基于光频梳CO-OFDM的太比特传输实验研究

覃 勐，吴锦虹，段春艳

（1.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004；2.湖南交通职业技术学院，长沙410000）

基于光频梳CO-OFDM的太比特传输实验研究

覃 勐1，吴锦虹1，段春艳2

（1.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004；2.湖南交通职业技术学院，长沙410000）

首先简单介绍了光O FD M技术的原理和特点，在分析了一种经典的光O FD M传输方法后，提出一种基于光频梳的CO-O FD M传输方法。在此基础上，对该方法和背靠背传输两种方式进行了仿真实验，同时给出了两者的性能分析。实验结果表明，所提出的方法在传输1000km后能够保证较好的性能和稳定性，传输效率达到1Tb/s。

光纤通信；光频梳；光正交频分复用

0 引言

近年来，光通信技术的容量和传输速率不断提高，同时，商业需求也要求在成本、保密和抗干扰等性能上提高，由此产生了多样的传输方案[1,2]。随着人们对数据和视频业务的需求增大，单信道速率逐渐由Gbit量级向Tbit量级发展并逐步完善起来。传统光通信技术大致有OTDM、WDM和OFDM等，其中OTDM技术由于器件的限制应用范围不广泛；WDM系统较为成熟，主要应用在大容量的数据传输中，但是这种技术的频谱利用率不高，计算复杂；而OFDM技术却可以极大提高频谱利用率，不必像WDM技术一样需要多个不同中心波长的激光器[3～5]，它只需利用一个激光器作为单独光源，并利用OFDM技术调制出多个“调制光源”[6]，所以更适合应用到光通信中。由于相干光OFDM（CO-OFDM）技术继承了光相干技术和OFDM技术的优点，其在频谱利用率和性能上更好，并且在抗干扰和接收灵敏度上更具有优势[7～9]，所以，对于CO-OFDM技术的研究具有重要的商业价值和意义。

1 基于光频梳的CO-OFDM系统

1.1 OBM-OFDM技术概述

近年来，光OFDM技术在光纤通信领域不断发展，产生了许多经典的方案技术[7]。例如W.Shieh等人提出了一种OBM-OFDM系统[1]，该方案的原理如图1所示。W.Shieh等人首先把一个光源调制产生多个信道的光载波，由于利用OFDM调制，所以这些信道上的载波是相干的，同时保证每个信道的频带彼此是相互正交的。也就是说，使各个信道频带间隔是被调制的信号子载波间隔的整数倍。虽然技术上可以改进系统的传输容量和速率等指标，但是在高速传输中电子器件的性能是制约其发展的一个重要因素。而W. Shieh等人提出的这种系统却可以把高速的数据通过OFDM技术拆分在多个低速的信道上传输[1]，具有更好的优势，所以可以借鉴这种设计来优化系统。

图1 OBM-OFDM原理图

图2 为W.Shieh等人提出的系统框图，其中图2 (a)为发射端，图2(b)为接收端。在发射端，系统进行上变频技术处理，将OFDM信号调制到对应的载波频谱上，然后经电光转换处理后传输。而在接收端，系统通过相干探测的方式滤出相应的信号，其中可以利用抗混叠滤波器处理，并由此得到对应的本振信号RF信号。但是，该方案的缺点也很明显：①系统接收端需要不断调整本振光的中心波长，发射端和接收端都需要多个不同频率的RF本振信号进行混频，并且对本振信号源的选择有严格的要求；②系统的结构复杂，计算量偏大。

图2 W.Shieh等人的OBM-OFDM系统框图

1.2 基于光频梳的CO-OFDM系统方案

本文提出一种基于光频梳的多频带CO-OFDM方案，它借鉴了W.Shieh等人的技术思想，利用光频梳方案调制信号，提高了频谱利用率，降低了系统复杂度。该方案的核心在于采用光频梳减少使用本振信号RF，从而减少激光器。由于利用了一个激光器产生光频梳且每根光频梳是一个光载波，所以其光谱可以看作是彼此间相干的。根据上面的分析，这可以被视作产生了无缝的宽带光OFDM信号。该方案与W.Shieh等人的方案区别在于后者是在电域实现，而前者是通过在光域进行频分复用调制的。图3为基于光频梳的COOFDM系统结构图。

图3 基于光频梳的CO-OFDM系统结构图

该方案的基本原理如下：

①在发射端，我们先利用激光器和光频梳生成器生成光频梳，并且保证它们之间是等间隔的。然后，OFDM基带信号经解复用后与前面产生的等间隔光频梳进行光域的I/Q调制。这里需要保证这些光频梳的功率稳定，以保证系统稳定。这可采用可调谐光衰减器进行处理，然后将这些信号复用合成为一路光OFDM信号。从上面的分析可以看出这个信号是宽带的，最后在单模光纤传输该信号。

②在接收端，光频梳生成器将过来的本振激光器输入信号进行处理，目的在于产生与发射端频率特性一致的光频梳。然后，对传输过来的信号进行解复用和调制，以便产生多个不同频率光频梳上的OFDM信号；在90°光混频器中对该光OFDM信号和对应本振光频梳进行混频，处理后的信号通过平衡探测器得到电域的光OFDM信号；最后利用OFDM技术进行解调，同时可以采用同步、信道估计等技术恢复出原始信号。

由于无论在发射端和接收端都采用了OFDM技术的处理，频带间彼此相干，因此其复用和解复用都是重叠甚至无缝的，所以在频谱利用率上比传统的WDM技术更高。在该系统中产生光频梳非常重要，文献[3]利用连续波激光器（CW）实现大约可以产生30根以上光频梳[3]，然后利用双臂MZM对CW进行调制处理，其处理过程如图4所示。该方案通过改变正弦信号的强度，在经过MZM后就可以产生不同个数的光频梳，并且彼此相干。图5为产生的光频梳仿真图，图中大约产生了间距为10GHz的40个光频梳，功率波动在3dB左右，这种方式节约了激光器并且保证了频带间相互正交。

图4 基于双臂MZM的光频梳生成器示意图

图5 光梳频谱图

2 仿真实验

该方案系统结构如图3所示，仿真中忽略了光纤非线性效应的影响。为了便于实验，我们采用上面的MZM方式产生32根间距为10GHz的光频梳，这里激光器线宽为10kHz。OFDM信号经16-QAM调制后与经解复用的光频梳进行复用调制，FFT为256，循环前缀（CP）为32，经单模光纤传输1000km，DAC采样速率为10GS/s，ADC采样速率20GS/s。将处理后的32路光频梳上的OFDM信号进行传输，带宽约为320GHz，子载波为32×256个，考虑存在CP后传输速率为1138Gb/s左右；接收端进行相干检测，其中每个光频梳带宽为10GHz，传输速率40Gb/s，最后用数字相干解调和电光转换恢复原始数据。如图6所示为32根光频梳合成后的一路宽带OFDM信号频谱的示意图。

图6 合成后的OFDM信号频谱示意图

图6 中的宽带OFDM信号占320GHz，各个光频梳上的OFDM信号彼此正交，并且这里保证了频带间隔等于子载波间隔，即实现无缝的传输。在接收端进行相干检测、数字解调等，最后利用信道估计、相位同步和噪声补偿等方式恢复出原始数据。

图7 太比特信号的传输性能图

图7 为太比特信号在背靠背情形下与经1000km传输后的性能对比情况。在背靠背情形下，当误码率为1×10-3时，光信噪比（OSNR）约为29dB；此时经过1000km单模光纤传输后，在同样误码率条件下，此时的OSNR约为31dB，与前者相比损伤在2dB内。

图8给出了经1000km传输后，当OSNR为31dB时，第16个信道解调恢复后的星座图。可以看出，经过解调处理、相位同步和噪声补偿等手段后，该信道的星座图是收敛的，此时的误码率约为7.5×10-5。但是经长距离光纤传输后，每个信道还需要进行FFT的偏移估计、相位同步估计和均衡等处理，这是因为不同的信道可能存在中心频率不一致的情况，而且光纤传输本身也会有色散和走离现象等存在，所以在接收端还需要进行处理。图9给出了当OSNR为31dB时，在背靠背情形下和经1000km传输后的32个频带传输性能。

图8 第16个信道上接收信号的星座图

图9 不同子频带的传输性能

从图9可以看出：当背靠背传输时，各个子频带间的性能总体稳定，每个信道传输的情况总体一致；而经1000km的单模光纤传输后，本文的方案虽然个别频带的性能稍微低于背靠背情形，个别频带性能波动有所偏离，但是从长距离传输的性价比上看可以忽略，并且在接收端还可以利用其它技术进行改进。因此，基于光频梳的CO-OFDM系统在经过1000km传输后的性能与背靠背传输接近。在长距离、大容量的传输中可以忽略这些误差，也能够通过其它方式减少这种误差，从而提高系统的性能。因此，在忽略光纤传输过程中的损耗、误差等因素时，可以认为本方案具有较好的性能。

3 结束语

在本次实验中，我们采用了光频梳的CO-OFDM方式进行了太比特传输的实验，本方案结合了光OFDM和相干探测的特点。仿真结果表明，本方案适用于太比特信号在1000km光纤中传输，总体上保持较好的性能，并且本方案对电子芯片处理速率要求不高，可以采用商业器件来实现。但是，本方案存在进一步优化开销、计算复杂度等问题，相信随着算法和技术的改进，这种方法能够进一步优化。

[1]SHIEH W,YANG Q,MA Y.107Gb/s coherent optical OFDM transmission over 1000-km SSMF fiber using orthogonal band multiplexing[J].Opt. Express，2008，26(9)：6378-6386.

[2]YI X,FONTAINE N K,SCOTT R P,et al.Tb/s coherent optical OFDM systems enabled by optical frequency combs[J].J.Lightw.Technol.，2010，28(14)：2054-2061.

[3]SCOTT R P,FONTAINE N K,HERITAGE J P,et al.3.5THz wide,175 mode optical comb source[C].Anaheim:IEEE,2007:1-3.

[4]DERICKSON D,HENTSCHEL D.Fiber optic test and measurement [M].New Jersey:Prentice Hall PTR,1998:320-315.

[5]MA Y,YANG Q,TANG Y,et al.1Tb/s per channel coherent optical OFDM transmission with subwavelength bandwidth access[C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication Conference，San Diego，22-26 Mar，2009.San Diego:IEEE,2009.

[6]王卓.基于叠加序列的ACO-OFDM无线光通信系统同步和信道估计研究[D].重庆：重庆邮电大学，2011.

[7]张新全，程容，杨奇.Tbit/s光传输信道内复用技术研究[J].光通信研究，2014（4）：1-4.

[8]贺志学，罗鸣，李超.30.7Tbit/s相干光PDM 16QAM OFDM 80km SSMF传输[J].光通信研究，2012（6）：1-3.

[9]李波，郝耀鸿.相干光OFDM在高速光传输中的应用[J].通信技术，2013，46（1）：3-6.

Study of Terabit transmission experiment based on CO-OFDM with the optical fiber combs

QIN Meng1,WU Jin-hong1,DUAN Chun-yan2
(1.No.34 Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004,China; 2.Hunan Communication Polytechnic,Changsha 410000,China)

The paper introduced the principle and characteristics of optical OFDM technology briefly,and a CO-OFDM transmission method based on optical frequency comb is proposed after the analysis of a classical optical OFDM transmission method.On the basis,the paper carried out the simulation experiment to the transmission method and back-to-back,and gave the analysis of the performance of the two.Experimental results show that the proposed method can achieve better performance and stability after the transmission of 1000km, and the transmission efficiency is 1Tb/s.

optical fiber communication,optical fiber combs,optical OFDM

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0052-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.016

2015-11-17。

国家青年基金资助。

覃勐（1988-），男，硕士研究生，助理工程师，主要从事太比特技术研究。