基于頻率偏移偏振復用技術的高速WDM PON系統傳輸性能研究

趙亮 楊斐 劉昕 李麗勇

【摘要】 使用直接調制反射式半導體光放大器（RSOA）和自零差接收器可以在60Km距離范圍內實現上行傳輸速率為50Gb/s波分復用無源光網絡（WDM PON）。由于受調制帶寬的限制，RSOA工作在50Gb/s的傳輸速率是十分困難的，為了能夠順利地生成50Gb/s的上行信號，我們采用了四相相位移鍵控（QPSK）和頻率偏移偏振復用技術，從而使得WDM PON可以在不需要任何光放大器的情況下，以50Gb/s速率傳輸超過60Km的距離。

【關鍵詞】 反射式半導體光放大器 自零差接收器 波分復用無源光網絡 偏振復用

一、前言

從水平結構來看，通信網網絡結構可劃分為：核心網（Core Network，CN）、接入網（Access Network，AN）和用戶駐地網（Customer Premises Network，CPN）。接入網是連接用戶駐地網和核心網的中間網絡，主要負責將終端用戶接入到核心網，使終端用戶獲得核心網上運行的各種業務與服務[1]。目前比較主流的接入網技術主要是基于EPON和GPON的FTTx技術，FTTx的接入速率雖比xDSL的速率高很多，但最高接入速率也只僅為～1Gb/s，這與核心網的高速率、大容量的業務運行能力形成了鮮明的對比，因此接入網的傳輸速率成為制約整個通信網性能提升的主要因素。

為了滿足人們日益增長的寬帶接入需求，開發傳輸速率大于50Gb/s高速率光接入網顯得十分必要。然而在WDM PON高速光接入網的具體設計過程中，如何在光網絡單元（ONU）處使用無色光源和避免使用昂貴的外部調制器成為高速率WDM PON系統能否順利實施的決定性因素[2]。我們發現在WDM PON中使用啁啾直接調制激光器可以獲得50Gb/s的下行信號。然而，由于受其調制帶寬的限制，使用諸如反射式半導體光放大器（RSOA）和反射式電吸收調制器（REAM）等無色光源來分辨高速率的上行信號是十分困難的。

近年來的研究成果表明，傳輸速率為100Gb/s的WDM PON可以被看作是在每個ONU處使用4個RSOA（每個RSOA以非歸零方式、25Gb/s的速率運行）的粗糙波分復用技術（CWDM）[3]。

本文研究了使用直接調制ROSA和自零差接收器實施的傳輸距離在60Km以內速率為50Gb/s上行信號的傳輸特性，限定RSOA的調制帶寬僅為3.2GHz，并且使用四相相移鍵控（QPSK）和頻率偏移偏振復用（PDM）技術來產生速率為50Gb/ s的上行信號。

實際中，利用偏振分束器（PBS）使得兩路種子光源的輸出信號產生25GHz的頻率偏移，然后將這兩路光信號復用之后發送至ONU。這一25GHz的頻率偏移利用延遲線干涉儀（DLI）而非偏振分束器和偏振控制器的方式區分ONU側的偏振復用種子光源。分離的種子光源被兩個運行速率為25Gb/ s的反射式半導體光放大器以四相相移鍵控（QPSK）的方式調制，調制之后的兩路輸出信號被延遲干涉儀（DLI）重新合成之后發送回中心局（CO）側。由于兩路種子光源的微小頻率偏移和QPSK信號光譜的緊湊特性，使得網絡中的信道間隔僅為60GHz，然而該WDM PON可以容納大量傳輸速率為50Gb/s的用戶。

在中心局側，偏振復用后的多個傳輸速率為50Gb/s的上行信號在自零差連續接收器檢測到之前被偏振分束器分開。與此同時，由于自零差連續接收器的靈敏度極高，因而無需在傳輸系統中使用任何光放大器。

二、實驗方案和數據

為了研究基于頻率偏移偏振復用技術的高速上行WDM PON信號傳輸性能，利用Optisystem軟件構建了仿真系統[4]，系統結構如圖1所示，該系統RSOA的碟形包的調制帶寬設置為3.2GHz。

此外，為了克服調制帶寬的限制并且獲得50Gb/s的上行信號，使用了頻率偏移偏振極化技術和QPSK的調制方式[5]。為了獲得符合要求的光信號，在ONU側安裝兩個RSOA并向ONU發送兩路正交極化的種子光信號，該種子光信號由中心局的可調激光器產生，激光器的工作波長分別為1549.96nm和1550.13nm，其輸出信號通過偏振分束器進行偏振復用，其中兩個種子光源的頻率偏移為25GHz。ONU側的延遲線干涉儀利用該頻率偏移可以簡單地實現合成或區分偏振復用的種子光源，無需使用極化分束器及其配套的極化控制電路。

圖1所示系統中的陣列波導光柵（AWG）設置在中心局或者遠程節點，它具有平頂通頻帶特性并且信道間隔為60GHz。因此25GHz的頻率偏移可以保證偏振復用的種子光源通過陣列波導光柵時不會產生明顯的衰減。該仿真系統種子光源的輸出光功率設置為3dBm，即長度為60Km的饋線光纖的輸入口功率為3dBm。在饋線光纖中傳輸一段距離（～1Km）后，偏振復用的種子光源被ONU側的延遲線干涉儀分成兩個支路，其中延遲線干涉儀的插入損耗小于1dB。由于延遲線干涉儀自由光譜區的寬度為50GHz，因此延遲線干涉儀合成或分離頻率偏移為25GHz的偏振復用信號十分有效的。

例如，當頻率偏移為25GHz時，延遲線干涉儀輸入端和輸出端偏振復用后的種子光源光譜特性分別如圖2-1和2-2所示。

圖2-1和2-2表明偏振復用后的種子光源可以通過延遲線干涉儀進行分離，其抑制比為22dB。經過測量，該傳輸系統中每個RSOA上的入射光光功率為-15dBm。分離后的種子光源直接被RSOA用四級電信號調制成速率為25Gb/ s的四相相移鍵控的格式，然后通過DLI重新將兩路信號合成之后再發送回中心局。這樣就可以用ONU側的兩個RSOA獲得50Gb/s的上行信號，每個RSOA的傳輸速率為25Gb/s，調制方式為QPSK。

圖2-3是合成的上行光信號通過DLI的光譜圖，由于兩個種子光源之間存在25GHz的頻率偏移，使得RSOA直接調制后的上行信號光譜被展寬，因此調制速率為25Gb/s時兩個RSOA的光譜會有部分重疊。然而，由于兩路信號是以正交極化的方式傳輸的，因此上述光譜的部分重疊不會導致接收器產生明顯的色度干擾。

圖2-4為上行信號進入中心局側接收器之前的光譜，合成后的上行信號被偏振分束器分離出來，抑制比為～30dB，自零差接收器可以檢測到分離后的上行信號[6]，這種連續的自零差接收器可以用3×3耦合器經過120°光混合獲得。這種情況下，上行信號的偏振狀態與中心局側輸入偏振分束器的種子光源時刻保持正交狀態。

進行自零差連續檢測時，使用種子光源Ⅰ和Ⅱ中的一部分作為兩個本地振蕩器，如圖1所示。這兩個振蕩器分別為連續接收器Ⅰ和Ⅱ提供脈沖信號，其中本地振蕩器的輸出功率為3dBm。

該體系下的每個連續接收器側3×3耦合器的輸出信號使用三個插腳式光電二極管檢測，檢測到的信號用數字采樣示波器進行采樣，采樣率為50GS/s。并使用高通濾波器濾除由瑞利后向散射產生的低頻部分[7]，其中高通濾波器的截止頻率為20MHz。然后用逆向光纖色散函數的傅里葉變換對接收信號進行色散補償，并在RSOA側設置了電流幅度調制裝置，因此RSOA的相位在相位圖中只能在0～3/2п之間變化，因此只需測量相位圖中3/2п～0之間的夾角就可以計算出QPSK信號的載波相位。然后使用電子均衡技術對RSOA的調制帶寬進行補償，其中RSOA作為相位調制器用來產生QPSK信號，而RSOA輸出信號的相位與信號強度成比例變化。

因此，我們在調制信號的相位部分使用了電子均衡技術，其中相位均衡器由19路半字符開關的前向反饋均衡器和10路開關判決反饋均衡器組成[8]。

圖3為接收器Ⅰ和Ⅱ接收到的速率為25Gb/s的QPSK信號在不同傳輸距離的誤碼率曲線。在背靠背的工作方式下，接收器在誤碼率為10-4時的靈敏度為-28.4dBm，在單模光纖鏈路中傳輸超過60Km后的靈敏度為-26.3dBm，可見兩個連續接收器測量靈敏度并沒有顯著的不同，如圖3-1和3-2所示。

由此可見，光信號傳輸60Km之后的功率損失大部分是由于RSOA的入射光功率減少引起的。為了估算頻率偏移偏振復用技術對接收器靈敏度的影響，我們在測量其中一個上行信號的誤碼率曲線同時，關閉了另一個工作在正交偏振狀態的上行信號，研究結果表明，由頻率偏移偏振復用技術所引起的功率損失小于0.5dBm，具體情況如圖3-1和3-2所示。

三、結論

本文研究了基于頻率偏移偏振復用技術的高速上行WDM PON信號傳輸系統中速率為50Gb/s的上行信號在單模光纖鏈路中傳輸距離超過60Km時的傳輸特性。

為了克服RSOA調制帶寬的限制并產生50Gb/s的上行信號，該WDM PON系統使用了QPSK調制和頻率偏移偏振復用技術。

我們在系統中的ONU處設置了兩個頻偏25GHz的正交偏振的種子光源，這兩個種子光源被ONU側的延遲線干涉儀分離后又分別被RSOA調制成速率為25Gb/s的QPSK信號，最后ONU側的延遲線干涉儀將兩路QPSK光信號合成一路信號后發送回中心局。

在中心局側，偏振復用后的上行信號被偏振分束器分開后就可以被兩個自零差接收器檢測到了。另外，由于自零差接收器的靈敏度非常高，因此不需要任何光放大器就可以實現60Km范圍內速率為50Gb/s光信號的傳輸，該WDM PON系統信道間隔為60GHz，所得光譜效率為0.78bit/s/Hz，這一結果表明該WDM PON系統中可以支持大量傳輸速率為50Gb/s的信道。

根據以上結果可知，使用直接調制RSOA和自零差接收器構建傳輸距離為60Km、傳輸速率為50Gb/s的WDM PON系統是可行的。

因此，和其他低速率WDM PON系統不同，該50Gb/s WDM PON系統使用了QPSK的調制方式和頻率偏移偏振復用（PDM）技術，從而使更高速率的WDM PON傳輸系統成為可能。

參 考 文 獻

[1]戈樂涅沃斯基，通信概論[M].北京：電子工業出版社，2010年6月.

[2] Shu-Chuan Lin， San-Liang Lee， Han-Hyuan Lin， Gerd Keiser， Rajeev J. Ram. Cross-Seeding Schemes for WDM-BasedNext-Generation Optical Access Networks[J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY.2011（29）：3727-3736.

[3] K. Y. Cho， U. H. Hong， Y. Takushima， A. Agata， T. Sano， M. Suzuki， and Y. C. Chung.103-Gb/s long-reachWDM PON implemented by using directly-modulated RSOAs[J].IEEE Photon. Technol. Lett. 24（3）：209-211.（2012）.

[4]張春蕾，陳海靈，閆彩化.基于RSOA再調制技術的WDM-PON系統仿真研究[J].半導體光電，2013（34）：482-485.

[5] H. K. Shim， K. Y. Cho， U. H. Hong， and Y. C. Chung. Transmission of 40-Gb/s QPSK upstream signalin RSOA-based coherent WDM PON usingoffset PDM technique[J].OPTICS EXPRESS， 2013（21）：3721-3725.

[6] K. Y. Cho， U. H. Hong， S. P. Jung， Y. Takushima， A. Agata， T. Sano， Y. Horiuchi， M. Suzuki， and Y. C. Chung.Long-reach 10-Gb/s RSOA-based WDM PON employing QPSK signal and coherent receiver[J]. Opt. Express， 20（14）， 15353–15358 （2012）.

[7] C. W. Chow， Member， IEEE， C. H.Yeh， Member， IEEE， Y. F.Wu， Student Member， IEEE， Y.H.Lin，F.Y. Shih， Student Member， IEEE， and S. Chi. Rayleigh Backscattering Circumvention in Ring-Based Access Network Using RSOA-ONU[J]. IEEE PHOTONICS TECHNOLO LETTERS， 2011（23）：1121-1123.

[8] C. H. Yeh， C. W. Chow. Signal Remodulation Ring WDM Passive Optical Network withRayleigh Backscattering Interferometric Noise Mitigation[J]. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS， 2011（15）：1114-1116.