超高分辨率光谱仪：光OFDM调整及测试完美工具
发布时间：2013-04-28 16:13:12 热度：4510
4/28/2013,APEX Technologies(APEX)公司生产的超高分辨率光谱仪(UHR-OSA)不仅是一款非常重要的测量光OFDM信号光谱的工具，测试的频率间隔甚至可达几十MHz，它还适用于调整测试其他调制技术。
APEX UHR OSA越来越多地应用于OFDM研究领域，APEX UHR OSA成功的在工业和学术领域获得了广泛应用，当前，世界上许多大学和研究所正在使用着超过30台APEX UHR OSA，这包括Duoblin City university（爱尔兰），Melbourne university（澳大利亚墨尔本大学），IT AVEIRO（葡萄牙），Bangor university等大学，以及rang Labs， KDDI R&D LAB等工业用户。
1.OFDM是什么？
光学正交频分复用（OFDM）具有高的频谱效率和抵抗色散能力，是下一代长距离和接入网中非常有前景的一种调制技术，OFDM技术采用几百个副载波来传递信息，每个载波携带一部分数据。OFDM主要特点是副载波频率之间是正交的，其频率间隔为（几倍）最低速数据流符号速率的倒数。
OFDM的优点是避免了载波间的相互干扰，允许信号间频谱重叠以提高频谱效率。为了保持这种正交性，在每个OFDM符号前增加一个循环前缀CP，以消除符号间的干扰。OFDM在传输方面受了越来越多的重视，得益于低的载波数据速率，它能有效抵抗由色散，PMD等效应引起的码间串扰，而不需要在接收端采用复杂的电均衡。因此，增加副载波的数目非常关键，可以使每个载波的数据速率（等于名义比特率除以载波数目）尽可能的低。在频域，这相当于几十MHz（通常是20MHz~50MHz）的副载波间隔。光纤OFDM系统可以通过光的直接检测（DDO）或者相干光检测（COD）来实现。
2.是什么让APEX超高分辨率光谱仪表现的如此优秀？
APEX超高分辨率光谱仪的关键特点就是它能够测量OFDM信号的光谱，并且清楚的显示所有的副载波，甚至可显示频率间隔为几十MHz的载波，这是传统光栅光谱仪（分辨率最高20pm/2.5GHz）所做不到的。APEX超高分辨率光谱仪基于干涉的方法，具有极高的分辨率（最高可达到5MHz，0.04pm），波长精度（±3pm）以及动态范围。这些指标，尤其是分辨率对于观察OFDM谱细节以及相邻子载波间隔已经足够好了，见图1。
图1：利用APEX光谱仪测试的双边带OFDM光谱
3.单边带DDO-OFDM: 未来接入网关键解决方案
成本控制、能耗、高比特率和拓展传输距离是下一代接入网部署所面临的挑战。由于有很强的抵抗色散的能力，以及具有高的谱效率，OFDM成为能够满足这些要求的关键解决方案。DDO-OFDM实现简单，低成本和低功耗，成为接入网的首选。但是，DDO-OFDM信号由于色散问题，它更适合于经济型短距离应用。确实，OFDM接收机的频域均衡修正了部分色散，但当其功率接近或低于噪声底部时，它不能完全恢复信号数据。
在这种情况下，很多研究都聚焦在如何通过移除信号两个边带中的一个来减少信号光谱宽度，从而克服DDO系统中的色散问题。为了避免来自大信号带宽和长传输距离中的色散，通常调整OFDM信号成为单边带调制信号。 传统实现光SSB信号的方式是采用一个光纤布拉格光栅（FBG）对一个双边带信号进行滤波。
4.用APEX-UHR-OSA调整单边带OFDM信号
为了进一步增加OFDM的谱效率，提高比特率和传输距离，APEX-UHR-OSA对于在调整SSB信号发生器工作点时，验证采用SSB调制技术的OFDM信号的兼容性非常关键。以下是APEX-UHR-OSA用户证明采用APEX-UHR-OSA调整和修正SSB-OFDM信号谱的有效性的证词： “APEX-UHR-OSA是检查我们40MHz副载波间隔OFDM信号的SSB特性的最完美的工具”（Mr. Colm Browning, PhD Student at Radio and Optical Communications Group, the Rince Institute, Dublin City University, APEX-UHR-OSA (AP2443B) user）
确实,OFDM由于负载波信号谱之间是重叠的，因此具有很高的谱效率，采用SSB调制，其谱效率可以进一步提高。 当前的实验工作，采用SSB OFDM信号（基于DSP和外调制器的合成）通过外调制器调制可调谐激光器的光强。为了产生SSB光谱，外部调制器需要准确偏置在线性点。主要问题是，外调制器的偏置点会随着时间变化，从而严重影响系统性能，因为如果偏置偏离线性点，信号就不再是SSB信号了。唯一的验证OFDM是否是SSB信号的方法是采用APEX-UHR-OSA观察发射的光信号。 该OSA的高分辨率允许观察光载波以及OFDM边带的细节。因此在确保SSB工作条件下，对系统性能进行优化（图2.）
图2，APEX-UHR-OSA测量的 40MHz副载波频率间隔的SSB OFDM谱
5.多子带相干OFDM( COH-OFDM):超100G长距传输潜在技术
另一个消除CD效应的方法是在接收端使用相干探测（COD）。在该系统中，发射和接受端都需要窄线宽激光器，以降低相位噪声。COD-OFDM的主要性能使其成为长距离传输系统强有力候选方案。我们知道单带OFDM的主要挑战在于发射和接收端的数模、模数转换器性能器件带宽限制。 通过把WDM信道谱进行分割，可以产生几个独立的OFDM子带，每个子带具有其独立光载波，如图3所示。在这种情况下，利用多子带OFDM，可以放松对 DAC/ADC的限制，在OFDM中的循环前缀也减少了。因此，多子带COD-OFDM技术是超100Gbps波分复用长距离传输的关键技术，它对色散和偏振模色散[7]引起的ISI有很好的抵抗能力。
图3：多子带OFDM光谱
最近，利用多子带OFDM结合偏振复用，在长距网中，可以用四个偏振复用的子带（如图4）携带100Gbps，如图4.【3】。已经表明，相干双偏振多子带OFDM是用于400Gbps甚至1Tbps WDM传输的关键技术。
图4：双偏振多带宽OFDM信号结构
6.APEX-UHR-OSA测试DP-MB-OFDM信号
图5显示了参考【3】中提到的100Gbps-DP-MB-OFDM发射机实验装置。10GHz间隔的光梳信由外腔激光器和10GHzRF频率驱动的双臂MZM调制产生，利用20GHz和40GHz的保偏延时线干涉仪把该光梳信号分束成四组40GHz间隔的光学载波，产生的4个频率载波经过一个复-MZM调制器调制后，通过一个4:1 保偏耦合器把4个载波信号复用在一起，由于两个任意波形发生器的使用，其中AWG1产生第一个和第三个子带，AWG2 产生第二个和第四个子带，相邻子带携带的数据可以完全实现去相关。
图5,124G DP-MB-OFDM发射机（显示在图中内部左上角梳妆光源的光谱由APEX-UHR-OSA测量。）
APEX-UHR-OSA的重要作用就是调整CMZM工作点来产生DP-MA-OFDM信号。法国Orange Labs，第二个使用APEX UHR-OSA的用户证实APEX UHR-OSA在调整45MHz副载波间隔的DP-MB-OFDM信号的高效性。 如图6所示，APEX UHR-OSA允许灵活的显示MZM同相I和正交Q臂0传输点，在调整他们的45MHz间隔的DP-MB-OFDM信号时具有很高的设备效率。”【3】此外，APEX UHR OSA可以用来协助调谐集成的Π/2.相移。
图6.APEX UHR OSA在调整偏振复用OFDM子带传输中的作用
图7(a)和图7(b)描述了偏振复用OFDM子带在调整CMZM工作点（标示为载波抑制）前后的光谱。
图7. 偏振复用 OFDM子带光谱 (上) 调整前，（下）调整后。
要求的4个光载波在发射机的输出端通过一个方形平顶光带通滤波器选出，该滤波器的带宽为40GHz左右（图5）。 图8示出了APEX UHR OSA测量的100G DP-MB-OFDM信号光谱。
图8： APEX-UHR-OSA测量的DP-MB-OFDM光谱
APEX UHR OSA越来越多地应用于OFDM研究领域，APEX UHR OSA成功的在工业和学术领域获得了广泛应用，当前，世界上许多大学和研究所正在使用着超过30台APEX UHR OSA，这包括Duoblin City university（爱尔兰），Melbourne university（澳大利亚墨尔本大学），IT AVEIRO（葡萄牙），Bangor university等大学，以及rang Labs， KDDI R&D LAB等工业用户。
1.OFDM是什么？
光学正交频分复用（OFDM）具有高的频谱效率和抵抗色散能力，是下一代长距离和接入网中非常有前景的一种调制技术，OFDM技术采用几百个副载波来传递信息，每个载波携带一部分数据。OFDM主要特点是副载波频率之间是正交的，其频率间隔为（几倍）最低速数据流符号速率的倒数。
OFDM的优点是避免了载波间的相互干扰，允许信号间频谱重叠以提高频谱效率。为了保持这种正交性，在每个OFDM符号前增加一个循环前缀CP，以消除符号间的干扰。OFDM在传输方面受了越来越多的重视，得益于低的载波数据速率，它能有效抵抗由色散，PMD等效应引起的码间串扰，而不需要在接收端采用复杂的电均衡。因此，增加副载波的数目非常关键，可以使每个载波的数据速率（等于名义比特率除以载波数目）尽可能的低。在频域，这相当于几十MHz（通常是20MHz~50MHz）的副载波间隔。光纤OFDM系统可以通过光的直接检测（DDO）或者相干光检测（COD）来实现。
2.是什么让APEX超高分辨率光谱仪表现的如此优秀？
APEX超高分辨率光谱仪的关键特点就是它能够测量OFDM信号的光谱，并且清楚的显示所有的副载波，甚至可显示频率间隔为几十MHz的载波，这是传统光栅光谱仪（分辨率最高20pm/2.5GHz）所做不到的。APEX超高分辨率光谱仪基于干涉的方法，具有极高的分辨率（最高可达到5MHz，0.04pm），波长精度（±3pm）以及动态范围。这些指标，尤其是分辨率对于观察OFDM谱细节以及相邻子载波间隔已经足够好了，见图1。
3.单边带DDO-OFDM: 未来接入网关键解决方案
成本控制、能耗、高比特率和拓展传输距离是下一代接入网部署所面临的挑战。由于有很强的抵抗色散的能力，以及具有高的谱效率，OFDM成为能够满足这些要求的关键解决方案。DDO-OFDM实现简单，低成本和低功耗，成为接入网的首选。但是，DDO-OFDM信号由于色散问题，它更适合于经济型短距离应用。确实，OFDM接收机的频域均衡修正了部分色散，但当其功率接近或低于噪声底部时，它不能完全恢复信号数据。
在这种情况下，很多研究都聚焦在如何通过移除信号两个边带中的一个来减少信号光谱宽度，从而克服DDO系统中的色散问题。为了避免来自大信号带宽和长传输距离中的色散，通常调整OFDM信号成为单边带调制信号。 传统实现光SSB信号的方式是采用一个光纤布拉格光栅（FBG）对一个双边带信号进行滤波。
4.用APEX-UHR-OSA调整单边带OFDM信号
为了进一步增加OFDM的谱效率，提高比特率和传输距离，APEX-UHR-OSA对于在调整SSB信号发生器工作点时，验证采用SSB调制技术的OFDM信号的兼容性非常关键。以下是APEX-UHR-OSA用户证明采用APEX-UHR-OSA调整和修正SSB-OFDM信号谱的有效性的证词： “APEX-UHR-OSA是检查我们40MHz副载波间隔OFDM信号的SSB特性的最完美的工具”（Mr. Colm Browning, PhD Student at Radio and Optical Communications Group, the Rince Institute, Dublin City University, APEX-UHR-OSA (AP2443B) user）
确实,OFDM由于负载波信号谱之间是重叠的，因此具有很高的谱效率，采用SSB调制，其谱效率可以进一步提高。 当前的实验工作，采用SSB OFDM信号（基于DSP和外调制器的合成）通过外调制器调制可调谐激光器的光强。为了产生SSB光谱，外部调制器需要准确偏置在线性点。主要问题是，外调制器的偏置点会随着时间变化，从而严重影响系统性能，因为如果偏置偏离线性点，信号就不再是SSB信号了。唯一的验证OFDM是否是SSB信号的方法是采用APEX-UHR-OSA观察发射的光信号。 该OSA的高分辨率允许观察光载波以及OFDM边带的细节。因此在确保SSB工作条件下，对系统性能进行优化（图2.）
5.多子带相干OFDM( COH-OFDM):超100G长距传输潜在技术
另一个消除CD效应的方法是在接收端使用相干探测（COD）。在该系统中，发射和接受端都需要窄线宽激光器，以降低相位噪声。COD-OFDM的主要性能使其成为长距离传输系统强有力候选方案。我们知道单带OFDM的主要挑战在于发射和接收端的数模、模数转换器性能器件带宽限制。 通过把WDM信道谱进行分割，可以产生几个独立的OFDM子带，每个子带具有其独立光载波，如图3所示。在这种情况下，利用多子带OFDM，可以放松对 DAC/ADC的限制，在OFDM中的循环前缀也减少了。因此，多子带COD-OFDM技术是超100Gbps波分复用长距离传输的关键技术，它对色散和偏振模色散[7]引起的ISI有很好的抵抗能力。
最近，利用多子带OFDM结合偏振复用，在长距网中，可以用四个偏振复用的子带（如图4）携带100Gbps，如图4.【3】。已经表明，相干双偏振多子带OFDM是用于400Gbps甚至1Tbps WDM传输的关键技术。
6.APEX-UHR-OSA测试DP-MB-OFDM信号
图5显示了参考【3】中提到的100Gbps-DP-MB-OFDM发射机实验装置。10GHz间隔的光梳信由外腔激光器和10GHzRF频率驱动的双臂MZM调制产生，利用20GHz和40GHz的保偏延时线干涉仪把该光梳信号分束成四组40GHz间隔的光学载波，产生的4个频率载波经过一个复-MZM调制器调制后，通过一个4:1 保偏耦合器把4个载波信号复用在一起，由于两个任意波形发生器的使用，其中AWG1产生第一个和第三个子带，AWG2 产生第二个和第四个子带，相邻子带携带的数据可以完全实现去相关。
APEX-UHR-OSA的重要作用就是调整CMZM工作点来产生DP-MA-OFDM信号。法国Orange Labs，第二个使用APEX UHR-OSA的用户证实APEX UHR-OSA在调整45MHz副载波间隔的DP-MB-OFDM信号的高效性。 如图6所示，APEX UHR-OSA允许灵活的显示MZM同相I和正交Q臂0传输点，在调整他们的45MHz间隔的DP-MB-OFDM信号时具有很高的设备效率。”【3】此外，APEX UHR OSA可以用来协助调谐集成的Π/2.相移。
图7(a)和图7(b)描述了偏振复用OFDM子带在调整CMZM工作点（标示为载波抑制）前后的光谱。
要求的4个光载波在发射机的输出端通过一个方形平顶光带通滤波器选出，该滤波器的带宽为40GHz左右（图5）。 图8示出了APEX UHR OSA测量的100G DP-MB-OFDM信号光谱。
