WDM-PON采用SOA實現(xiàn)無色光傳輸

舒 暢， 涂建華， 李衛(wèi)東

（武漢軍械士官學校，湖北 武漢 430075）

0 引言

近年來，WDM-PON由于具有很多獨特的優(yōu)點，因而引起了光通信技術(shù)界廣泛的研究興趣，比如：高質(zhì)量寬帶的數(shù)據(jù)服務、大分光比、擴展的傳輸距離、簡單的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和增強的終端用戶隱私[1]。然而，在WDM-PON中，采用何種調(diào)制器對光信號進行調(diào)制，既能實現(xiàn)與光波波長的“無色”調(diào)制，又能保證系統(tǒng)性能。為此，1個可行的方案是在每一個光網(wǎng)絡單元中使用可調(diào)激光器，而實現(xiàn)此方案的主要挑戰(zhàn)是要保證在發(fā)射光波長動態(tài)改變時，系統(tǒng)都要保證其傳輸性能。實踐中已經(jīng)有一些光調(diào)制器提出并實現(xiàn)了在WDM-PON中的無色調(diào)制，如注入鎖定式Fabry-Perot激光器[2]、反饋式半導體光放大器(RSOA)、半導體光放大器(SOA)[3]等。

由于SOA有寬光譜覆蓋(＞100 nm)，并且其光增益飽和特性隨工作條件和光信號屬性變化很大。因此，對SOA在光信號傳輸性能影響方面的分析研究，是評估在WDM-PON中利用SOA實現(xiàn)無色光信號傳輸?shù)年P(guān)鍵。

在IMDD SMF連接系統(tǒng)中，重點分析了由SOA連接的無光放大和色散補償，與信號調(diào)制波長相關(guān)的傳輸性能，提出了SOA的模型特征和參數(shù)，描述了在1 510～1 590 nm波長范圍內(nèi)不同波長光調(diào)制的優(yōu)化工作條件。結(jié)果顯示，當SOA工作在特定的優(yōu)化工作條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)無色光的自適應調(diào)制傳輸，并且，在60 km單模光纖連接系統(tǒng)中，可實現(xiàn)＞30 Gb/s的自適應調(diào)制信號的傳輸。

1 AMOOFDM傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

OFDM系統(tǒng)仿真模型主要包括發(fā)送、調(diào)制、光傳輸、解調(diào)和接收部分[4]，圖1為AMOOFDM傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖，包括發(fā)送端、可調(diào)半導體激光器、半導體光放大器(SOA)、可變光衰減器(VOA)、單模光纖、光電二極管和接收器?？烧{(diào)半導體激光器用來提供期望值的光功率和光載波波長的連續(xù)光源，直流偏置電流和驅(qū)動電流用來調(diào)整SOA，保證其工作在最佳狀態(tài)，這樣也會改變調(diào)制光信號的輸出功率。因此，在單模光纖前端插入1個VOA，來固定耦合光功率達到所要求的大小，同時，利用導頻實現(xiàn)發(fā)送端與接收端的同步[5]。

圖1 AMOOFDM傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

在接收端，用光電二極管來檢測光信號，按發(fā)送端的逆過程進行處理，最終恢復出數(shù)據(jù)。

1.2 基于SOA的強度調(diào)制器模型

在圖1中，所采用的DACs/ADCs的采樣速率均低于20 GS/s，對應采樣時間大于50 ps。另外，SOA的光增益飽和特性主要由SOA內(nèi)光信號傳播的直流部分來確定，例如，在SOA的輸出面，調(diào)制光信號伴隨的噪聲類波形產(chǎn)生大約1 dB相對小的信號消光比。所討論的SOA強度調(diào)制器模型，不考慮SOA帶內(nèi)動態(tài)過程。SOA的輸出光信號可描述有[6]：

其中，下標i指波長為λi的光波，和表示輸入光信號的功率和相位，和表示調(diào)制輸出光信號的功率和相位。是沿整個SOA長度為L的集成光增益，α是線寬增強因子。在接收端，用光電二極管來檢測由發(fā)送端傳過來的光波信號。

1.3 仿真參數(shù)

在整個系統(tǒng)仿真過程中，用來仿真SOA強度調(diào)制器的典型材料是InGaAsP半導體材料，表1中列出了SOA相關(guān)參數(shù)[6]。通過SOA來衰減/放大被調(diào)制的光信號，耦合到單模光纖上的光功率固定在6.3 dBm。表2中列出了單模光纖SMF的仿真參數(shù)[6]。從中看出，單模光纖的衰減和色散參數(shù)跟發(fā)射光波長相關(guān)。例如，波長為1 510 nm和1 590 nm的光波，其衰減和色散參數(shù)分別為0.22 dB/km、14.2 ps/nm/km和0.22 dB/km、19.8 ps/nm/km，而1 550 nm的光波是0.2 dB/km和17 ps/nm/km。

表1 半導體光放大器(SOA)相關(guān)參數(shù)

表2 單模光纖(SMF)相關(guān)參數(shù)

2 SOA調(diào)制的AMOOFDM信號傳輸性能

2.1 傳輸性能的波長相關(guān)性

AMOOFDM系統(tǒng)中，傳輸性能跟波長相關(guān)性分析如圖2所示。圖2中偏置電流、驅(qū)動電流峰峰值和傳輸距離分別設定為100 mA、80 mA和60 km，整個信道的誤碼率(BER)要滿足≤1.0×10-3。

圖2 不同光輸入功率時比特率與光波波長的關(guān)系

從圖2可知，當SOA在上述的工作條件下，系統(tǒng)傳輸性能強烈依賴于輸入光信號特性，包括波長和功率。當光輸入功率≤10 dBm時，比特率隨著波長增加而快速增加，直到波長為1 570 nm。而后比特率增加趨于平緩，這種與波長相關(guān)的性能特性與實驗測量結(jié)果一致。另一方面，當光輸入功率＞10 dBm時，不同波長的信號性能差別明顯減小，并且信號傳輸性能幾乎按1 550 nm波長對稱分布。而且，對于特定的波長，當光輸入功率≤20 dBm時，其比特率隨光輸入功率的增加而增加，除此以外（當光輸入功率＞20 dBm時）比特率下降非常明顯，這說明最佳光輸入功率應該近似于20 dBm。

2.2 SOA優(yōu)化的工作條件

對于特定的波長，存在1個優(yōu)化的偏置電流和優(yōu)化的光輸入功率，此時對應1個最大的信號比特率。最優(yōu)化的SOA工作條件是與波長相關(guān)的，即當波長增加時，優(yōu)化的SOA偏置電流減小，光輸入功率保持基本不變。例如：對于波長為1 510 nm，優(yōu)化的偏置電流和光輸入功率大約分別是200 mA和20 dBm，而對于波長為1 590 nm，這兩個參數(shù)值大約分別是50 mA和20 dBm。波長對優(yōu)化的SOA偏置電流的影響可以解釋為：1個長的波長使電流增益曲線的線性區(qū)朝著低偏置電流變化。另一方面，最佳光輸入功率對波長的不敏感是由于SOA的深度飽和光增益的直接結(jié)果。除此之外，其他相應的幾個關(guān)鍵因素對波長也不敏感，這包括SOA光增益、有效載波壽命和信號消光比。

這里值得說明的是，SOA工作在對應的不同波長優(yōu)化條件下，在整個80 nm(1 510～1 590 nm)波長區(qū)間范圍內(nèi)，最大可達到的信號比特率變化＜3 Gb/s。這說明，相對于不同的波長選擇不同的優(yōu)化SOA工作條件，AMOOFDM系統(tǒng)可實現(xiàn)無色傳輸。

圖3分析的是對應于不同光波波長，驅(qū)動電流峰峰值對系統(tǒng)達到最大比特率的影響。圖3中對每個特定波長采用了確定的優(yōu)化光輸入功率和偏置電流，傳輸距離設定為60 km。從圖3中可看出，對于所有1 510～1 590 nm之間變化的波長，存在一個80 mA的優(yōu)化驅(qū)動電流峰峰值，出現(xiàn)這種情況是由于存在信號削波和信號消光比的共同作用。對于特定的波長，高峰峰值導致比較強的信號削峰和大的信號消光比，反之亦然。一個長的波長大大拓寬了線性電流增益區(qū)，這樣減小了信號的削峰效果。另一方面，一個長的波長也減小了線性電流增益曲線的斜率，這樣減小了信號的消光比。

圖3 不同光波波長時比特率與驅(qū)動電流峰峰值的關(guān)系

2.3 優(yōu)化SOA工作條件下可達到的性能

從上述分析可知，對SOA工作條件的優(yōu)化可實現(xiàn)AMOOFDM系統(tǒng)無色傳輸?；诓煌ㄩL的特定優(yōu)化工作條件，圖4給出了系統(tǒng)可達到的最佳性能。在1 510～1 590 nm寬的波長范圍內(nèi)，一個與波長不敏感的AMOOFDM系統(tǒng)傳輸距離可以達到150 km。特別是，SOA調(diào)制的無色光傳輸系統(tǒng)可以達到＞30 Gb/s的比特率，傳輸距離為60 km的單模光纖連接。需要指出的是，1 590 nm波長時傳輸性能最差，主要是由于長波波長有強的色散所造成的。

圖4 不同光波波長時比特率與傳輸距離關(guān)系

值得指出的是，對于SOA有些參數(shù)的變化(如飽和能量、SOA長度)，無色光傳輸系統(tǒng)的性能是很健壯的，這進一步增強了WDM-PON系統(tǒng)采用優(yōu)化的SOA工作條件來實現(xiàn)無色光傳輸?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

在無光放大和色散補償?shù)膯文９饫w連接系統(tǒng)中，分析了采用SOA來實現(xiàn)無色光的調(diào)制，描述了SOA強度調(diào)制器模型和相關(guān)參數(shù)，重點分析了1 510～1 590 nm波長區(qū)間范圍內(nèi)的不同波長的優(yōu)化 SOA工作條件。結(jié)果顯示，在整個波長窗口內(nèi)，當 SOA強度調(diào)制器工作在特定的優(yōu)化條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)無色光的AMOOFDM傳輸。并且，SOA調(diào)制的無色光傳輸系統(tǒng)可以達到＞30 Gb/s的比特率，傳輸距離為 60 km的單模光纖連接。

[1]汪靈杰,王建利,張傲,等.WDM-PON的無色ONU技術(shù)[J].光通信研究,2009,35(06):14-16.

[2]GROBE K, ELBERS J P. PON in Adolescence: from TDMA to WDM-PON[J].IEEE Commun., 2008,46(01):26-34.

[3]HEALEY P, TOWNSEND P, FORD C, et al. Spectral Slicing WDM-PON Using Wavelength-seeded Reflective SOAs[J]. Electron. Lett,2001,37(19):1181-1182.

[4]陳長興,鄭洪濤,鞏林玉.基于Matlab的OFDM系統(tǒng)仿真與性能分析[J].通信技術(shù),2009,42(01):93-95.

[5]曾玖貞,黃洪全.OFDM系統(tǒng)導頻信道估計算法的性能研究[J].通信技術(shù),2010,43(10):54-56.

[6]OBERMANN K, KINDT S, BREUER D, et al. Performance Analysis of Wavelength Converters based on Cross-gain Modulation in Semiconductor-optical Amplifiers[J]. J. Lightwave Technol.,1998,16(01):78-85.