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引言, ~, v9 ?% ]8 r# i8 u2 S7 H
在当今信息产业快速发展的背景下，从自动驾驶到5G网络，光互连技术在现代通信系统中扮演着核心角色。传统的强度调制/直接检测(IM/DD)系统在相位信息检测方面存在局限性。2016年提出的克拉默斯-克朗尼希(Kramers-Kronig，KK)接收机是一项技术进步，通过单个光电探测器的强度测量实现相位恢复[1]。
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系统架构与信号处理: D' `5 {7 B j5 x8 i
KK接收机光传输系统结合了硬件和数字信号处理组件。系统核心包括外腔激光器、偏振控制器和IQ调制器进行信号生成。
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& |9 s t% J4 N4 r! T+ f7 K+ v' G图1：实验系统设置示意图，展示了主要组件，包括外腔激光器(ECL)、偏振控制器(PC)、IQ调制器(IQM)、任意波形发生器(AWG)以及数字信号处理链路。& }" Z0 g7 j+ _: u
l# r, o0 c. ~KK接收机的信号处理链包含多个复杂算法阶段，从信号采集开始，经过各种变换和滤波步骤。+ O3 K" }0 s2 z" Z1 p3 J
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图2：KK接收机的信号处理方案，展示了从输入信号I(t)到最终输出EMF(t)的操作序列。, D: \. q6 {; N/ }
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& [5 s9 H0 G0 y0 X$ L非线性失真效应
4 A: C" C' q3 c# K) u) nKK接收机系统面临的主要挑战之一是非线性失真，特别是受受激布里渊散射(SBS)影响。系统需要单边带(SSB)调制，载波与信号功率比(CSPR)通常需要超过10 dB。这种高CSPR要求虽然有助于保持低误码率(BER)，但使系统容易受到SBS引起的失真影响。+ O5 f! n) G9 h( M$ ~
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图3：SSB信号的SBS非线性失真示意图，展示了右边带(RSB)和左边带(LSB)配置在有无保护带的情况下的表现。* A& `2 p) L) P& t B. w6 F" Z
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4 B$ h1 r4 K) J7 X: o5 \7 H频谱特性与性能分析
6 t; k1 k# {3 E系统的频谱特性揭示了非线性失真行为的重要信息。光谱图展示了不同调制方案和数据速率下的独特模式。
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+ q8 t- t* w7 M+ U图4：10 Gbaud和28 Gbaud QAM16信号的光谱图，展示了光学滤波对LSB和RSB配置的影响。% `% s% q1 n7 P
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( G l* l! G+ e性能评估与信号质量& W& W' ?) ^; [8 j2 h
系统性能可以通过星座图和不同发射功率下的BER测量进行评估，这些测量结果深入揭示了非线性失真对信号质量的影响。4 p7 y, [& f7 o9 r! Q: e v( ~
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2 g+ D" z ?. @1 W/ @6 K9 \图5：经过80公里标准单模光纤传输后的10 Gbaud QAM16信号星座图，在不同发射功率下展示了SBS引起的失真影响。 U+ g/ u: E9 X8 q4 V
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/ T# ]% s# ?; G) g' U图6：10 Gbaud信号的BER与发射功率关系曲线，对比了背靠背和80公里标准单模光纤传输场景的性能差异。
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高数据速率性能
* s/ U0 Y3 {, Q& J0 a在更高数据速率(28 Gbaud)下的系统行为揭示了KK接收机传输系统的可扩展性和局限性。
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图7：28 Gbaud信号的BER性能曲线，比较了背靠背和80公里标准单模光纤传输场景。
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+ T1 u/ _1 b- G. T7 G图8：28 Gbaud QAM16信号在80公里标准单模光纤传输后的星座图，展示了不同发射功率下的信号质量。) Y( u. q( Z' U! @) H/ K% u. _
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缓解策略与系统优化$ `# {4 D& q, A& V
SBS引起的非线性失真可以通过多种技术进行缓解。其中一个有效方法是使用光带通滤波器(OBPF)去除SBS分量。该方法在LSB和RSB配置中的效果不同，LSB在滤波后通常表现更好。使用LSB配置和光学滤波后，系统展示了约2 dB的功率容限改善。0 j, \- R$ F1 ?' Q
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结论
- }4 V* P; {- zKK接收机光传输系统在光通信技术领域实现了显著进步。然而，SBS引起的非线性失真带来了需要仔细控制的挑战。在80公里标准单模光纤链路中，系统显示了约7 dBm的SBS阈值，超过该阈值后性能会显著下降。理解和缓解这些效应对于实际应用中优化系统性能非常重要。5 i7 I1 t6 N( n4 a" }
! |2 W1 c- K$ T" A8 q) u! d通过精心的系统设计和适当的缓解策略实施，KK接收机系统可以在10 Gbaud和28 Gbaud传输速率下实现可靠性能。LSB和RSB配置的选择，以及适当的滤波技术，对于优化系统性能和在较长传输距离上维持信号质量起着关键作用。$ o5 [* A2 P) k& i
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参考文献
+ l: S+ H. J4 r9 O[1] Y. Wang and L. Zhang, Eds., "Optical Signal Processing Technologies for Communication, Computing, and Sensing Applications," MDPI Books, 2023. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/books/reprint/7078-optical-signal-processing-technologies-for-communication-computing-and-sensing-applications. [Accessed: Dec. 29, 2024]
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2 l$ T4 E& ]0 J9 C# d$ w3 B0 a深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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