能減少近75%的乘法運算，極大地降低了AEQ的復(fù)雜度。

2.2 實驗結(jié)果

實驗系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示，在發(fā)射端DSP中離線生成經(jīng)滾降系數(shù)0.1根升余弦濾波器濾波的28 Gbaud PDM-16QAM信號，利用采樣速率64 GS/s的DAC轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬信號以驅(qū)動雙偏矢量光調(diào)制器（DP-IQM）完成信號的調(diào)制，信號光經(jīng)5 km的SMF傳輸后，經(jīng)可調(diào)光衰減器（VOA）后與13 dBm的本振光混頻，最后經(jīng)相干探測后由采樣速率80 GS/s的ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并交由接收端DSP處理。ADC與DAC共享時鐘以消除時鐘恢復(fù)算法，信號重采樣至每符號2個采樣點，經(jīng)幀同步后由AEQ進行處理，采用徑向?qū)б隳Ｋ惴ǎ≧DCMA）更新FIR濾波器抽頭系數(shù)。然后利用載波恢復(fù)算法補償頻率偏移和相位噪聲，最后對符號進行判決并計算誤碼率。

我們比較了提出的AEQ和2×2 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ、4×4 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ以及KM-AEQ的性能，抽頭數(shù)設(shè)為25以平衡性能與復(fù)雜度。由圖8 a）、b）可知，無論是光背靠背還是經(jīng)5 km傳輸后，相比于2×2 MIMO和4×4 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ，在硬判決門限3.8×10-3上KM-AEQ的功率代價均超過2 dB，若在KM-AEQ上引入后置濾波器，KM-AEQ性能會顯著改善，這表明KM-AEQ對X/Y偏振和I/Q路時間傾斜十分敏感;而所提出的AEQ則與2×2 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ性能相差無幾，和4×4 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ相比也僅存在較小的功率代價，但是其對應(yīng)的實數(shù)乘法總數(shù)卻下降了59%。圖8 c）展示了所提出的AEQ相比于4×4 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ的相對功率代價隨傳輸距離的變化關(guān)系，可見隨著傳輸距離的延伸，所提出的AEQ相比于4×4MIMO結(jié)構(gòu)AEQ性能急劇劣化，這是由于色散所引起的I/Q路信號間串?dāng)_未得到有效的補償，因而為支撐長距離的OAN系統(tǒng)，我們所提出的簡化方案尚需要進行進一步地討論。

3 結(jié)束語

相干光通信技術(shù)具有高靈敏度、高頻譜效率和信號損傷可電域補償?shù)忍攸c，能夠有效地實現(xiàn)對OAN容量、速率和覆蓋范圍的全面升級。為在接入網(wǎng)中實現(xiàn)低成本的相干光通信，我們提出了一種基于SHCD和MCF的WSDM-OAN架構(gòu)，利用SHCD消除了DSP中的PN和CFO補償模塊，并展現(xiàn)了發(fā)射端采用10 MHz線寬的DFB激光器的可行性。下行利用7芯光纖的6個外層芯傳輸4路波分復(fù)用信號，WSDM-OAN的下行總速率可達4.8 Tbit/s，能覆蓋37 km的傳輸距離，并具有良好的可擴展性。此外，為實現(xiàn)低功耗的DSP，我們進一步提出了一種簡化自適應(yīng)均衡算法，采用單抽頭復(fù)值B-FIR濾波器解偏振復(fù)用，4個N抽頭實值FIR濾波器進行數(shù)字均衡，并利用3抽頭的實值后置4×4 MIMO FIR濾波器補償X/Y偏振和I/Q路信號間的時間傾斜。5 km的傳輸實驗表明，所提出的AEQ和2×2 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ性能相近，和4×4 MIMO結(jié)構(gòu)AEQ相比功率代價小于1 dB，然而濾波器抽頭數(shù)為25時，其對應(yīng)的實數(shù)乘法數(shù)減小了59%。