OFC2025 | 无色检测技术用于WDM超通道的无冷却相干光学系统

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引言

光通信系统对更高数据传输率的持续需求推动了技术创新，特别是在数据中心应用领域。最近在该领域的一项进步是波分复用(WDM)信号的无色检测技术，该技术无需激光器波长控制和解复用器(deMUX)。本文探讨了这种创新方法，该方法实现了对激光器频率漂移具有显著容忍度的无冷却相干光学系统[1]。

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无色检测技术简介

在强度调制直接检测(IM-DD)和相干检测技术用于数据中心应用的持续讨论中，相干检测提供了更高的每波长数据率。然而，传统相干检测存在一个基本限制：本地振荡器(LO)必须发射与传输频率接近的频率才能正确下变频。这一要求需要精确的温度控制，在无冷却环境中耗电量很大。

传统的"无色"接收器通常采用可调谐激光器，但这些并非真正无色，因为仍需将波长固定在特定通道上。此外，同时检测多个WDM通道需要多个冷却激光器锁定到WDM网格。

本文描述的创新方法用多频梳取代单频LO，以覆盖潜在的漂移范围。虽然基于梳状频谱的接收器已被提议用于光接入网络，但当信号带宽超过梳状频谱的自由光谱范围(FSR)时，由于频谱混叠问题，这些方案不适用于宽带WDM信号。

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无色检测的工作原理

该系统考虑了具有N个子载波的无间隙WDM信号（超通道），总光学带宽为B Hz。无色相干接收器包括K个平衡相干接收器(BCR)和FSR = B/K的梳状LO。

图1：基于梳状频谱的SCM超通道无色相干接收器示意图，可推广到任意数量的BCR。

梳状频谱带宽设计为超过发射机和接收机之间的相对频率漂移范围。信号和LO经功率分配后发送到所有BCR。由于多波长LO，每个BCR将超通道下变频为不同频率的多个复制品，BCR带宽充当频谱分割器。

为了在BCR输出之间引入正交性，该系统借鉴了光时分复用(OTDM)技术。通过向基于梳状频谱的LO添加一系列时间延迟，均匀分割重复周期T = 1/Δf，系统可以分离重叠的子载波。

三个关键设置最大化接收器带宽效率：

• 子载波间隔(Wc)显著小于梳状频谱FSR
• 梳状频谱FSR是子载波间隔的倍数(m)(Δf = mWc)
• BCR带宽覆盖(m+1)个子载波
  
  

通过这些设置，即使存在任意频率漂移，所有子载波也能找到完整的复制品，且重叠的子载波在频率上对齐，允许数字信号处理(DSP)独立处理每组子载波。

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实验设置与结果

概念验证实验使用了两个BCR(K = 2)的设置，如图2所示。

图2：实验设置，包括调制器、偏振组件和信号处理工作流程。

发射机和接收机的梳状频谱都是通过使用33.936 GHz的高功率射频音驱动相位调制器构建的。发射机使用波长选择开关选择FSR为135.744 GHz的梳状线。选择了三条线并发送到I/Q调制器，该调制器由8-SCM信号驱动，每个16.8-GBd子载波使用概率整形的64-QAM符号进行调制。

通过将信号与经10米延迟解相关的复制品组合，模拟了偏振分集复用(PDM)。信号通过81公里标准单模光纤(SSMF)传输。接收机梳状频谱级联三个相位调制器，选择的FSR为203.616 GHz。选取了七条梳状线，覆盖约1.2-THz带宽，可容忍400-GHz WDM超通道约1-THz的频率漂移。

为验证无色检测能力，研究人员将LO种子激光器固定在193.4 THz，并在1.02 THz范围内变化发射机激光器频率。图3显示了在此范围内测量的归一化广义互信息(NGMI)。

图3：不同频率偏移的NGMI值，包括接收频谱和星座图。

在整个频率偏移范围内，NGMI值保持稳定并高于前向纠错(FEC)阈值，证明了在高达1.02 THz的任意频率偏移下，通过81公里SSMF成功进行WDM传输。实现的净数据传输率为3.35 Tb/s。

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优势与应用

这种无色相干检测系统提供了几个优势：

• 消除了对耗电波长控制的需求，适用于能源敏感的应用场景。
• 该系统使用与传统WDM接收器相当的硬件（除梳状LO外）和带宽。
• 通用多输入多输出(MIMO)均衡器同时处理偏振和子载波解复用。
• 该技术对激光器频率漂移（约1 THz）具有显著耐受性，实现真正的无冷却操作。
  
  

这种方法特别适用于：

• 能源效率至关重要的高并行数据中心互连
• 使用无冷却激光器的点对多点网络
• 需要经济高效相干检测且最小温度控制的应用
  
  

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结论

所展示的用于多Tb/s WDM超通道的无色相干接收器代表了光通信领域的重要进步。通过消除对波长控制和解复用器的需求，该技术解决了在数据中心和其他无冷却环境中部署相干检测的关键挑战。实验验证显示在广泛的频率偏移范围内性能稳定，证实了这种方法对高速、节能光互连的可行性。