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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610054）

光分組交換不僅具有最小的交換粒度,同時(shí)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(shí)中存在的最棘手的問(wèn)題是光-電轉(zhuǎn)換和光信號(hào)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(shí)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(diǎn)所必需的關(guān)鍵功能之一,國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)已經(jīng)針對(duì)光標(biāo)簽處理技術(shù)進(jìn)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(lái)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(zhǎng)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(jiǎn)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(shí)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(xiàng)目等都基于這樣的思路來(lái)實(shí)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(jiǎn)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(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),在光通信方面的功能應(yīng)用具有非常誘人的前景,在未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)中將是全光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和未來(lái)光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[10].其較強(qiáng)的信號(hào)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(jìn)行了仿真,在標(biāo)簽和有效載荷分離過(guò)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(guò)程需要大量光源的不足,同時(shí)確保標(biāo)簽和有效載荷波長(zhǎng)一致的特性.

1 模型建立

光分組交換（Optical Packet Switching,OPS）的光信號(hào)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(hào)再生3個(gè)過(guò)程.

圖1 OPS中的光信號(hào)處理過(guò)程Fig.1 Optical signal processing in OPS

SOA的增益與載流子濃度有對(duì)應(yīng)關(guān)系,存在一個(gè)峰值增益點(diǎn),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(diǎn)和B點(diǎn),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(duì)“B”信號(hào)的增益小于對(duì)“A”信號(hào)的增益,從而“擦除”下行信號(hào),實(shí)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(hào)的消光比和輸入光功率.對(duì)下行傳輸來(lái)講,消光比越高越利于接收；對(duì)上行傳輸來(lái)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(wú)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(duì)較低比特率的標(biāo)簽和高比特率的有效載荷.通過(guò)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(qiáng)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(duì)載流子濃度的微分,τc為SOA載流子壽命.對(duì)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(duì)高信號(hào)的增益小,對(duì)低信號(hào)的增益大,從而達(dá)到“消除”效果；前向反饋電流注入方式的原理是SOA驅(qū)動(dòng)電流山下行數(shù)據(jù)反向處理后注入,從而實(shí)現(xiàn)SOA增益隨下行數(shù)據(jù)邏輯電平值動(dòng)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(jiàn)圖3.

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

當(dāng)光纖長(zhǎng)度50 km,輸入脈沖的峰值電壓為1 mV,采樣時(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)SOA驅(qū)動(dòng)電流隨下行數(shù)據(jù)邏輯電平值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).前饋電流注入方式是指,SOA驅(qū)動(dòng)電流中用做“擦除”的部分分量,由下行數(shù)據(jù)的反向信號(hào)經(jīng)處理后饋向提供,從而使得SOA的驅(qū)動(dòng)電流隨下行數(shù)據(jù)邏輯電平值動(dòng)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(dòng)態(tài)變化.下行信號(hào)為高電平時(shí),增益變低,下行信號(hào)為低電平時(shí),增益變高,從而達(dá)到“擦除”數(shù)據(jù),實(shí)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(hào)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(jiǎn)單,成本低.但由于只設(shè)一個(gè)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(duì)下行信號(hào)進(jìn)行“擦除”,實(shí)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(jìn)行調(diào)制與解調(diào),保證附加強(qiáng)度調(diào)制對(duì)上行傳輸?shù)挠绊懖淮?；頻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(duì)應(yīng)的部分頻率來(lái)提高上行傳輸?shù)南獗?圖7～9表示輸入信號(hào)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(hào)處理后脈沖的頻譜Fig.9 Optical pulse spectrum after signal processing

在不同的時(shí)間,輸入信號(hào)有不同的上升或下降沿到來(lái)時(shí),會(huì)發(fā)生波形的抖動(dòng).選擇100 GHz頻段的低通濾波器濾波,能夠很好的解決這一問(wèn)題,其光載波恢復(fù)波形幅值為0.257 mV,信號(hào)功率的消光比達(dá)到7.20 dB.圖10、圖11驗(yàn)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(duì)高信號(hào)增益值小于對(duì)低信號(hào)的增益值,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的擦除和恢復(fù).由此可見(jiàn),光載波恢復(fù)擦除效果取決于信號(hào)功率的消光比.一部分光加載在SOA當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器上,另一部分信號(hào)被擦除以再次進(jìn)行調(diào)制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯值高的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).前饋電流注入SOA驅(qū)動(dòng)電流擦除的水平值,反轉(zhuǎn)輸入信號(hào),使驅(qū)動(dòng)電流SOA的動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)值的增益動(dòng)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(dá)到“擦除”的數(shù)據(jù)來(lái)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(dòng),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(diǎn),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(zhǎng)度50 km時(shí),載波恢復(fù)與輸入脈沖的峰值電壓為1 mV,采樣時(shí)間是6.59 ns,實(shí)現(xiàn)載波恢復(fù)波形順利提出0.257 mV,其信號(hào)功率的消光比達(dá)到7.20 dB.通過(guò)調(diào)整SOA和注入光分組信號(hào)功率參數(shù),控制直接過(guò)濾器,以消除抖動(dòng)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)光載波恢復(fù).

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