Kramers-Kronig接收机光传输系统中的非线性失真分析

逍遥设计自动化

引言
2 ?) E1 d# l5 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
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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3 d- w+ _+ ~6 Q- V4 n- S3 d& ~& O! K1 X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。
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8 Z# l/ w5 g% e; {+ ?" f% DKK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。
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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。
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: F: g2 B$ i! D非线性失真效应
( K% x/ r8 l3 y- ]* HKK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。
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; y5 \1 K8 S8 d. t2 F6 R$ \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。
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频谱特性与性能分析
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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' o7 T1 q! c4 E1 j& `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。

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3 p; C1 a$ f7 R# d  K/ j5 _性能评估与信号质量
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。

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  V# w$ G2 n9 K# M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。
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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
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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, h3 ~6 [# h, i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。

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缓解策略与系统优化
2 w  U$ h' A' B- Y3 zSBS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。
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结论
, e* c4 L( \' O4 w  |KK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。

: v0 n( j$ ?# ]& ^  Q- K- S0 \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。
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参考文献
/ w) @2 k2 ]* x0 k* W; Q! ]3 b1 p( \7 Y9 A[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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