高性價比偏振復用OFDM信號全光波長變換的研究

盧 嘉，孟 嬌，劉劍飛，曾祥燁，王 楊

（1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401；2.河北工業大學 天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300401）

高性價比偏振復用OFDM信號全光波長變換的研究

盧 嘉1,2，孟 嬌1,2，劉劍飛1,2，曾祥燁1,2，王 楊1,2

（1.河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401；2.河北工業大學 天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300401）

采用單個連續激光器和一個射頻信號源在馬赫增德爾調制器進行調制，使其中心載波和偶階邊帶被抑制且忽略高階奇數邊帶，得到的一階奇數邊帶作為平行抽運光．采用載波抑制方法產生的平行抽運光具有偏振方向相同、相位鎖定的特點，實現了基于四波混頻效應的偏振復用OFDM信號全光波長變換的研究．對接收信號功率、SOA電流、抽運光間距這3種影響系統轉換效率的因素進行了分析，通過與傳統平行雙抽運系統進行比較，發現無論接收信號功率、輸入電流和抽運光間距如何變化，x和y 2個偏振方向誤碼率相差小，系統穩定且轉換效率高，成本與復雜度低．

光通信；全光波長變換；載波抑制；平行抽運

0 引言

全光波長變換技術是波分復用光網絡中關鍵的技術，有效地利用了頻帶資源，解決了波長競爭的問題，對于解決全光傳輸網中的波長擁擠、提高波長重用率和網絡配置的靈活性等有重要意義．目前實現四波混頻全光波長變換系統有基于單抽運的結構和雙抽運的結構．基于單抽運結構的波長變換系統是偏振敏感的[1]，而采用雙抽運結構的系統是偏振不敏感的．采用垂直雙抽運結構的系統，新產生的信號與原始信號的頻率差大不易串擾，但是轉換效率低[2-6]．采用平行雙抽運結構的系統，新產生的信號與原始信號的頻率差小，易串擾，但是轉換效率高[7-8]．人們對基于雙抽運結構的 NRZ信號在高非線性光纖和半導體光放大器（SOA）介質中偏振不敏感波長變換已經有了相關研究[5,8]，但是面對光通信中傳輸速率日益增加的需求，單載波系統的復雜度要求越來越高，常規信號顯然不能滿足．正交頻分復用（OFDM）是一類特殊的多載波調制，它利用頻譜重疊的多個子載波來傳輸數據，具有很高的頻譜效率．因此對OFDM信號的波長變換系統也有了相關研究[9-11]，然而這幾種系統僅僅是對單一的信號傳輸進行研究，系統容量有限，不能滿足當今通信網中傳輸速率的要求．

偏振復用就是使兩個相互正交的偏振態攜帶不同的信號向前傳輸，使得信號的復用度將變為原來的兩倍．采用此技術可以增加系統的傳輸容量和頻譜利用率，滿足日益增長的業務需要[12-14]．對于實際全光網絡傳輸系統，為了提高通信容量，將偏振復用技術引入通信網絡中是一種有效可行的方法[15-17]．文獻 [15]中實驗驗證了在SOA中基于平行雙抽運結構的偏振復用信號偏振不敏感波長變換的特性，偏振復用技術的使用增加了系統的容量．但是其抽運光均是來自兩束不同光源，相位并不鎖定，需要采用兩個偏振控制器（PC）來控制兩束抽運光的偏振方向，利用頻譜儀觀察其抽運光的頻譜幅度．文獻 [18]提出利用載波抑制方法產生兩個相位鎖定的平行抽運光，并驗證了在SOA中基于平行雙抽運結構來實現光載無線通信系統（ROF）的偏振不敏感特性．綜上所述，本文在文獻 [19]的基礎上，采用載波抑制得到相位鎖定的兩束平行抽運光，實現了基于SOA中偏振復用OFDM信號偏振不敏感全光波長變換的研究．同時對系統的轉換效率進行了研究，發現采用載波抑制平行雙抽運系統的性能優于傳統平行雙抽運系統．

1 原理及理論分析

其中：J1表示第一階第1類貝塞爾函數；1是調制器的調制深度；1為電信號的相位；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．調制器輸出光信號相位與幅度如圖1b）所示，2個一階邊帶的幅度是相同的，相位是相反的．由于來自同一束光源，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控制抽運光的偏振方向，這樣大大降低系統成本和復雜度．

圖1a）是平行雙抽運結構中對輸入光信號矢量方向的示意圖，信號光經連續激光器CW 2產生， 角即信號光相對于x方向的偏移量．信號光經過偏振分束器（PBS）得到偏振方向垂直的兩路光，4QAMOFDM為基帶信號，利用MZ2，MZ3將基帶信號s1t、s2t分別調制到互相垂直的兩路光上進行傳輸， 為s1t相對于x方向的偏移量．

調制了s1t、s2t的信號光經過偏振耦合器（PBC）進行耦合實現偏振復用．抽運光和偏振復用信號光經過光耦合器（OC）進行耦合并在SOA中傳輸，由于SOA中的四波混頻效應而實現波長變換，如圖1c）所示，四波混頻后的轉換光生成，只有當轉換光信號偏振角，n=0,1,2,…時，轉換信號光經過PBS進行偏振復用信號的偏振分離，兩偏振復用信號的功率相同．兩信號的功率分別為

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

通過式 (2)和式 (3)可以看出，改變抽運光的間距會影響轉換信號光的轉換效率，在傳統平行抽運系統中，觀察轉換效率的改變，通常是一個抽運光位置固定，改變另一個抽運光的頻率．而在本研究中，只需改變射頻信號源的頻率大小就使兩抽運光位置同時發生改變，進而影響轉換信號光的轉換效率．此外，本文對傳統平行雙抽運系統和載波抑制平行雙抽運系統中影響系統轉換效率的幾種因素進行了分析比較，得出載波抑制平行雙抽運系統性能優于傳統平行雙抽運系統．

2 仿真結果及分析

激光器CW 1產生頻率為193.22 THz，輸入功率為20 dBm的連續光，射頻信號的驅動頻率為20GHz．調制器MZ1的偏置電壓設置為射頻信號電壓的1/2以實現載波抑制，產生2束頻率差為40GHz的抽運光如圖2所示．中心載波被抑制，2個頻率分別為193.24 THz、193.2 THz的一階邊帶作為系統中的兩束平行抽運光，此時載波抑制比為31 dBm．而2個三階邊帶與一階邊帶差為76 dBm，對系統影響不大可以忽略．

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°的連續光作為信號光．采用PBS將信號光偏振分離成兩束正交光，把基帶信號OFDM分別調制到兩束正交光上并在PBC中耦合．兩平行抽運光和偏振復用信號光在OC中耦合后進入SOA中實現四波混頻效應．系統采用速率為2.5×109bit/s的4QAM-OFDM信號進行傳輸．其中OFDM信號的子載波個數為64，循環前綴為0.125．耦合后的信號進入SOA中，SOA的工作電流為0.32A．由于SOA中的四波混頻效應而產生的轉換光光譜圖如圖3a）所示，轉換信號光頻率為193.01THz，然而在頻率193.135THz處沒有頻譜，因為經過MZ1調制后濾出的兩束平行抽運光在此頻率處沒有頻譜，四波混頻生成新的光波在此處也沒有頻譜．利用光濾波器將轉換光濾出，由于OFDM信號子載波之間也會發生四波混頻，會產生一定的噪聲，因此濾出的轉換光會有一些串擾，光譜如圖3b）所示．

圖4 系統接收信號的星座圖Fig.4 The received constellations

在系統接收端，當系統接收功率為 21.43 dBm時，接收信號在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．偏振復用OFDM信號子載波間產生的四波混頻會使得星座圖有一些噪聲存在，導致一小部分功率的損失，但仍可實現無串擾的接收．在以上兩個系統中，無論我們如何改變輸入信號光的角度，轉換信號光的功率是不變的，從而證明系統是偏振不敏感的，與理論推導是一致的．

3 與傳統平行抽運結構比較的結果

在前兩部分理論模擬仿真分析的基礎上，在傳統平行雙抽運系統上仍采用本文提出的系統參數設置，將本系統與傳統平行雙抽運系統進行比較．

3.1 接收信號功率-誤碼率的比較

接收信號功率-誤碼率曲線如圖5所示，當接收功率大于19.5 dBm時，本系統誤碼率明顯優于傳統平行雙抽運結構系統的誤碼率．接收功率小于 19.5 dBm時，雖然傳統平行雙抽運結構系統x方向的誤碼率與本系統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y方向的誤碼率．且傳統平行雙抽運系統中兩方向的誤碼率總是相差兩個數量級，而本系統誤碼率一直處在一個數量級上，系統較穩定．綜上所述，本系統不僅轉換效率高，而且系統穩定，因此采用載波抑制平行雙抽運結構是有優勢的．

圖5 接收信號功率-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，系統誤碼率逐步減小．載波抑制平行雙抽運系統誤碼率始終在一個數量級，系統較穩定．而傳統平行雙抽運系統的誤碼率在輸入電流0.38A之后，誤碼率才逐漸穩定在一個數量級上．因此，本系統與理論推導中系統轉換效率更一致．

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

雖然傳統的平行雙抽運系統在x方向上的誤碼率具有一定優勢，但是本系統中兩偏振方向的誤碼率均優于y方向．當電流在0.38A時，傳統平行雙抽運系統在x方向的誤碼率趨于穩定，而本系統的誤碼率依舊隨著電流的增加而減小，因此傳統平行雙抽運結構系統的轉換效率低于本系統．

3.3 抽運光間距-誤碼率的比較

根據式(2)和式(3)可知，只需改變射頻信號的頻率，就可以同時改變兩抽運光的位置，直接影響轉換光信號的轉換效率．兩抽運光頻率間隔與系統誤碼率曲線如圖7所示，當兩抽運光間距在0.036～0.042 THz時,轉換信號光可以被PBS無串擾分離，誤碼率隨著兩抽運光間距的增加而減小．當抽運光間距小于0.04 THz時，本系統的誤碼率明顯優于傳統平行雙抽運系統的誤碼率，當兩抽運光間距為0.036 THz時，本系統的誤碼率要比傳統平行雙抽運系統的誤碼率高出4個數量級，誤碼率相差很小，系統較穩定．

圖7 偏振復用OFDM信號系統中抽運光間距-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結構的偏振復用OFDM信號系統，無論接收信號功率、輸入電流、抽運光間距如何變化，系統x和y方向誤碼率相差很小，始終在一個數量級上，系統較穩定，與理論推導更一致．且本系統在系統轉換效率上也優于傳統平行雙抽運系統，具有良好的轉換效率．

4 結論

本文理論及模擬仿真了載波抑制平行雙抽運結構的偏振復用OFDM信號的全光波長變換系統，得到了以下結論：

1）本文采用載波抑制得到相位鎖定的2個平行抽運光，不再需要偏振控制器來控制光傳輸的偏振方向，大大降低了系統成本及復雜度．

3）通過與傳統平行雙抽運系統進行比較，無論接收信號功率、輸入電流和抽運光間距如何變化，x和y兩個偏振方向誤碼率相差小，且系統轉換效率較好，系統穩定．綜上所述，采用載波抑制平行雙抽運結構系統優于傳統平行雙抽運結構系統．

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[責任編輯 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

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

盧嘉（1982-），女（漢族），講師，博士．

數字出版日期：2016-01-22數字出版網址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160122.1121.006.htm l