基于VCSEL实时点到点OFDM光信号在MMFs中的传输

舒 畅，高志军，涂建华，瞿福琪

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

基于VCSEL实时点到点OFDM光信号在MMFs中的传输

舒 畅，高志军，涂建华，瞿福琪

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

通过实验，在使用未冷却直调3.63 GHz垂直腔面发射激光器的简单强度调制和直接检测系统中，首次证明在800 m OM2多模光纤上采用正交频分复用技术进行64 QAM（正交幅度调制）编码实现实时点到点通信，传输速度为11.25 Gb/s，功率损失＜1 dB。

光纤通信，垂直腔面发射激光器，多模光纤，光正交频分复用

0 引言

对高传输带宽不断呈现指数级增长的需求是局域网（LAN）正面临的主要挑战。众所周知，大量的现有局域网都是基于传统的多模光纤，使用的是10 GBASE-LRM（10GBASE-LX4）标准。速度为10 Gb/s的最大多模光纤（MMF）传输距离不超过220 m（300 m）［1］。从系统性能和成本效益来看，高速的单波长传输更倾向于将现有的基于多模光纤的局域网传播速度从1 Gb/s提升为10 Gb／s。要实现这一目标，先后提出了多种技术方案，其中包括模场匹配中心发射［2］和空间光调制［3］。然而这些技术过于依赖于系统，而且如果要在未来进行大规模应用就必须应对诸多重要而艰巨的技术挑战。

光正交频分复用技术（OOFDM）有超强的耐微分模延迟（DMD），自适应和高效利用信道光谱特性等先天优势以及巨大的应用成本效益潜力，适应于未来发展，前景光明。在占比为99.5%的已安装传统多模光纤中，不论发射条件还是运行的相关损害［4-5］，这项技术对支持300 m以上＞50 Gb／s传输都有巨大潜力。此外，为了进一步降低OOFDM收发器的成本，在OOFDM收发器中使用垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为强度调制器应用价值很高。除了低阈值、低成本和低功耗，VCSEL还具有很多特性，如可靠性高，使用寿命长，便于包装和测试等［6-7］。此外多波长和多维度的VCSEL阵列还能在进一步提高网络的灵活性和可扩展性方面节约成本。需要克服的重大挑战就是VCSEL的调制带宽过低，MMF频率响应过窄，而这两者都可以通过利用具有高效光谱特性和自适应能力的OOFDM调制技术得以克服［7］。

最近，有报道称VCSEL已被应用于1 000 m OM4多模光纤［8］的OOFDM信号调制中。然而，测量都采用的是离线数字信号处理（DSP）方式，这种方法并没有考虑到为实现实时点到点传输而采用的DSP硬件的精度和速度限制。通过突破性的实验演示证明使用强度调制直接检测系统（IMDD）在超过25 km的标准单模光纤（SMF）［7，9］以及500 m的多模光纤［5］中利用直接调制DFB激光器（DMLS）和垂直腔面发射激光器实现实时点到点11.25 GB/s OOFDM传输。本文中，第一次陈述了一种可行性即在运用IMDD将具有未冷却、低成本、低调制带宽特性的VCSEL强度调制器与已研发的能在800 m OM2多模光纤中达到11.25 Gb/s传播速度的实时OOFDM收发器一起结合的具体应用。

1 实时点到点实验系统的设置

图1显示了实时OOFDM发射机和接收机的具体体系结构以及基于VCSEL并使用50／125 μm OM2多模光纤的IMDD连接。在文献［5，9-11］中也完整描述了基于可编程门阵列（FPGA）的收发器架构及其功能包括在线性能监测、现场参数优化和符号同步。

图1 点到点实时OOFDM收发器架构多模光纤传输系统

在发射机中生成了84位并行编码流的伪随机数据用于64-QAM编码，以及用于信道估计均衡［7］的固定6位编码导频字。编排组合的90位字最后被映射到15个平行64-QAM编码器。最后生成11.25 Gb/s的原信号比特率（用于4 GS/s数据采集和控制（DAC）），其中9 Gb/s可用于携带用户数据，同时在收发器设计中每个OOFDM符号采用了长度每位2 ns的循环前缀。

从DAC输出端口出现的实值、无符号OFDM电信号经过可变电衰减器调整产生了振幅为～286mVpp的驱动信号。由驱动信号与5.16 mA最佳直流偏置电流结合产生的电OFDM信号被直接用来1 550 nm处调制3.63 GHz调制带宽的单模光纤尾纤激光器。除了提高光信号功率，可变光衰减器还被用来调整光信号功率，其中最大光功率为～2.24 dBm。光信号通过模式调节跳线被发射到多模光纤连接中。

在接收端，一个12 GHz，-17 dBm的多模光纤尾纤线性PIN探测器将直接检测接收到的光信号。而从PIN处得到的输出电信号被放大到一个能提供合适振幅的最佳水平，然后通过 ADC（4 GS/s@8-bit）进行数字化处理，类似于文献［9-10］中提及的程序步骤，其中只选取15个携带数据的子载波用于信道估计，信道均衡和数据恢复。

2 实验结果

图2（a）显示了800 m多模光纤连接的系统频率响应，测量工作从发射机的IFFT输入开始直到接收机中的FFT输出。图2中各曲线功率归一化至125 MHz第一子载波。可以观察到在整个信号的频谱中存在一个～11.74 dB的响应滚降，这主要是由于：①DAC的片上输出滤波和其固有的sin（x）/x响应；②垂直腔面发射激光器的强度调制非线性以及③多模光纤的DMD效应。为了有效补偿系统频率响应的滚降影响，这里运用了功率自适应加载技术［9，12］。图2（a）还显示了在发射机中IFFT之前所有的子载波中得到的最佳自适应功率负载分布图，同时在接收机的FFT后获得相应的子载波功率水平被立即记录并绘制。如图2（b）所示，接收的子载波功率变化范围小至6.5 dB，使得所有的子载波中显示了几乎均匀的误差分布，其中可以看到800 m的多模光纤连接的误差变化小于±7%。

图2 （a）归一化发送和接收的子载波功率和800 m MMFs频率响应；（b）在800 m MMFs系统中64-QAM调制格式的误差分布

利用图2中所示最佳自适应功率负荷曲线，第2部分中提到的VCSEL强度调制器最佳操作条件以及在800 m和500 m多模光纤中进行11.25 Gb/s OOFDM传输所测出的误码率显示在图3（a）中。可以看到在800 m（500 m）的多模光纤连接中，最小的误码率为9.17×10-4（1.12×10-3），在FEC限值为2×10-3时功率损失＜1 dB。图3（b～d）显示了通过800 m多模光纤连接传输后在第1，第8和第15子载波进行信道评估前相应的接收功率水平分布图。图3（e～g）显示的分别是针对500 m和800 m连续光传输信道估计和均衡后所有子载波的合成分布图。

图3（a）中可以看出，500 m多模光纤连接中出现的＜1 dB的功率损失主要归因于DMDS和模态噪声的影响。而在800 m多模光纤连接中，由于增加了传输距离，模态噪声影响降低而DMD的影响加大。这样使得得到功率损失与500 m多模光纤传输条件下的相应数值非常接近。在上述两种情况下的功率损失相似性也表明：①在实验中采用的循环前缀长度足够应对DMD效应；②自适应功率加载技术在提升OOFDM MMF系统性能最大潜力方面所取得的效果，误帧率降低了5%左右。

图3（a）在800 m和500 m MMFs中进行64 QAM编码11.25 Gb/s OFDM光信号连续传输所测出的误码率。800 m MMFs连接传输后在（b）第1，（c）第8和（d）第15子载波进行信道评估前相应的接收功率水平分布图。整个（f）500m和（g）800m（e）连续光传输经过信道均衡后得到的所有子载波的合成分布图。

美国Vixar公司采用光正交频分复用技术生产的可见光及近红外垂直腔面发射激光器，发光效率高、功耗极低、光束质量好、易于光纤耦合、可调变频率达GHz，超窄的线宽、极高的光束质量、高偏振比、造价便宜，已广泛应用于工业传感，办公设备，生物医疗及国防领域。

3 结论

在简单IMDD系统中通过使用低成本、低调制带宽、未冷却VCSEL作为强度调制器，从而实现在超过 800 m OM2多模光纤中进行实时点到点11.25 Gb/s OOFDM信号传输。这项研究表明降低成本OOFDM收发器应用于速度超过10 Gb/s的多模光纤局域网具有巨大发展潜力。

图3 （a）多模光纤中进行11.25 Gb/s OOFDM传输的误码率分布图；图3（b）800 m MMFs连接传输后在第1子载波信道评估接收功率水平分布图；图3（c）在第8子载波信道评估接收功率水平分布图；图3（d）在第15子载波信道评估接收功率水平分布图；图3（e）连续光传输经过信道均衡后得到的所有子载波的合成分布图；图3（f）500 m光传输经过信道均衡后得到的所有子载波的合成分布图；图3（g）800 m光传输经过信道均衡后得到的所有子载波的合成分布图。

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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 畅（1966- ），男，安徽潜山人，硕士，副教授。研究方向：指挥系统教学与研究工作。