一種利用單激光器生成光譜幅度碼標(biāo)記的方法

曹永盛，趙代春，高 潔，管郁慶

(1.電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，成都 611731;2.中國(guó)人民解放軍某部，烏魯木齊 830002)

現(xiàn)有光通信網(wǎng)交換節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)的光—電—光轉(zhuǎn)換及電域處理造成網(wǎng)絡(luò)“電子瓶頸”。光標(biāo)記交換(OLS，optical label switching)技術(shù)可利用路由控制信息形成的標(biāo)記實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而降低光電轉(zhuǎn)換與電域處理的數(shù)據(jù)量，免除復(fù)雜路由處理，提高網(wǎng)絡(luò)速率。因此，OLS技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的最佳候選技術(shù)之一［1－2］。

目前，人們已提出了多種光標(biāo)記交換技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用光標(biāo)記、多波長(zhǎng)光標(biāo)記、正交調(diào)制光標(biāo)記等。最近，一種新型光標(biāo)記交換技術(shù)——光碼標(biāo)記交換技術(shù)，以其大容量、高速率、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，已引起了眾多研究者的關(guān)注，并被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N光標(biāo)記交換技術(shù)［3］。

作為一種一維頻域編碼的光碼標(biāo)記——光譜幅度碼(SAC，spectral amplitude code)標(biāo)記，由于具備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低、標(biāo)記易于產(chǎn)生和識(shí)別等優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為光碼標(biāo)記技術(shù)新的發(fā)展方向，并被逐步應(yīng)用于光碼分多址(OCDMA，optical code division multiple access)系統(tǒng)與光碼標(biāo)記交換系統(tǒng)［4－5］。

在SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)中，標(biāo)記信號(hào)與凈荷信息被加載于不同的波長(zhǎng)之上，并在同一時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸。標(biāo)記在頻域進(jìn)行編碼，并通過(guò)不同的幅度被確定為“0”碼或“1”碼。SAC標(biāo)記系統(tǒng)的光包在頻域與時(shí)域下的示意圖如圖1所示。

圖1 SAC標(biāo)記系統(tǒng)的光包示意圖

現(xiàn)階段一般使用多波長(zhǎng)激光器陣列或超寬帶光源來(lái)產(chǎn)生SAC標(biāo)記，但這種標(biāo)記生成結(jié)構(gòu)給SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)帶來(lái)了2個(gè)致命缺點(diǎn):較低的頻譜利用率和復(fù)雜度較高的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在之前的工作中，筆者已提出應(yīng)用隱式SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)來(lái)解決頻譜利用率的問(wèn)題［6］。本文將提出一種利用單波長(zhǎng)激光器與法布里－珀羅(F-P)可調(diào)濾波器生成多頻率SAC標(biāo)記的新方法，以便解決標(biāo)記生成器結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題。本文使用625 Mb/s和1.25 Gb/s的標(biāo)記，以及40 Gb/s幅度調(diào)制(IM，intensity modulation)凈荷來(lái)驗(yàn)證該方法的工作性能。

1 系統(tǒng)工作原理

F-P可調(diào)濾波器是由2塊半透半反的平行反射鏡面構(gòu)成的光學(xué)諧振腔，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Fabry-Perot可調(diào)濾波器結(jié)構(gòu)

由圖2可知，光線(xiàn)入射F-P濾波器諧振腔后，在2鏡面間做多次反射后輸出。濾波器可通過(guò)調(diào)節(jié)鏡面距離L，根據(jù)式2L=mc/f(其中:c為光速;f為 光頻率;m=1，2，3，…)選擇某一頻率的光通過(guò)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)濾波，其他頻率分量則被阻隔。鏡面距離的調(diào)節(jié)既可通過(guò)直接移動(dòng)鏡面機(jī)械地改變，也可通過(guò)改變腔中物質(zhì)折射率而間接改變［7］。

目前，鋰酸鈮(LiNbO3)F-P可調(diào)濾波器的最窄濾波帶寬可達(dá)2 GHz，調(diào)諧速度超過(guò)1 Gb/s，可調(diào)范圍在50 nm以上。正是鑒于濾波帶寬窄、調(diào)諧速度快、可調(diào)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)-P濾波器已被廣泛應(yīng)用于波分復(fù)用(WDM，wavelength division multiplexing)系統(tǒng)解復(fù)用單元與多信道波長(zhǎng)選擇中［8］。

基于F-P可調(diào)濾波器的選頻特性，利用該濾波器與單波長(zhǎng)激光器生成多頻率SAC標(biāo)記的工作原理為:先使用鋸齒波函數(shù)對(duì)激光器進(jìn)行頻率調(diào)制，生成功率恒定、工作頻率隨時(shí)間變化的掃頻光源(如圖3(a)所示)，其中掃頻范圍fswept=fn－f1，掃頻周期為T(mén);隨后，該掃頻光源經(jīng)頻率間隔為Δf的F-P可調(diào)濾波器選頻后，生成功率恒定、頻率隨時(shí)間變化，且間隔為 Δf的 SAC脈沖信號(hào)(如圖3(b)所示)，其中Δf=fswept/N，N為掃頻周期T內(nèi)標(biāo)記所占用的頻率數(shù)目;頻率間隔為Δf的SAC脈沖經(jīng)速率為 N/T(b/s)的標(biāo)記電信號(hào)(如圖3(c)所示)調(diào)制后，生成速率為N/T(b/s)的SAC標(biāo)記信號(hào)(如圖3(d)所示)。

圖3 利用F-P濾波器產(chǎn)生多頻率SAC標(biāo)記原理

由圖3可知，利用掃頻光源與F-P濾波器可生成時(shí)域分布的SAC標(biāo)記，這樣可有效減少SAC系統(tǒng)中所需的光源數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。由于F-P可調(diào)濾波器的調(diào)諧速率在1 Gb/s以上，因此，在仿真中可將標(biāo)記速率提高至1.25 Gb/s。

2 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

為驗(yàn)證方案的工作特性，在仿真軟件 VPI Transmission Maker中搭建背靠背(BTB，back-toback)多頻率SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)，其仿真模型如圖4所示。其中凈荷速率為40 Gb/s，標(biāo)記速率為625 Mb/s與 1.25 Gb/s。

圖4 單光源多頻率SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)

由圖4可知，在標(biāo)記發(fā)生器中，工作波長(zhǎng)為1552.92 nm(193.05 THz)，發(fā)射功率為 0 dBm，線(xiàn)寬為10 MHz的分布反饋式(DFB，distributed feedback)激光器，經(jīng)周期為12.8 ns的鋸齒波函數(shù)進(jìn)行頻率調(diào)制(FM，frequency modulation)后，生成發(fā)射功率恒定、工作頻率為193.05～193.082 THz的掃頻光源(如圖 5(a)所示)，此時(shí) fswept=32 GHz。當(dāng)F-P濾波器的選頻間隔設(shè)定為2 GHz時(shí)，在128 ns的時(shí)間窗內(nèi)，將能產(chǎn)生16個(gè)SAC脈沖，此時(shí)對(duì)應(yīng)標(biāo)記速率為1.25 Gb/s(如圖5(b)所示);當(dāng)選頻間隔設(shè)定為4 GHz時(shí)，12.8 ns內(nèi)將產(chǎn)生8個(gè)SAC脈沖，此時(shí)標(biāo)記速率則為625 Mb/s。SAC脈沖與PRBS序列長(zhǎng)度為27－1的625 Mb/s或1.25 Gb/s的標(biāo)記信號(hào)，經(jīng)消光比為30 dB的馬赫－曾德(M-Z，Mach-Zehnder)調(diào)制器編碼后，生成SAC標(biāo)記(如圖5(c)、(d)所示)。40 Gb/s IM凈荷信號(hào)由序列長(zhǎng)度為223－1的偽隨機(jī)序列(PRBS，pseudo-random binary sequence)發(fā)生器與非歸零碼(NRZ，non return-to-zero)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，光源波長(zhǎng)為 1553.33 nm(193 THz)，線(xiàn)寬為10 MHz，發(fā)射功率為0 dBm，M-Z調(diào)制器消光比為30 dB。

圖5 1.25 Gb/s多頻率SAC脈沖信號(hào)頻譜

標(biāo)記識(shí)別單元采用與標(biāo)記生成器類(lèi)似的結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)記進(jìn)行相干探測(cè)［9］。為了覆蓋所有的標(biāo)記頻率，掃頻本振光源(LO，local oscillator)的工作頻率可設(shè)置為 193.049～193.083 THz，其線(xiàn)寬為1 MHz。SAC標(biāo)記與LO信號(hào)經(jīng)3 dB耦合器混頻后，再通過(guò)平衡接收機(jī)進(jìn)行光電探測(cè)，轉(zhuǎn)換為時(shí)域電信號(hào)。時(shí)域信號(hào)經(jīng)雙低通濾波器(LPF，low-pass filter)濾波及時(shí)鐘恢復(fù)處理后，進(jìn)入誤碼測(cè)試儀(BERT，bit rate error tester)進(jìn)行性能測(cè)試。經(jīng)解調(diào)后的標(biāo)記時(shí)域波形如圖6所示。由圖6中波形可知，利用相干探測(cè)技術(shù)，正確識(shí)別了1.25 Gb/s的16頻率SAC標(biāo)記。同時(shí)，經(jīng)解調(diào)后的標(biāo)記獲得了較大的對(duì)比度。625 Mb/s與1.25 Gb/s SAC標(biāo)記的BER特性如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)BER為10－9時(shí)，在未攜帶凈荷的情況下，625 Mb/s標(biāo)記與1.25 Gb/s標(biāo)記的接收光功率分別為－22.7 dBm與－15.8 dBm，光信噪比(OSNR，optical signal-to-noise ratio)分別為5.2 dB與9.6 dB。該結(jié)果表明:低速標(biāo)記表現(xiàn)出了較好的接收質(zhì)量，625 Mb/s與1.25 Gb/s標(biāo)記之間的功率代價(jià)與OSNR代價(jià)分別為6.9 dB與4.4 dB。攜帶凈荷后，接收光功率分別為－21.7 dBm與 －15 dBm，OSNR分別為 6.3 dB與10.5 dB;與無(wú)凈荷情況相比，625 Mb/s標(biāo)記與1.25 Gb/s標(biāo)記的功率代價(jià)分別為1.0 dB與0.8 dB，OSNR代價(jià)分別為1.1 dB與0.9 dB。上述結(jié)果表明，雖然625 Mb/s標(biāo)記的BER特性較1.25 Gb/s標(biāo)記好，但攜帶凈荷后，功率代價(jià)與OSNR代價(jià)反而略大于1.25 Gb/s標(biāo)記。攜帶不同速率標(biāo)記的凈荷BER特性如圖8所示。

圖6 經(jīng)調(diào)制后的1.25 Gb/s SAC標(biāo)記

由圖8可知，當(dāng)BER為10－9時(shí)，在未攜帶標(biāo)記的情況下，40 Gb/s IM凈荷接收光功率為－18.8 dBm，OSNR為21.9 dB;攜帶625 Mb/s標(biāo)記與1.25 Gb/s標(biāo)記時(shí)，凈荷接收光功率分別為－18.1dBm與－17.8 dBm，OSNR分別為23.2 dB與23.3 dB。攜帶標(biāo)記后，凈荷接收光功率分別降低了0.7 dB與1 dB，OSNR分別增大了1.3 dB與1.4 dB;攜帶不同速率標(biāo)記時(shí)，凈荷BER特性并無(wú)明顯變化，功率代價(jià)與OSNR代價(jià)僅為0.3 dB與0.1 dB。

上述結(jié)果表明，標(biāo)記對(duì)凈荷BER特性的影響很小，攜帶標(biāo)記后，凈荷功率代價(jià)與OSNR代價(jià)均未超過(guò)1.5 dB。此外，不同速率標(biāo)記對(duì)凈荷BER的影響也很小。因此，在多頻率SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)中，凈荷可攜帶高速率的標(biāo)記信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用單波長(zhǎng)掃頻激光器產(chǎn)生多頻率SAC標(biāo)記的新方法。該方法大大降低了現(xiàn)有SAC標(biāo)記生成器的單元結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)成本。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了8頻率625 Mb/s標(biāo)記與16頻率1.25 Gb/s標(biāo)記在加載40 Gb/s IM凈荷時(shí)的系統(tǒng)傳輸特性。仿真結(jié)果表明，該方案體現(xiàn)出了良好的BER傳輸特性與OSNR特性，適用于高速光標(biāo)記交換的傳輸系統(tǒng)。

［1］VLACHOS K G，MONROY I T，KOONEN A M J，et al.STOLAS:Switching technologies for optically labeled signals［J］.IEEE Optical Communication，2003，41(11):9－15.

［2］CINCOTTI C，MANZACCA G，WANG X，et al.Reconfigurable multiport optical en/decoder with enhanced auto-correlation［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2008，20(2):168－170.

［3］EL-SAHN Z A，SHASTRI B J，ZENG M，et al.Experimental demonstration of a SAC-OCDMA PON with burstmode reception:local versus centralized source［J］.IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2008，26(10):1192－1203.

［4］YOSHINO M，KANEKO S，TANIGUCHI T，et al.Beat noise mitigation of spectral amplitude coding OCDMA using heterodyne detection［J］.IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2008，26(8):962 －970.

［5］SEDDIGHIAN P，AYOTEE S，F(xiàn)ERNANDEZ J B R，et al.Label stacking in photonic packet switched networks with spectral amplitude code labels［J］.IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2007，25(2):463 －471.

［6］CAO Y S，OSADCHIY A V，XIN X J，et al.Performance analysis of IM，DPSK and DQPSK payload signals with frequency swept coherent detected spectral amplitude code labeling［J］.Optical Switching and Networking，2011，8(2):79 －85.

［7］GOLOVCHENKO E A，PILIPETSKII A N，MENTUK C R.Limitations imposed by Fabry-Perot sliding filters on soliton WDM transmission［C］//In:Proceeding of the IEEE Optical Fiber Communication(OFC’2002).Anaheim:CA，paper ThH2，2002.

［8］ALLAN W R，GRAHAM Z W，ZAYAS J R，et al.Multiplexed fiber Bragg grating interrogation system using a microelectromechanical Fabry-Perot tunable filter［J］.IEEE Sensors Journal，2009，9(8):936 －943.

［9］CAO Y S，OSADCHIY A V，XIN X J，et al.Recognition of spectral amplitude codes by frequency swept coherent detection for flexible optical label switching［J］.Photonic Network Communications，2010，20(2):131 －137.

［10］范嗣強(qiáng)，朱仁江，粱一平，等.半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG固體激光器輸出光束質(zhì)量研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)量［J］.激光雜志，2010(6):9－11.

［11］高志紅，高蘭蘭，李姝，等.全固態(tài)和頻激光器的研究進(jìn)展［J］.激光雜志，2010(06):4－7.

［12］姜明順，孟玲，馮德軍，等.基于PM－FBG的可開(kāi)關(guān)雙波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器［J］.壓電與聲光，2010(6):933－935.