高性價(jià)比偏振復(fù)用OFDM信號(hào)全光波長(zhǎng)變換的研究

盧 嘉，孟 嬌，劉劍飛，曾祥燁，王 楊

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401）

高性價(jià)比偏振復(fù)用OFDM信號(hào)全光波長(zhǎng)變換的研究

盧 嘉1,2，孟 嬌1,2，劉劍飛1,2，曾祥燁1,2，王 楊1,2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401）

采用單個(gè)連續(xù)激光器和一個(gè)射頻信號(hào)源在馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，使其中心載波和偶階邊帶被抑制且忽略高階奇數(shù)邊帶，得到的一階奇數(shù)邊帶作為平行抽運(yùn)光．采用載波抑制方法產(chǎn)生的平行抽運(yùn)光具有偏振方向相同、相位鎖定的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于四波混頻效應(yīng)的偏振復(fù)用OFDM信號(hào)全光波長(zhǎng)變換的研究．對(duì)接收信號(hào)功率、SOA電流、抽運(yùn)光間距這3種影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行了分析，通過(guò)與傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)無(wú)論接收信號(hào)功率、輸入電流和抽運(yùn)光間距如何變化，x和y 2個(gè)偏振方向誤碼率相差小，系統(tǒng)穩(wěn)定且轉(zhuǎn)換效率高，成本與復(fù)雜度低．

光通信；全光波長(zhǎng)變換；載波抑制；平行抽運(yùn)

0 引言

全光波長(zhǎng)變換技術(shù)是波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的技術(shù)，有效地利用了頻帶資源，解決了波長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，對(duì)于解決全光傳輸網(wǎng)中的波長(zhǎng)擁擠、提高波長(zhǎng)重用率和網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性等有重要意義．目前實(shí)現(xiàn)四波混頻全光波長(zhǎng)變換系統(tǒng)有基于單抽運(yùn)的結(jié)構(gòu)和雙抽運(yùn)的結(jié)構(gòu)．基于單抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)變換系統(tǒng)是偏振敏感的[1]，而采用雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)是偏振不敏感的．采用垂直雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，新產(chǎn)生的信號(hào)與原始信號(hào)的頻率差大不易串?dāng)_，但是轉(zhuǎn)換效率低[2-6]．采用平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，新產(chǎn)生的信號(hào)與原始信號(hào)的頻率差小，易串?dāng)_，但是轉(zhuǎn)換效率高[7-8]．人們對(duì)基于雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的 NRZ信號(hào)在高非線性光纖和半導(dǎo)體光放大器（SOA）介質(zhì)中偏振不敏感波長(zhǎng)變換已經(jīng)有了相關(guān)研究[5,8]，但是面對(duì)光通信中傳輸速率日益增加的需求，單載波系統(tǒng)的復(fù)雜度要求越來(lái)越高，常規(guī)信號(hào)顯然不能滿足．正交頻分復(fù)用（OFDM）是一類特殊的多載波調(diào)制，它利用頻譜重疊的多個(gè)子載波來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，具有很高的頻譜效率．因此對(duì)OFDM信號(hào)的波長(zhǎng)變換系統(tǒng)也有了相關(guān)研究[9-11]，然而這幾種系統(tǒng)僅僅是對(duì)單一的信號(hào)傳輸進(jìn)行研究，系統(tǒng)容量有限，不能滿足當(dāng)今通信網(wǎng)中傳輸速率的要求．

偏振復(fù)用就是使兩個(gè)相互正交的偏振態(tài)攜帶不同的信號(hào)向前傳輸，使得信號(hào)的復(fù)用度將變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍．采用此技術(shù)可以增加系統(tǒng)的傳輸容量和頻譜利用率，滿足日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需要[12-14]．對(duì)于實(shí)際全光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，為了提高通信容量，將偏振復(fù)用技術(shù)引入通信網(wǎng)絡(luò)中是一種有效可行的方法[15-17]．文獻(xiàn) [15]中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在SOA中基于平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的偏振復(fù)用信號(hào)偏振不敏感波長(zhǎng)變換的特性，偏振復(fù)用技術(shù)的使用增加了系統(tǒng)的容量．但是其抽運(yùn)光均是來(lái)自兩束不同光源，相位并不鎖定，需要采用兩個(gè)偏振控制器（PC）來(lái)控制兩束抽運(yùn)光的偏振方向，利用頻譜儀觀察其抽運(yùn)光的頻譜幅度．文獻(xiàn) [18]提出利用載波抑制方法產(chǎn)生兩個(gè)相位鎖定的平行抽運(yùn)光，并驗(yàn)證了在SOA中基于平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)光載無(wú)線通信系統(tǒng)（ROF）的偏振不敏感特性．綜上所述，本文在文獻(xiàn) [19]的基礎(chǔ)上，采用載波抑制得到相位鎖定的兩束平行抽運(yùn)光，實(shí)現(xiàn)了基于SOA中偏振復(fù)用OFDM信號(hào)偏振不敏感全光波長(zhǎng)變換的研究．同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用載波抑制平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)．

1 原理及理論分析

其中：J1表示第一階第1類貝塞爾函數(shù)；1是調(diào)制器的調(diào)制深度；1為電信號(hào)的相位；E0為光載波的幅度．從式 (1)可以看到中心載波和偶階邊帶被抑制，而且高階的奇數(shù)邊帶的功率很低，因此只考慮一階邊帶，一階邊帶的頻率分別為．調(diào)制器輸出光信號(hào)相位與幅度如圖1b）所示，2個(gè)一階邊帶的幅度是相同的，相位是相反的．由于來(lái)自同一束光源，因此2束光相位鎖定且具有相同的偏振方向，不需要使用PC控制抽運(yùn)光的偏振方向，這樣大大降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度．

圖1a）是平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中對(duì)輸入光信號(hào)矢量方向的示意圖，信號(hào)光經(jīng)連續(xù)激光器CW 2產(chǎn)生， 角即信號(hào)光相對(duì)于x方向的偏移量．信號(hào)光經(jīng)過(guò)偏振分束器（PBS）得到偏振方向垂直的兩路光，4QAMOFDM為基帶信號(hào)，利用MZ2，MZ3將基帶信號(hào)s1t、s2t分別調(diào)制到互相垂直的兩路光上進(jìn)行傳輸， 為s1t相對(duì)于x方向的偏移量．

調(diào)制了s1t、s2t的信號(hào)光經(jīng)過(guò)偏振耦合器（PBC）進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)偏振復(fù)用．抽運(yùn)光和偏振復(fù)用信號(hào)光經(jīng)過(guò)光耦合器（OC）進(jìn)行耦合并在SOA中傳輸，由于SOA中的四波混頻效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換，如圖1c）所示，四波混頻后的轉(zhuǎn)換光生成，只有當(dāng)轉(zhuǎn)換光信號(hào)偏振角，n=0,1,2,…時(shí)，轉(zhuǎn)換信號(hào)光經(jīng)過(guò)PBS進(jìn)行偏振復(fù)用信號(hào)的偏振分離，兩偏振復(fù)用信號(hào)的功率相同．兩信號(hào)的功率分別為

式中：Aii=1,2,3分別為兩抽運(yùn)光和信號(hào)光的幅度；AOFDM是輸入OFDM信號(hào)光幅度；Gx為SOA在x方向的增益；R 20是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率．分離出的信號(hào)光再分別利用光電二極管（PD）進(jìn)行直接檢測(cè)接收，得到原始基帶信號(hào)．

通過(guò)式 (2)和式 (3)可以看出，改變抽運(yùn)光的間距會(huì)影響轉(zhuǎn)換信號(hào)光的轉(zhuǎn)換效率，在傳統(tǒng)平行抽運(yùn)系統(tǒng)中，觀察轉(zhuǎn)換效率的改變，通常是一個(gè)抽運(yùn)光位置固定，改變另一個(gè)抽運(yùn)光的頻率．而在本研究中，只需改變射頻信號(hào)源的頻率大小就使兩抽運(yùn)光位置同時(shí)發(fā)生改變，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)換信號(hào)光的轉(zhuǎn)換效率．此外，本文對(duì)傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)和載波抑制平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)中影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的幾種因素進(jìn)行了分析比較，得出載波抑制平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)．

2 仿真結(jié)果及分析

激光器CW 1產(chǎn)生頻率為193.22 THz，輸入功率為20 dBm的連續(xù)光，射頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)頻率為20GHz．調(diào)制器MZ1的偏置電壓設(shè)置為射頻信號(hào)電壓的1/2以實(shí)現(xiàn)載波抑制，產(chǎn)生2束頻率差為40GHz的抽運(yùn)光如圖2所示．中心載波被抑制，2個(gè)頻率分別為193.24 THz、193.2 THz的一階邊帶作為系統(tǒng)中的兩束平行抽運(yùn)光，此時(shí)載波抑制比為31 dBm．而2個(gè)三階邊帶與一階邊帶差為76 dBm，對(duì)系統(tǒng)影響不大可以忽略．

圖2 載波抑制后頻譜圖Fig.2 The spectrum after carrier suppression

圖3 頻譜圖Fig.3 The spectrum

激光器CW 2輸出頻率為193.05THz，偏振角度為45°的連續(xù)光作為信號(hào)光．采用PBS將信號(hào)光偏振分離成兩束正交光，把基帶信號(hào)OFDM分別調(diào)制到兩束正交光上并在PBC中耦合．兩平行抽運(yùn)光和偏振復(fù)用信號(hào)光在OC中耦合后進(jìn)入SOA中實(shí)現(xiàn)四波混頻效應(yīng)．系統(tǒng)采用速率為2.5×109bit/s的4QAM-OFDM信號(hào)進(jìn)行傳輸．其中OFDM信號(hào)的子載波個(gè)數(shù)為64，循環(huán)前綴為0.125．耦合后的信號(hào)進(jìn)入SOA中，SOA的工作電流為0.32A．由于SOA中的四波混頻效應(yīng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換光光譜圖如圖3a）所示，轉(zhuǎn)換信號(hào)光頻率為193.01THz，然而在頻率193.135THz處沒(méi)有頻譜，因?yàn)榻?jīng)過(guò)MZ1調(diào)制后濾出的兩束平行抽運(yùn)光在此頻率處沒(méi)有頻譜，四波混頻生成新的光波在此處也沒(méi)有頻譜．利用光濾波器將轉(zhuǎn)換光濾出，由于OFDM信號(hào)子載波之間也會(huì)發(fā)生四波混頻，會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，因此濾出的轉(zhuǎn)換光會(huì)有一些串?dāng)_，光譜如圖3b）所示．

圖4 系統(tǒng)接收信號(hào)的星座圖Fig.4 The received constellations

在系統(tǒng)接收端，當(dāng)系統(tǒng)接收功率為 21.43 dBm時(shí)，接收信號(hào)在x和y方向的星座圖如圖4a）和b），得到x方向的誤碼率為2.6×10-4，y方向的誤碼率為4.15×10-4．偏振復(fù)用OFDM信號(hào)子載波間產(chǎn)生的四波混頻會(huì)使得星座圖有一些噪聲存在，導(dǎo)致一小部分功率的損失，但仍可實(shí)現(xiàn)無(wú)串?dāng)_的接收．在以上兩個(gè)系統(tǒng)中，無(wú)論我們?nèi)绾胃淖冚斎胄盘?hào)光的角度，轉(zhuǎn)換信號(hào)光的功率是不變的，從而證明系統(tǒng)是偏振不敏感的，與理論推導(dǎo)是一致的．

3 與傳統(tǒng)平行抽運(yùn)結(jié)構(gòu)比較的結(jié)果

在前兩部分理論模擬仿真分析的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)上仍采用本文提出的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，將本系統(tǒng)與傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行比較．

3.1 接收信號(hào)功率-誤碼率的比較

接收信號(hào)功率-誤碼率曲線如圖5所示，當(dāng)接收功率大于19.5 dBm時(shí)，本系統(tǒng)誤碼率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的誤碼率．接收功率小于 19.5 dBm時(shí)，雖然傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)x方向的誤碼率與本系統(tǒng)x方向誤碼率基本相似，但是其y方向誤碼率明顯劣于本系統(tǒng)y方向的誤碼率．且傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)中兩方向的誤碼率總是相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而本系統(tǒng)誤碼率一直處在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，系統(tǒng)較穩(wěn)定．綜上所述，本系統(tǒng)不僅轉(zhuǎn)換效率高，而且系統(tǒng)穩(wěn)定，因此采用載波抑制平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)是有優(yōu)勢(shì)的．

圖5 接收信號(hào)功率-誤碼率曲線圖Fig.5 BER trend curve versusdifferent received power

3.2 SOA電流-誤碼率的比較

由圖6可以看出隨著輸入電流的增加，系統(tǒng)誤碼率逐步減?。d波抑制平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)誤碼率始終在一個(gè)數(shù)量級(jí)，系統(tǒng)較穩(wěn)定．而傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)的誤碼率在輸入電流0.38A之后，誤碼率才逐漸穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)量級(jí)上．因此，本系統(tǒng)與理論推導(dǎo)中系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率更一致．

圖6 電流-誤碼率曲線圖Fig.6 BER trend curve versusdifferent injection current

雖然傳統(tǒng)的平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)在x方向上的誤碼率具有一定優(yōu)勢(shì)，但是本系統(tǒng)中兩偏振方向的誤碼率均優(yōu)于y方向．當(dāng)電流在0.38A時(shí)，傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)在x方向的誤碼率趨于穩(wěn)定，而本系統(tǒng)的誤碼率依舊隨著電流的增加而減小，因此傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率低于本系統(tǒng)．

3.3 抽運(yùn)光間距-誤碼率的比較

根據(jù)式(2)和式(3)可知，只需改變射頻信號(hào)的頻率，就可以同時(shí)改變兩抽運(yùn)光的位置，直接影響轉(zhuǎn)換光信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率．兩抽運(yùn)光頻率間隔與系統(tǒng)誤碼率曲線如圖7所示，當(dāng)兩抽運(yùn)光間距在0.036～0.042 THz時(shí),轉(zhuǎn)換信號(hào)光可以被PBS無(wú)串?dāng)_分離，誤碼率隨著兩抽運(yùn)光間距的增加而減?。?dāng)抽運(yùn)光間距小于0.04 THz時(shí)，本系統(tǒng)的誤碼率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)的誤碼率，當(dāng)兩抽運(yùn)光間距為0.036 THz時(shí)，本系統(tǒng)的誤碼率要比傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)的誤碼率高出4個(gè)數(shù)量級(jí)，誤碼率相差很小，系統(tǒng)較穩(wěn)定．

圖7 偏振復(fù)用OFDM信號(hào)系統(tǒng)中抽運(yùn)光間距-誤碼率曲線圖Fig.7 BER trend curvedifferentfrequency spacingbetweenpumps inpolarizationmultiplexingOFDM signalsystem

綜上所述，采用載波抑制平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的偏振復(fù)用OFDM信號(hào)系統(tǒng)，無(wú)論接收信號(hào)功率、輸入電流、抽運(yùn)光間距如何變化，系統(tǒng)x和y方向誤碼率相差很小，始終在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，系統(tǒng)較穩(wěn)定，與理論推導(dǎo)更一致．且本系統(tǒng)在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率上也優(yōu)于傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)，具有良好的轉(zhuǎn)換效率．

4 結(jié)論

本文理論及模擬仿真了載波抑制平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的偏振復(fù)用OFDM信號(hào)的全光波長(zhǎng)變換系統(tǒng)，得到了以下結(jié)論：

1）本文采用載波抑制得到相位鎖定的2個(gè)平行抽運(yùn)光，不再需要偏振控制器來(lái)控制光傳輸?shù)钠穹较?，大大降低了系統(tǒng)成本及復(fù)雜度．

3）通過(guò)與傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，無(wú)論接收信號(hào)功率、輸入電流和抽運(yùn)光間距如何變化，x和y兩個(gè)偏振方向誤碼率相差小，且系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率較好，系統(tǒng)穩(wěn)定．綜上所述，采用載波抑制平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)平行雙抽運(yùn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)．

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Research on allopticalwavelength conversion for cost-effective polarizationmultiplexing OFDM signal

LU Jia1,2，MENG Jiao1,2，LIU Jianfei1,2，ZENG Xiangye1,2，WANG Yang1,2

(1.Schoolof Information Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300401,China；2.Tianjin Key LaboratoryofElectronic Materials&Devices,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

In thispaper,a signalcontiunous laserand a radio frequency signalaremodulated in theMach-Zachder-Modulator.The center carrier and even order sideband are suppressed and the high order odd sideband is neglected.The first orderodd sideband are used as parallelpump.Tthe carrier suppressionmethod is used to produce the same polarization direction and phase locking of two beamsof lightwavesasparallelpump lightwave.Thesystem ofall-opticalwavelength conversion based on four-wavem ixing forpolarizationmultiplexingOFDM signalisachieved.The three influence factors for the system are receiver power,SOA injection currentand the frequency spacing of pumps.And the influence factors areanalyzed.The system with carriersuppression parallelpumpssystem are comparedwith traditionalparallelpump system.Itisconcluded thatnomatterhow the three factorschange,thebiterror rateof two polarization direction arealways sim ilar.The suppression of paralleldual-pump system are stablewith high conversion efficiency,low costand lesscomplexity.

optical communication;allopticalwavelength conversion;carriersuppression;parallelpumps

TN929.11

A

1007-2373(2016)01-0013-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.003

2015-06-09

河北省自然科學(xué)基金青年基金（F2014202036），天津市自然科學(xué)基金（15JCYBJC17000），河北省高等學(xué)校高層次人才科學(xué)研究項(xiàng)目（GCC2014011）

盧嘉（1982-），女（漢族），講師，博士．

數(shù)字出版日期：2016-01-22數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160122.1121.006.htm l