贠琦，郭瑋，龍宇，曹永盛

（電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，四川成都611731）

新型掃頻相干探測光譜幅度碼（SAC）標(biāo)記交換系統(tǒng)研究

贠琦，郭瑋，龍宇，曹永盛

（電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，四川成都611731）

本文提出了一種利用掃頻本地光源（LO）對光譜幅度碼（SAC）標(biāo)記進(jìn)行相干探測識(shí)別的新型SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)，并利用仿真對所提方案進(jìn)行了性能驗(yàn)證。首先，闡述了相干探測識(shí)別SAC標(biāo)記的基本原理。隨后，利用仿真軟件，搭建掃頻LO實(shí)現(xiàn)SAC標(biāo)記相干檢測的仿真系統(tǒng)模型。最后，通過仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析，說明了所提方案的工作性能。結(jié)果表明：使用掃頻相干探測法可以正確識(shí)別156 Mb/s的SAC標(biāo)記；當(dāng)光帶通濾波器（OBPF）帶寬為60 GHz時(shí)，凈荷信號(hào)可實(shí)現(xiàn)最佳接收。此時(shí)對應(yīng)系統(tǒng)接收靈敏度為-17.6 dBm。

通信與信息系統(tǒng)；掃頻相干探測；光譜幅度碼（SAC）；光標(biāo)記交換系統(tǒng)

0 引言

光標(biāo)記技術(shù)的提出，為實(shí)現(xiàn)全光交換打下了良好的基礎(chǔ)。而各種不同類型光標(biāo)記交換技術(shù)的陸續(xù)出現(xiàn)，極大減少了光電轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)量，大幅提高了光交換網(wǎng)絡(luò)的速度和效率。盡管如此，現(xiàn)有光交換技術(shù)仍無法徹底擺脫數(shù)據(jù)在核心節(jié)點(diǎn)的光電轉(zhuǎn)換過程與電域處理。本世紀(jì)初，隨著對光碼分復(fù)用（OCDM）技術(shù)研究的深入，光碼（OC）的概念被逐步擴(kuò)展至光標(biāo)記交換領(lǐng)域中。作為一項(xiàng)最新的光標(biāo)記交換技術(shù)，OC標(biāo)記技術(shù)的最大優(yōu)勢在于：采用OCDM中的編/解碼原理，在光標(biāo)記交換系統(tǒng)核心節(jié)點(diǎn)處，利用全光相關(guān)器對OC標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別，并使用光閾值判決器與光控光開關(guān)完成對凈荷的轉(zhuǎn)發(fā)，從而可徹底擺脫了光標(biāo)記交換系統(tǒng)核心節(jié)點(diǎn)處的光/電/光（O/E/O）轉(zhuǎn)換過程，在理論上實(shí)現(xiàn)真正的全光交換[1-4]。

目前，在OC標(biāo)記交換系統(tǒng)中，已有多種編碼方式供選擇。光譜幅度碼（SAC）作為一種一維頻域編碼方式，憑借其工作原理簡單，系統(tǒng)復(fù)雜度低，標(biāo)記生成及識(shí)別容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已引起了眾多研究者的關(guān)注，多種基于SAC編碼方式的新碼型也被陸續(xù)提出，并正在被廣泛應(yīng)用于OCDMA系統(tǒng)與OC標(biāo)記交換系統(tǒng)中[5-7]。

2006年，加拿大學(xué)者首次將SAC碼應(yīng)用于OC標(biāo)記交換系統(tǒng)，其系統(tǒng)均使用10 Gb/s 強(qiáng)度調(diào)制（IM）凈荷，并通過相干探測對SAC標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別?？赡壳埃瑢AC標(biāo)記交換系統(tǒng)的研究仍處于起步階段，理論尚不成熟，還存在標(biāo)記識(shí)別單元結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本過高、系統(tǒng)承載凈荷速率過低、凈荷調(diào)制方式單一等缺點(diǎn)[8-10]。

為此，本文提出一種利用掃頻相干探測識(shí)別SAC標(biāo)記的新方法。通過對現(xiàn)有SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)中的不足之處進(jìn)行深入分析與仿真研究，驗(yàn)證了一種實(shí)現(xiàn)簡單，成本較低的新型SAC標(biāo)記識(shí)別單元。

1 相干探測光譜幅度碼工作原理

相干探測光譜幅度碼標(biāo)記識(shí)別單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，該識(shí)別單元由一個(gè)3 dB耦合器、一個(gè)發(fā)射功率恒定，工作頻率隨時(shí)間線性變化的掃頻本振光源（LO）與平衡檢測接收器構(gòu)成。

圖1 掃頻相干探測SAC標(biāo)記識(shí)別單元（a） SAC標(biāo)記頻域圖 （b） 頻率隨時(shí)間線性變化的掃頻LO （c） 經(jīng)解調(diào)后的SAC標(biāo)記時(shí)域圖Fig.1 Swept Coherent detected SAC label unit（a） Spectral of SAC labels （b） Swept LO （c） Waveforms of SAC labels after demodulating

如圖1所示，方便起見，假設(shè)4個(gè)光碼的相位一致。對工作頻率覆蓋SAC標(biāo)記所有可用頻率（f1-f4）的線性掃頻LO（如圖1（b）所示），有fLO（tn）=fn，其中n=1、2、3、4。上述兩路信號(hào)經(jīng)3 dB耦合器實(shí)現(xiàn)相干探測后，混頻信號(hào)經(jīng)平衡接收機(jī)濾除高頻分量、直流分量與噪聲后，根據(jù)零差相干檢測的基帶信號(hào)接收光電流表達(dá)式，可得經(jīng)解調(diào)后的基帶信號(hào)（如圖3（c）所示）。由圖3可知，相干探測SAC標(biāo)記識(shí)別單元可利用零差相干檢測法識(shí)別SAC標(biāo)記，同時(shí)系統(tǒng)所需器件數(shù)量與系統(tǒng)復(fù)雜度均低于現(xiàn)有的相關(guān)檢測法。使用該方法可有效簡化現(xiàn)有SAC標(biāo)記識(shí)別單元，降低系統(tǒng)成本，免除過大的系統(tǒng)分光損耗，從而改善系統(tǒng)性能。

2 仿真模型

利用光通信系統(tǒng)仿真軟件Optisystem7.0搭建系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。由圖2可知，該系統(tǒng)包括：標(biāo)記生成模塊、凈荷生成模塊、掃頻模塊、標(biāo)記識(shí)別模塊與凈荷接收模塊。其中：（1）激光陣列生成光碼頻率分別為193.065 THz、193.06 THz、193.055 THz與93.05 THz，用作產(chǎn)生4比特標(biāo)記，標(biāo)記速率156Mb/s。（2）凈荷生成模塊主要由分布反饋式（DFB）激光器、偽隨機(jī)序列（PRBS）序列生成器、不歸零（NRZ）信號(hào)生成器及馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）組成。用以產(chǎn)生40Gb/s、工作于193 THz的IM凈荷信號(hào)。生成的凈荷信號(hào)與標(biāo)記信號(hào)通過耦合器后，送入信道進(jìn)行傳輸。（3）掃頻生成模塊由鋸齒波發(fā)生器、頻率調(diào)制器（FM）以及光源構(gòu)成。用以產(chǎn)生156Mb/s四分之一速率（標(biāo)記為4比特），即39 Mb/s的鋸齒波信號(hào)，并利用該信號(hào)對激光器進(jìn)行頻率調(diào)制。頻率調(diào)制器頻率偏移為16.8 GHz（±8.4 GHz），令中心頻率在193.0575 THz的激光器產(chǎn)生頻率從193.049 THz-193.066 THz掃頻波形，并覆蓋SAC標(biāo)記的全部所用頻率（193.05THz-193.065THz）。（4）接收模塊：標(biāo)記接收采用平衡檢測方式，使用兩組光電檢測器（PD）與低通濾波器（LPF），然后再輸入到減法器中，即可得到標(biāo)記波形。其中，LPF截止頻率120 MHz。凈荷接收模塊主要由光帶通濾波器（OBOF）、PD以及低通濾波器組成，并通過誤碼分析儀（BERT）驗(yàn)證系統(tǒng)傳輸性能。

圖2 掃頻相干探測光譜幅度碼交換系統(tǒng)框圖Fig.2 Setup of frequency swept detected SAC label switching system

3 性能分析

通過對標(biāo)記生成模塊進(jìn)行設(shè)置，令標(biāo)記碼字為“0101”，則經(jīng)過解調(diào)后的標(biāo)記波形如圖3所示。由圖3可知，4比特標(biāo)記在接收端波形的前25.6 ns內(nèi)完整出現(xiàn)，并可將該波形恢復(fù)為理想矩形脈沖。圖4所示為凈荷誤碼率及眼圖情況。由圖中測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)的誤碼率可達(dá)到10-9，滿足通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。圖5所示為不同光帶通濾波器帶寬下，所對應(yīng)的凈荷誤碼性能曲線。由圖10可知，在相同的接收功率下，隨著光帶通濾波器帶寬的增大，系統(tǒng)誤碼率會(huì)先降低后升高。圖中水平虛線表示誤碼率為10-9，以此做為參考標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)帶寬為60 GHz時(shí)，所需接收功率最小。此時(shí)，對應(yīng)的系統(tǒng)接收光功率為-17.6 dBm。

圖3 經(jīng)解調(diào)后的SAC標(biāo)記波形Fig.3 Waveform of SAC label after demodulating

4 結(jié)論

本文通過搭建相干探測SAC標(biāo)記交換系統(tǒng)的仿真模型，驗(yàn)證了SAC標(biāo)記的相干探測法以及凈荷的傳輸性能。經(jīng)比較分析得出結(jié)論：使用掃頻相干探測法可以正確識(shí)別156 Mb/s的SAC標(biāo)記，且使用該方法可簡化現(xiàn)有方案結(jié)構(gòu)、并可大幅降低分光比；當(dāng)光帶通濾波器帶寬為60 GHz時(shí)，凈荷信號(hào)實(shí)現(xiàn)最佳接收，此時(shí)對應(yīng)系統(tǒng)接收靈敏度為-17.6 dBm。由上所述，本文所提方案體現(xiàn)出了標(biāo)記與凈荷信號(hào)的良好傳輸特性。

圖4 凈荷誤碼特性及眼圖Fig.4 Payload BER and eye diagram

圖5 不同光帶通濾波器帶寬下的凈荷誤碼率Fig.5 Payload BER with different OBPF bandwidth

[1] NEZAMALHOSSENINI S A，DIZAJI M R，F(xiàn)OULI K，et al. Novel FWM-based spectral amplitude code label recognition for optical packet-switched networks [J]. IEEE Photonics Journal，2013，5（4）：1-11.

[2] WINZER P J. High-spectral-efficiency optical modulation formats [J]. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2012，30（24）：3824-3835.

[3] YU J J，DONG Z，CHIEN H，et al. Transmission of 200 G PDM-CSRZ-QPSK and PDM-16 QAM With a SE of 4 b/s/Hz [J]. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2013，31（4）：515-522.

[4] 郝宇霆，忻向軍. 變速率OFDM 光傳輸系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)[J]. 新型工業(yè)化，2012，2（8）：1-6.

HAO Y T，XIN X J. Simulation of a variable bit rate OOFDM transmission system [J].The Journal of New Industrialization，2012，2（8）：1-6.

[5] BRAHMI H，GIANNOULIS G，MENIF M，et al. Experimental demonstration of an elastic packet routing node based on OCDMA label coding [J]. IEEE Photonics Technology Letters，2012，24（3）：1-3.

[6] 蔡寅翔，張杰，趙永利. 多層多域光網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 新型工業(yè)化，2012，2（9）：1-11.

CAI Y X，ZHANG J，ZHAO Y L. Research of key technologies in multi-layer and multi-domain optical network management system [J]. The Journal of New Industrialization，2012，2（9）：1-11.

[7] DONG Z，YU J J，JIA Z S，et al. 7×224 Gb/s/ch Nyquist-WDM transmission over 1600-km SMF-28 using PDM-CSRZ-QPSK modulation [J]. IEEE Photonics Technology Letters，2012，24（13）：1157-1159.

[8] 原全新，尹霄麗. 10Gbps光載射頻技術(shù)的發(fā)展[J]. 新型工業(yè)化，2011，1（9）：51-64.

YUAN Q X，YIN X L. Development of 10Gbps radio-over-fiber technology [J].The Journal of New Industrialization，2011，1（9）：51-64.

[9] KOCH B，NOE R，SANDEL D，et al. 20 Gb/s PDM-RZ-DPSK transmission with 40 krads endless optical polarization tracking[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2013，25（9）：798-801.

[10] 劉勐，余重秀. 基于四波混頻效應(yīng)的全光信號(hào)再生技術(shù)研究[J]. 新型工業(yè)化，2012，2（6）：1-5.

LIU M，YU C X. Study on techniques of all-optical signal regeneration based on four wave mixing [J].The Journal of New Industrialization，2012，2（6）：1-5.

Research on a Novel Spectral Amplitude Codes Label Switching System with Frequency Swept Coherent Detection

YUN Qi, GUO Wei, LONG Yu, CAO Yong-sheng
(School of Communication and Information Egineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, China, 611731)

A novel coherent detected spectral amplitude codes (SAC) label switching system with a frequency swept local oscillator (LO) is proposed, and performance of the proposal is verifi ed by computer simulation. Firstly, principle of coherent detected spectral amplitude codes label is described. Then, simulation setup of coherent detected SAC label switching system with the frequency swept LO is built up. At last, analysis on simulation results and conclusions are given. The simulation results indicate that 156 Mb/s SAC labels could be correctly recognized by frequency swept coherent detection; the payload signal reaches optimal performance with 60 GHz bandwidth optical bandpass fi lter (OBPF), and sensibility of this system is -17.6 dBm.

Communication and information system; Frequency swept coherent detection; Spectral amplitude codes (SAC); Optical label switching system

贠琦，郭瑋，龍宇，等.新型掃頻相干探測光譜幅度碼（SAC）標(biāo)記交換系統(tǒng)研究[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（10）：52-55.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.007

: YUN Qi, GUO Wei, LONG Yu, et al. Research on a Novel Spectral Amplitude Codes Label Switching System with Frequency Swept Coherent Detection[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 52-55.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61205067），電子科技大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

贠琦（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向：光纖通信系統(tǒng)與光信號(hào)處理；郭瑋（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向：光纖通信系統(tǒng)；龍宇（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向：光交換

曹永盛（1982-），男，副教授，博士，主要研究方向：光纖通信系統(tǒng)與光交換