再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)中FBG均衡技術(shù)

黃艷華，強(qiáng)世錦

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程系，武漢430074)

再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)中FBG均衡技術(shù)

黃艷華，強(qiáng)世錦

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程系，武漢430074)

研究了反射型半導(dǎo)體光放大器（R ef l ect i ve Sem i conduct or O pt i cal Am pl i f i er,R SO A）有源區(qū)物理參數(shù)對(duì)上行再調(diào)制信號(hào)速率的影響，提出了一種采用光纖光柵(Fi ber Bragg G rat i ngs,FBG)實(shí)現(xiàn)光域均衡的方案，并對(duì)不同F(xiàn)BG參數(shù)設(shè)置下的均衡效果進(jìn)行了仿真。搭建了基于R SO A的再調(diào)制W D M-PO N系統(tǒng)，經(jīng)過光域均衡，實(shí)現(xiàn)了上行10G b/s信號(hào)的傳輸。

波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)；反射型半導(dǎo)體光放大器；光纖光柵；均衡

0 引言

波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）是未來光接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)?！盁o色”O(jiān)NU技術(shù)，有效降低了PON系統(tǒng)安裝、運(yùn)營(yíng)以及維護(hù)成本，是WDM-PON的關(guān)鍵技術(shù)，其中基于反射型半導(dǎo)體光放大器（RSOA）再調(diào)制的方案，是最具潛力的WDM-PON系統(tǒng)無色ONU解決方案。但RSOA受有源區(qū)材料和結(jié)構(gòu)的限制，調(diào)制帶寬小于2GHz[1]，因而嚴(yán)重限制了PON系統(tǒng)上行傳輸速率和傳輸距離。如何提高RSOA的調(diào)制帶寬，增大上行傳輸速率及傳輸距離是目前基于RSOA的WDM PON系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段提高RSOA的調(diào)制速率的手段主要有以下幾種：①?gòu)腞SOA的結(jié)構(gòu)和材料出發(fā)，設(shè)計(jì)新型的RSOA，這是因?yàn)镽SOA的調(diào)制帶寬是由RSOA的材料和其有源區(qū)結(jié)構(gòu)決定的。②采用光域均衡技術(shù)，抑制RSOA輸出光信號(hào)中的低頻部分，保留信號(hào)高頻部分，提高輸出光信號(hào)的消光比，從而增加RSOA的有效調(diào)制速率[1]。③采用電均衡技術(shù)，提高接收信號(hào)的靈敏度。④采用高階調(diào)制方案以減少RSOA的調(diào)制帶寬造成的信號(hào)高頻部分的失真，提高輸出信號(hào)質(zhì)量。第一種方案RSOA新器件的研發(fā)存在周期長(zhǎng)及其不可預(yù)期的成本問題,為其進(jìn)一步推廣帶來困難；后3種方案相對(duì)于當(dāng)前的RSOA以及WDM PON系統(tǒng)透明,因此更有潛力。其中采用光域均衡技術(shù)，是由于成本低廉、復(fù)雜度低及其無源特性受到廣泛關(guān)注。鑒于上述技術(shù)現(xiàn)狀，以下我們研究再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)中基于FBG的均衡技術(shù)，旨在彌補(bǔ)RSOA調(diào)制帶寬不足的問題，提高光信號(hào)的上行速率。

1 調(diào)整有源區(qū)的物理參數(shù)來提高上行速率

目前,商用RSOA的調(diào)制帶寬通常小于2GHz，這使得基于RSOA的上行再調(diào)制速率大大受限（無外加電均衡或者前向糾錯(cuò)編碼的情況下，上行速率不能超過2.5Gb/s），我們通過仿真，測(cè)試了RSOA的一些主要參數(shù)對(duì)RSOA的調(diào)制速率的影響。

1.1 RSOA有源區(qū)結(jié)構(gòu)的影響

實(shí)驗(yàn)中，下行速率為10Gb/s，采用CSRZ-DPSK調(diào)制（因?yàn)樵摯a型具有很強(qiáng)的抗光纖非線性以及色散的能力），上行RSOA再調(diào)制采用NRZ碼型，單向傳輸距離5千米，RSOA注入功率為-5dBm。將RSOA的增益限制因子從0.45增加到0.6，得到PON上行接收端光信號(hào)Q值與RSOA上行再調(diào)制信號(hào)速率的關(guān)系曲線如圖1(a)所示。

保持增益因子Γ=0.45不變，改變RSOA有源區(qū)的橫截面積。將橫截面積1.6×10-13m2減小為1×10-13m2，得到在不同橫截面積下，上行接收端Q值與上行速率的關(guān)系曲線如圖1(b)所示。

從圖1(a)中可以看出，增益限制因子Γ=0.45時(shí)，上行調(diào)制速率為1.25Gb/s；當(dāng)Γ增加到0.6時(shí)，上行速率可達(dá)到5Gb/s（對(duì)于實(shí)際光通信系統(tǒng)，要求接收端誤碼指標(biāo)BER≤10-9，對(duì)應(yīng)Q≥6）。增益限制因子是有源區(qū)限制光波能力的一個(gè)標(biāo)志。增益限制因子越大，則允許更多的光子進(jìn)入有源區(qū)，增加了有源區(qū)的光子密度，效果就是載流子的濃度得到提高，降低RSOA有源區(qū)增益恢復(fù)時(shí)間[2]，因而增加了RSOA的調(diào)制帶寬，提高了上行傳輸速率。實(shí)際制造中,為了得到較大的增益限制因子，生產(chǎn)商需要將InGaAsP質(zhì)半導(dǎo)體深掩埋到 InP質(zhì)的基底[3]，但這將增加生產(chǎn)的工藝復(fù)雜度。

從圖1(b)可以看出，在橫截面積為1.6×10-13m2時(shí)，上行速率可達(dá)到 1.25Gb/s；當(dāng)橫截面積減小為 1× 10-13m2時(shí)，上行速率達(dá)到2.5Gb/s（對(duì)應(yīng)Q≥6時(shí)）。因?yàn)闇p少有源區(qū)橫截面積相當(dāng)于增加了有源區(qū)內(nèi)載流子濃度，從而增加了調(diào)制帶寬，提高了上行速率。

圖1 RSOA上行調(diào)制特性

1.2 RSOA入射功率的影響

保持增益因子Γ=0.45，有源區(qū)的橫截面積為1.6× 10-13m2，改變RSOA輸入光功率，得到不同光功率情況下上行接收端Q值與上行再調(diào)制信號(hào)速率的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 入射功率對(duì)上行調(diào)制特性的影響

當(dāng)輸入光功率為-5dBm時(shí)，上行調(diào)制速率為1.25Gb/s；當(dāng)輸入光功率增大到0dBm時(shí)，上行調(diào)制速率可達(dá)到5Gb/s?？梢姡斎牍夤β试酱?，RSOA的調(diào)制帶寬也越大，可以支持更高的上行速率。

從以上實(shí)驗(yàn)可知，通過改變RSOA有源區(qū)的物理參數(shù)，如增加增益限制因子、橫截面積、注入光功率等因素，可以提高有源區(qū)的載流子濃度，降低增益恢復(fù)時(shí)間，從而提高RSOA的調(diào)制帶寬[3]，獲得較高的上行速率。但是，這也對(duì)RSOA器件的生產(chǎn)工藝及PON系統(tǒng)的光源帶來更高的要求。

2 基于FBG偏置濾波提升RSOA上行再調(diào)制信號(hào)速率的仿真

2.1 基于FBG偏置濾波的光域均衡分析

隨著上行速率的提升，RSOA調(diào)制帶寬不足對(duì)上行再調(diào)制信號(hào)的影響如圖3所示。

圖3 RSOA在不同調(diào)制速率下的眼圖

從上行接收端眼圖來看，隨著調(diào)制速率的上升，碼型出現(xiàn)了幅度的起伏，眼圖逐漸閉合。因?yàn)檎{(diào)制帶寬的限制，高頻部分無法達(dá)到最大增益值，而低頻部分可以達(dá)到最大增益值，因此“1”碼碼型有了高低起伏幅度不一致，從而導(dǎo)致了眼圖的模糊[4]。

為了提高上行調(diào)制速率，采用光域均衡技術(shù)，在RSOA輸出端后串接一個(gè) FBG，比較經(jīng)過FBG均衡前后的光譜和眼圖，如圖4和5所示。

圖4 FBG均衡前后的光譜對(duì)比（10Gb/s上行）

圖5 FBG均衡前后的眼圖對(duì)比（10Gb/s上行）

由圖4和圖5中可以看出,經(jīng)過FBG均衡濾波后，減少了RSOA增益不足造成的信號(hào)畸變，保證了上行再調(diào)制信號(hào)較好的單色性，從而可在接收端時(shí)域獲得較清晰的眼圖。

2.2 FBG反射譜帶寬對(duì)RSOA均衡效果的影響

均衡效果的好壞與FBG的特性密切相關(guān)，在背靠背傳輸、RSOA輸入光功率為-5dBm以及FBG的反射率為99%的情況下，改變FBG的帶寬設(shè)置，觀測(cè)不同帶寬設(shè)置上行鏈路誤碼率 （即BER隨FBG反射譜帶寬的變化）曲線。

圖6 上行鏈路的BER隨FBG反射譜帶寬的變化曲線

圖6反映了在相同F(xiàn)BG反射譜帶寬下，上行鏈路速率5Gb/s時(shí)的誤碼率指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于上行鏈路速率10Gb/s時(shí)的誤碼率指標(biāo)。FBG反射譜帶寬為38GHz時(shí)的均衡效果最佳，但進(jìn)一步增加濾波器帶寬時(shí)，均衡效果變差，因?yàn)殡S著FBG反射譜的展寬,下行信號(hào)殘留碼型也隨之變強(qiáng)，對(duì)RSOA再調(diào)制光輸出信號(hào)的干擾越強(qiáng)烈。

2.3 FBG反射率對(duì)RSOA均衡效果的影響

分別在背靠背傳輸和L= 5km、RSOA輸入光功率為-5dBm、FBG的反射帶寬為38GHz的情況下，改變FBG的反射率設(shè)置，觀測(cè)不同上行速率下反射率對(duì)上行鏈路誤碼性能的影響，其變化曲線如圖7所示。

圖7 FBG的反射率對(duì)上行鏈路BER的影響

從圖7可以看出，在FBG的反射率設(shè)置不變的情況下，隨著傳輸距離增加，上行鏈路的誤碼率指標(biāo)會(huì)劣化。FBG反射率為99%時(shí)，上行鏈路誤碼性能優(yōu)于FBG反射率為55%時(shí)對(duì)應(yīng)的上行鏈路誤碼性能。這是因?yàn)镕BG較高的反射率，經(jīng)FBG均衡后的信號(hào)，抑制了原RSOA光輸出信號(hào)的ASE噪聲和下行殘留碼型，提高了RSOA輸出光信號(hào)的OSNR，因而改善了上行鏈路誤碼性能。

根據(jù)上述分析，F(xiàn)BG反射譜帶寬為38GHz，同時(shí)反射率為99%時(shí)，F(xiàn)BG濾波器均衡效果最佳。

2.4 FBG均衡下的最大傳輸距離研究

上述實(shí)驗(yàn)基于單信道的上行再調(diào)制信號(hào)的分析，而在WDM-PON系統(tǒng)下，因?yàn)槎嘈诺辣舜酥g的交叉相位調(diào)制以及四波混頻等因素影響，F(xiàn)BG的均衡效果與單信道系統(tǒng)會(huì)有區(qū)別。下面以O(shè)ptisystem軟件仿真4波道的基于RSOA的WDM-PON系統(tǒng)，由此來研究經(jīng)過FBG均衡濾波后，WDM-PON系統(tǒng)在高速上行速率下所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x。

在典型RSOA的WDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，我們進(jìn)行FBG均衡改造：在接收端RSOA上行再調(diào)制信號(hào)的輸出端串接一個(gè)FBG；為保證RSOA輸入端比較大的注入功率，在下行信號(hào)經(jīng)合波器合波后，串連一個(gè)ED-FA，再接入G.652光纖傳輸。上下行各采用一條光纖傳輸，下行采用CSRZ-DPSK碼型，下行單波道速率10Gb/s，上行采用NRZ碼。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

改變傳輸距離，分別設(shè)置單波道上行速率5Gb/s和10Gb/s，測(cè)試不同速率下，上行鏈路的BER隨傳輸距離的變化曲線；對(duì)比未進(jìn)行FBG均衡前，上行速率5Gb/s下，BER隨傳輸距離的變化。如圖8所示。

圖8BER與傳輸距離的關(guān)系

可以看出，在沒有經(jīng)過FBG均衡前，上行速率為5Gb/s時(shí)，上行接收端BER很大，因?yàn)榇藭r(shí)受限于RSOA的調(diào)制帶寬限制，不能實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制（>5Gb/s）。而在采用FBG均衡改造后，大大改善了上行接收端的誤碼性能，上行速率最高可達(dá)到10Gb/s，但采用10Gb/s速率上行時(shí)，系統(tǒng)傳輸距離只能達(dá)到5km（對(duì)應(yīng)BER≤10-9）；在上行速率為5Gb/s時(shí)，系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)到12km（對(duì)應(yīng)BER≤10-9）。在本實(shí)驗(yàn)中，上行入纖功率很大（單信道上行功率在10dBm左右），非線性效應(yīng)很明顯。因此非線性效應(yīng)是限制高速調(diào)制下系統(tǒng)傳輸距離的主要因素，而且傳輸速率越高，相當(dāng)于脈沖寬度縮短，非線性效應(yīng)影響更嚴(yán)重。光纖非線性效應(yīng)的影響很難補(bǔ)償，需要采用大有效面積的光纖增強(qiáng)抗系統(tǒng)非線性影響的能力[5]。

3 結(jié)束語

本文研究了再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)中基于FBG的均衡技術(shù)，得到的主要結(jié)論如下：

①RSOA有源區(qū)的尺寸和物理參數(shù)對(duì)RSOA調(diào)制性能影響很大?？紤]到RSOA新器件的研發(fā)周期及生產(chǎn)成本，采用現(xiàn)有商用RSOA器件，但保持RSOA較大的注入功率是獲得較高上行調(diào)制速率的比較現(xiàn)實(shí)的選擇。

②FBG作為光均衡濾波器可彌補(bǔ)RSOA調(diào)制帶寬不足的問題,進(jìn)而提升上行速率至5Gb/s以上。合理設(shè)置FBG的反射譜帶寬和反射率可達(dá)到最佳均衡效果。

③經(jīng)過FBG均衡后的4波道再調(diào)制WDM-PON系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)上行10Gb/s信號(hào)的5km傳輸和上行5Gb/s信號(hào)的12km傳輸，誤碼率≤10-9，誤碼性能滿足光通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量要求。

[1]劉磊.下一代光接入網(wǎng)中基于半導(dǎo)體光放大器的光信號(hào)處理理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2012：20-32．

[2]蔣莉玲．基于RSOA再調(diào)WDM_PON接入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2014：59-63．

[3]劉明濤．下一代光接入網(wǎng)中基于SOA_RSOA的光信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2012：49-50．

[4]曹志會(huì)．高速大容量WDM PON梳狀種子光源產(chǎn)生等關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2012：27-36．

[5]顧畹儀．WDM超長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006．

FBG equalization techniques in WDM-PON system based on RSOA re-modulation

HUANG Yan-hua,QIANG Shi-jin
(Department of Telecommunication Engineering,Wuhan Polytechnic,Wuhan 430074,China)

The influence of physical parameters of RSOA active region on the uplink rate of re modulation signal is studied in this paper.A scheme to realize the equalization of optical field with FBG is proposed,and the simulation of the effect of different FBG parameters is carried out.Finally,the WDM-PON system based on RSOA Re-modulation is set up,and the transmission of the uplink 10Gb/s signal is realized through the optical field equalization with FBG.

WDM-PON,RSOA,FBG,equalization techniques

TN248

A

1002-5561（2016）02-0049-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.015

2015-11-04。

湖北省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（B2014219）資助。

黃艷華（1974-），女，副教授，碩士，從事光通信技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。