趙亮 楊斐 劉昕 李麗勇

【摘要】 使用直接調(diào)制反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）和自零差接收器可以在60Km距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)上行傳輸速率為50Gb/s波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM PON）。由于受調(diào)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(hào)，我們采用了四相相位移鍵控（QPSK）和頻率偏移偏振復(fù)用技術(shù)，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(guān)鍵詞】 反射式半導(dǎo)體光放大器 自零差接收器 波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò) 偏振復(fù)用

一、前言

從水平結(jié)構(gòu)來看，通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可劃分為：核心網(wǎng)（Core Network，CN）、接入網(wǎng)（Access Network，AN）和用戶駐地網(wǎng)（Customer Premises Network，CPN）。接入網(wǎng)是連接用戶駐地網(wǎng)和核心網(wǎng)的中間網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)將終端用戶接入到核心網(wǎng)，使終端用戶獲得核心網(wǎng)上運(yùn)行的各種業(yè)務(wù)與服務(wù)[1]。目前比較主流的接入網(wǎng)技術(shù)主要是基于EPON和GPON的FTTx技術(shù)，F(xiàn)TTx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(wǎng)的高速率、大容量的業(yè)務(wù)運(yùn)行能力形成了鮮明的對(duì)比，因此接入網(wǎng)的傳輸速率成為制約整個(gè)通信網(wǎng)性能提升的主要因素。

為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的寬帶接入需求，開發(fā)傳輸速率大于50Gb/s高速率光接入網(wǎng)顯得十分必要。然而在WDM PON高速光接入網(wǎng)的具體設(shè)計(jì)過程中，如何在光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）處使用無色光源和避免使用昂貴的外部調(diào)制器成為高速率WDM PON系統(tǒng)能否順利實(shí)施的決定性因素[2]。我們發(fā)現(xiàn)在WDM PON中使用啁啾直接調(diào)制激光器可以獲得50Gb/s的下行信號(hào)。然而，由于受其調(diào)制帶寬的限制，使用諸如反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）和反射式電吸收調(diào)制器（REAM）等無色光源來分辨高速率的上行信號(hào)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(gè)ONU處使用4個(gè)RSOA（每個(gè)RSOA以非歸零方式、25Gb/s的速率運(yùn)行）的粗糙波分復(fù)用技術(shù)（CWDM）[3]。

本文研究了使用直接調(diào)制ROSA和自零差接收器實(shí)施的傳輸距離在60Km以內(nèi)速率為50Gb/s上行信號(hào)的傳輸特性，限定RSOA的調(diào)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(fù)用（PDM）技術(shù)來產(chǎn)生速率為50Gb/ s的上行信號(hào)。

實(shí)際中，利用偏振分束器（PBS）使得兩路種子光源的輸出信號(hào)產(chǎn)生25GHz的頻率偏移，然后將這兩路光信號(hào)復(fù)用之后發(fā)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(qū)分ONU側(cè)的偏振復(fù)用種子光源。分離的種子光源被兩個(gè)運(yùn)行速率為25Gb/ s的反射式半導(dǎo)體光放大器以四相相移鍵控（QPSK）的方式調(diào)制，調(diào)制之后的兩路輸出信號(hào)被延遲干涉儀（DLI）重新合成之后發(fā)送回中心局（CO）側(cè)。由于兩路種子光源的微小頻率偏移和QPSK信號(hào)光譜的緊湊特性，使得網(wǎng)絡(luò)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(cè)，偏振復(fù)用后的多個(gè)傳輸速率為50Gb/s的上行信號(hào)在自零差連續(xù)接收器檢測(cè)到之前被偏振分束器分開。與此同時(shí)，由于自零差連續(xù)接收器的靈敏度極高，因而無需在傳輸系統(tǒng)中使用任何光放大器。

二、實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)

為了研究基于頻率偏移偏振復(fù)用技術(shù)的高速上行WDM PON信號(hào)傳輸性能，利用Optisystem軟件構(gòu)建了仿真系統(tǒng)[4]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)RSOA的碟形包的調(diào)制帶寬設(shè)置為3.2GHz。

此外，為了克服調(diào)制帶寬的限制并且獲得50Gb/s的上行信號(hào)，使用了頻率偏移偏振極化技術(shù)和QPSK的調(diào)制方式[5]。為了獲得符合要求的光信號(hào)，在ONU側(cè)安裝兩個(gè)RSOA并向ONU發(fā)送兩路正交極化的種子光信號(hào)，該種子光信號(hào)由中心局的可調(diào)激光器產(chǎn)生，激光器的工作波長(zhǎng)分別為1549.96nm和1550.13nm，其輸出信號(hào)通過偏振分束器進(jìn)行偏振復(fù)用，其中兩個(gè)種子光源的頻率偏移為25GHz。ONU側(cè)的延遲線干涉儀利用該頻率偏移可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)合成或區(qū)分偏振復(fù)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(tǒng)中的陣列波導(dǎo)光柵（AWG）設(shè)置在中心局或者遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，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(fù)用的種子光源通過陣列波導(dǎo)光柵時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減。該仿真系統(tǒng)種子光源的輸出光功率設(shè)置為3dBm，即長(zhǎng)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(fù)用的種子光源被ONU側(cè)的延遲線干涉儀分成兩個(gè)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(qū)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(fù)用信號(hào)十分有效的。

例如，當(dāng)頻率偏移為25GHz時(shí)，延遲線干涉儀輸入端和輸出端偏振復(fù)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(fù)用后的種子光源可以通過延遲線干涉儀進(jìn)行分離，其抑制比為22dB。經(jīng)過測(cè)量，該傳輸系統(tǒng)中每個(gè)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(jí)電信號(hào)調(diào)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(hào)合成之后再發(fā)送回中心局。這樣就可以用ONU側(cè)的兩個(gè)RSOA獲得50Gb/s的上行信號(hào)，每個(gè)RSOA的傳輸速率為25Gb/s，調(diào)制方式為QPSK。

圖2-3是合成的上行光信號(hào)通過DLI的光譜圖，由于兩個(gè)種子光源之間存在25GHz的頻率偏移，使得RSOA直接調(diào)制后的上行信號(hào)光譜被展寬，因此調(diào)制速率為25Gb/s時(shí)兩個(gè)RSOA的光譜會(huì)有部分重疊。然而，由于兩路信號(hào)是以正交極化的方式傳輸?shù)?，因此上述光譜的部分重疊不會(huì)導(dǎo)致接收器產(chǎn)生明顯的色度干擾。

圖2-4為上行信號(hào)進(jìn)入中心局側(cè)接收器之前的光譜，合成后的上行信號(hào)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(cè)到分離后的上行信號(hào)[6]，這種連續(xù)的自零差接收器可以用3×3耦合器經(jīng)過120°光混合獲得。這種情況下，上行信號(hào)的偏振狀態(tài)與中心局側(cè)輸入偏振分束器的種子光源時(shí)刻保持正交狀態(tài)。

進(jìn)行自零差連續(xù)檢測(cè)時(shí)，使用種子光源Ⅰ和Ⅱ中的一部分作為兩個(gè)本地振蕩器，如圖1所示。這兩個(gè)振蕩器分別為連續(xù)接收器Ⅰ和Ⅱ提供脈沖信號(hào)，其中本地振蕩器的輸出功率為3dBm。

該體系下的每個(gè)連續(xù)接收器側(cè)3×3耦合器的輸出信號(hào)使用三個(gè)插腳式光電二極管檢測(cè)，檢測(cè)到的信號(hào)用數(shù)字采樣示波器進(jìn)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(chǎn)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(shù)的傅里葉變換對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行色散補(bǔ)償，并在RSOA側(cè)設(shè)置了電流幅度調(diào)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(cè)量相位圖中3/2п～0之間的夾角就可以計(jì)算出QPSK信號(hào)的載波相位。然后使用電子均衡技術(shù)對(duì)RSOA的調(diào)制帶寬進(jìn)行補(bǔ)償，其中RSOA作為相位調(diào)制器用來產(chǎn)生QPSK信號(hào)，而RSOA輸出信號(hào)的相位與信號(hào)強(qiáng)度成比例變化。

因此，我們?cè)谡{(diào)制信號(hào)的相位部分使用了電子均衡技術(shù)，其中相位均衡器由19路半字符開關(guān)的前向反饋均衡器和10路開關(guān)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(hào)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(shí)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(gè)連續(xù)接收器測(cè)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(hào)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(fù)用技術(shù)對(duì)接收器靈敏度的影響，我們?cè)跍y(cè)量其中一個(gè)上行信號(hào)的誤碼率曲線同時(shí)，關(guān)閉了另一個(gè)工作在正交偏振狀態(tài)的上行信號(hào)，研究結(jié)果表明，由頻率偏移偏振復(fù)用技術(shù)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(jié)論

本文研究了基于頻率偏移偏振復(fù)用技術(shù)的高速上行WDM PON信號(hào)傳輸系統(tǒng)中速率為50Gb/s的上行信號(hào)在單模光纖鏈路中傳輸距離超過60Km時(shí)的傳輸特性。

為了克服RSOA調(diào)制帶寬的限制并產(chǎn)生50Gb/s的上行信號(hào)，該WDM PON系統(tǒng)使用了QPSK調(diào)制和頻率偏移偏振復(fù)用技術(shù)。

我們?cè)谙到y(tǒng)中的ONU處設(shè)置了兩個(gè)頻偏25GHz的正交偏振的種子光源，這兩個(gè)種子光源被ONU側(cè)的延遲線干涉儀分離后又分別被RSOA調(diào)制成速率為25Gb/s的QPSK信號(hào)，最后ONU側(cè)的延遲線干涉儀將兩路QPSK光信號(hào)合成一路信號(hào)后發(fā)送回中心局。

在中心局側(cè)，偏振復(fù)用后的上行信號(hào)被偏振分束器分開后就可以被兩個(gè)自零差接收器檢測(cè)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(shí)現(xiàn)60Km范圍內(nèi)速率為50Gb/s光信號(hào)的傳輸，該WDM PON系統(tǒng)信道間隔為60GHz，所得光譜效率為0.78bit/s/Hz，這一結(jié)果表明該WDM PON系統(tǒng)中可以支持大量傳輸速率為50Gb/s的信道。

根據(jù)以上結(jié)果可知，使用直接調(diào)制RSOA和自零差接收器構(gòu)建傳輸距離為60Km、傳輸速率為50Gb/s的WDM PON系統(tǒng)是可行的。

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

參 考 文 獻(xiàn)

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