任宇

（電子科技大學(xué)通信學(xué)院寬帶光纖傳輸與通信網(wǎng)技術(shù)教育部重點實驗室,四川成都610054）

光分組交換不僅具有最小的交換粒度,同時避免了出現(xiàn)電子瓶頸,是光網(wǎng)絡(luò)最熱門的研究領(lǐng)域之一[1].然而,在現(xiàn)實中存在的最棘手的問題是光-電轉(zhuǎn)換和光信號處理技術(shù)的欠缺,制約了光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和普及.其中光標(biāo)簽處理技術(shù)包括標(biāo)簽和有效載荷分離,載波恢復(fù)和標(biāo)簽重建以及分組包的再生,是實現(xiàn)光分組交換OPS的基本技術(shù).標(biāo)簽和有效載荷分離、標(biāo)簽提取和擦除,是在光節(jié)點所必需的關(guān)鍵功能之一,國內(nèi)外許多文獻已經(jīng)針對光標(biāo)簽處理技術(shù)進行了深入研究.根據(jù)光分組中不同的標(biāo)簽格式,提出了多種技術(shù)來標(biāo)記和編碼光分組,包括串行編碼技術(shù)、碼分復(fù)用技術(shù)、多波長技術(shù)、副載波技術(shù)、正交調(diào)制技術(shù)等[2-7].串行編碼技術(shù)簡單,光分組容易產(chǎn)生.隨著光邏輯器件的發(fā)展,提取的標(biāo)簽不僅可以在電域中處理,還能實現(xiàn)光域中直接處理,因此受到了廣泛的關(guān)注,許多研究如歐洲的DAVID和KEOPS項目等都基于這樣的思路來實現(xiàn)標(biāo)簽處理[8-9].

半導(dǎo)體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,SOA）不僅構(gòu)造簡單,且具有體積小、增益高、低功耗、易于和其它光電子器件集成、響應(yīng)時間短等優(yōu)點,在光通信方面的功能應(yīng)用具有非常誘人的前景,在未來的光網(wǎng)絡(luò)中將是全光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和未來光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[10].其較強的信號放大能力和非線性性能都有利于全光載波恢復(fù).本文提出一種新型的光載波恢復(fù)方案并進行了仿真,在標(biāo)簽和有效載荷分離過程中,直接應(yīng)用光學(xué)濾波器有利于光載波的提取和恢復(fù),避免了光標(biāo)簽更新過程需要大量光源的不足,同時確保標(biāo)簽和有效載荷波長一致的特性.

1 模型建立

光分組交換（Optical Packet Switching,OPS）的光信號處理如圖1所示,它包含了光學(xué)標(biāo)簽和有效載荷分離、光載波恢復(fù)以及光標(biāo)簽重寫入和光分組信號再生3個過程.

圖1 OPS中的光信號處理過程Fig.1 Optical signal processing in OPS

SOA的增益與載流子濃度有對應(yīng)關(guān)系,存在一個峰值增益點,隨著增大的載流子注入,曲線具有一定增益不再變化,而下半斜坡的增益隨著增大的載流子注入功率而降低,即圖2中的A點和B點,A＜B,則GA＞GB,而相同的峰值功率的寬脈沖電流比窄脈沖電流更易導(dǎo)致較低的載波注入功率.利用SOA的飽和增益特性,即對“B”信號的增益小于對“A”信號的增益,從而“擦除”下行信號,實現(xiàn)光載波的恢復(fù).顯然“擦除”效果的好壞取決于下行信號的消光比和輸入光功率.對下行傳輸來講,消光比越高越利于接收；對上行傳輸來講,則是消光比越低越有利于光載波的恢復(fù).輸入光功率則限制了光功率預(yù)算的范圍,SOA的飽和增益G與注入功率P不同于其他無源光器件的增益變化情況.

圖2 SOA的電流增益飽和曲線Fig.2 SOA gain curve of saturation

不同的增益有不同的脈沖寬度,不同脈沖寬度匹配相對較低比特率的標(biāo)簽和高比特率的有效載荷.通過注入不同的功率P（dB）得到不同的增益G（dBm）,解釋如下：基于SOA的增益與載流子濃度的關(guān)系,即載流子濃度不同,獲得的增益就不同.在波峰的右邊,載流子濃度越高,獲得的增益越低.在波峰的左邊,載流子濃度越高,獲得的增益越高[11].其中,SOA的飽和增益為：

其中,公式中P為飽和輸出功率,Se為有效模式橫截面積,Is為飽和強度,dω分別為SOA有源區(qū)的厚度與寬度,hν為光子能量,dg/dN為增益系數(shù)對載流子濃度的微分,τc為SOA載流子壽命.對于商用SOA,其飽和輸出功率的典型值為5～20 dBm[12].SOA的飽和增益特性對高信號的增益小,對低信號的增益大,從而達到“消除”效果；前向反饋電流注入方式的原理是SOA驅(qū)動電流山下行數(shù)據(jù)反向處理后注入,從而實現(xiàn)SOA增益隨下行數(shù)據(jù)邏輯電平值動態(tài)變化.

2 仿真分析

本系統(tǒng)要求發(fā)射光具有較大消光比,故在光載波恢復(fù)原理的基礎(chǔ)上,利用VPI TransmissionMaker建立數(shù)學(xué)模型,其限制電壓為500 mV,其他參數(shù)采用仿真的默認(rèn)參考值,OPS中光載波恢復(fù)方案見圖3.

圖3 OPS中光載波恢復(fù)過程Fig.3 Carrier recovery processing in OPS

當(dāng)光纖長度50 km,輸入脈沖的峰值電壓為1 mV,采樣時間為6.59 ns,OPS中光載波恢復(fù)仿真如圖4所示.

圖4 OPS中光載波恢復(fù)仿真Fig.4 The simulation of carrier recovery processing in OPS

SOA的驅(qū)動電流由兩部分分量構(gòu)成,部分用做“擦除”下行數(shù)據(jù)以實現(xiàn)SOA驅(qū)動電流隨下行數(shù)據(jù)邏輯電平值動態(tài)調(diào)節(jié).前饋電流注入方式是指,SOA驅(qū)動電流中用做“擦除”的部分分量,由下行數(shù)據(jù)的反向信號經(jīng)處理后饋向提供,從而使得SOA的驅(qū)動電流隨下行數(shù)據(jù)邏輯電平值動態(tài)調(diào)節(jié),增益值隨下行數(shù)據(jù)的邏輯電平值反向動態(tài)變化.下行信號為高電平時,增益變低,下行信號為低電平時,增益變高,從而達到“擦除”數(shù)據(jù),實現(xiàn)光載波恢復(fù)的目的.圖5、圖6是輸入及反向后的信號的輸出脈沖波形.

圖5 輸入矩形脈沖Fig.5 Input rectangle modulate pulse

圖6 反向的輸入矩形脈沖Fig.6 Input rectangle pulse after inverting

基于SOA的光載波恢復(fù)技術(shù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本低.但由于只設(shè)一個光源,上行數(shù)據(jù)調(diào)制在下行數(shù)據(jù)之上,所以需要對下行信號進行“擦除”,實現(xiàn)光載波的恢復(fù).本方案利用直接調(diào)制激光器啁啾效應(yīng),進行調(diào)制與解調(diào),保證附加強度調(diào)制對上行傳輸?shù)挠绊懖淮螅活l率濾波方案同樣利用了直接調(diào)制激光器的頻率啁啾效應(yīng),加入濾波器濾除低電平對應(yīng)的部分頻率來提高上行傳輸?shù)南獗?圖7～9表示輸入信號的頻譜.

圖7 注入脈沖的頻譜圖Fig.7 Optical spectrum of injected pulse

8載波恢復(fù)后的頻譜Fig.8 The pulse spectrum after Carrier recovery

圖9 信號處理后脈沖的頻譜Fig.9 Optical pulse spectrum after signal processing

在不同的時間,輸入信號有不同的上升或下降沿到來時,會發(fā)生波形的抖動.選擇100 GHz頻段的低通濾波器濾波,能夠很好的解決這一問題,其光載波恢復(fù)波形幅值為0.257 mV,信號功率的消光比達到7.20 dB.圖10、圖11驗證了圖3方案的可行性.

圖10 整形前的載波恢復(fù)脈沖Fig.10 Carrier recovery pulse before filter

圖11 整形后的載波恢復(fù)脈沖Fig.11 Carrier recovery pulse after filter

使用SOA飽和增益特性,即對高信號增益值小于對低信號的增益值,實現(xiàn)了信號的擦除和恢復(fù).由此可見,光載波恢復(fù)擦除效果取決于信號功率的消光比.一部分光加載在SOA當(dāng)前驅(qū)動器上,另一部分信號被擦除以再次進行調(diào)制,實現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯值高的動態(tài)調(diào)節(jié).前饋電流注入SOA驅(qū)動電流擦除的水平值,反轉(zhuǎn)輸入信號,使驅(qū)動電流SOA的動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)值的增益動態(tài)變化.注入電流低,收益高.相反,注入電流高,收益低.從而達到“擦除”的數(shù)據(jù)來恢復(fù)光載波恢復(fù)的目的.并采用光濾波器激光直接控制抖動,以提高消光比.

3 結(jié)論

根據(jù)不同脈沖寬度下,半導(dǎo)體光放大器SOA的增益隨載流子密度變化出現(xiàn)不同情況的特點,提出了一種基于SOA的載波恢復(fù)的新方案.仿真選擇光纖長度50 km時,載波恢復(fù)與輸入脈沖的峰值電壓為1 mV,采樣時間是6.59 ns,實現(xiàn)載波恢復(fù)波形順利提出0.257 mV,其信號功率的消光比達到7.20 dB.通過調(diào)整SOA和注入光分組信號功率參數(shù),控制直接過濾器,以消除抖動相結(jié)合,可實現(xiàn)光載波恢復(fù).

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