一种利用单激光器生成光谱幅度码标记的方法

曹永盛，赵代春，高 洁，管郁庆

(1.电子科技大学 通信与信息工程学院，成都 611731;2.中国人民解放军某部，乌鲁木齐 830002)

现有光通信网交换节点对信号的光—电—光转换及电域处理造成网络“电子瓶颈”。光标记交换(OLS，optical label switching)技术可利用路由控制信息形成的标记实现数据交换，从而降低光电转换与电域处理的数据量，免除复杂路由处理，提高网络速率。因此，OLS技术已成为实现全光网的最佳候选技术之一［1－2］。

目前，人们已提出了多种光标记交换技术，如时分复用光标记、多波长光标记、正交调制光标记等。最近，一种新型光标记交换技术——光码标记交换技术，以其大容量、高速率、高可靠性等优势，已引起了众多研究者的关注，并被认为是最具发展潜力的一种光标记交换技术［3］。

作为一种一维频域编码的光码标记——光谱幅度码(SAC，spectral amplitude code)标记，由于具备系统结构简单、实现成本低、标记易于产生和识别等优势，正逐渐成为光码标记技术新的发展方向，并被逐步应用于光码分多址(OCDMA，optical code division multiple access)系统与光码标记交换系统［4－5］。

在SAC标记交换系统中，标记信号与净荷信息被加载于不同的波长之上，并在同一时隙内进行传输。标记在频域进行编码，并通过不同的幅度被确定为“0”码或“1”码。SAC标记系统的光包在频域与时域下的示意图如图1所示。

图1 SAC标记系统的光包示意图

现阶段一般使用多波长激光器阵列或超宽带光源来产生SAC标记，但这种标记生成结构给SAC标记交换系统带来了2个致命缺点:较低的频谱利用率和复杂度较高的系统结构。在之前的工作中，笔者已提出应用隐式SAC标记交换系统来解决频谱利用率的问题［6］。本文将提出一种利用单波长激光器与法布里－珀罗(F-P)可调滤波器生成多频率SAC标记的新方法，以便解决标记生成器结构过于复杂的问题。本文使用625 Mb/s和1.25 Gb/s的标记，以及40 Gb/s幅度调制(IM，intensity modulation)净荷来验证该方法的工作性能。

1 系统工作原理

F-P可调滤波器是由2块半透半反的平行反射镜面构成的光学谐振腔，结构如图2所示。

图2 Fabry-Perot可调滤波器结构

由图2可知，光线入射F-P滤波器谐振腔后，在2镜面间做多次反射后输出。滤波器可通过调节镜面距离L，根据式2L=mc/f(其中:c为光速;f为 光频率;m=1，2，3，…)选择某一频率的光通过，实现可调滤波，其他频率分量则被阻隔。镜面距离的调节既可通过直接移动镜面机械地改变，也可通过改变腔中物质折射率而间接改变［7］。

目前，锂酸铌(LiNbO3)F-P可调滤波器的最窄滤波带宽可达2 GHz，调谐速度超过1 Gb/s，可调范围在50 nm以上。正是鉴于滤波带宽窄、调谐速度快、可调范围宽等优点，F-P滤波器已被广泛应用于波分复用(WDM，wavelength division multiplexing)系统解复用单元与多信道波长选择中［8］。

基于F-P可调滤波器的选频特性，利用该滤波器与单波长激光器生成多频率SAC标记的工作原理为:先使用锯齿波函数对激光器进行频率调制，生成功率恒定、工作频率随时间变化的扫频光源(如图3(a)所示)，其中扫频范围fswept=fn－f1，扫频周期为T;随后，该扫频光源经频率间隔为Δf的F-P可调滤波器选频后，生成功率恒定、频率随时间变化，且间隔为 Δf的 SAC脉冲信号(如图3(b)所示)，其中Δf=fswept/N，N为扫频周期T内标记所占用的频率数目;频率间隔为Δf的SAC脉冲经速率为 N/T(b/s)的标记电信号(如图3(c)所示)调制后，生成速率为N/T(b/s)的SAC标记信号(如图3(d)所示)。

图3 利用F-P滤波器产生多频率SAC标记原理

由图3可知，利用扫频光源与F-P滤波器可生成时域分布的SAC标记，这样可有效减少SAC系统中所需的光源数量，降低系统成本。由于F-P可调滤波器的调谐速率在1 Gb/s以上，因此，在仿真中可将标记速率提高至1.25 Gb/s。

2 仿真验证与结果分析

为验证方案的工作特性，在仿真软件 VPI Transmission Maker中搭建背靠背(BTB，back-toback)多频率SAC标记交换系统，其仿真模型如图4所示。其中净荷速率为40 Gb/s，标记速率为625 Mb/s与 1.25 Gb/s。

图4 单光源多频率SAC标记交换系统

由图4可知，在标记发生器中，工作波长为1552.92 nm(193.05 THz)，发射功率为 0 dBm，线宽为10 MHz的分布反馈式(DFB，distributed feedback)激光器，经周期为12.8 ns的锯齿波函数进行频率调制(FM，frequency modulation)后，生成发射功率恒定、工作频率为193.05～193.082 THz的扫频光源(如图 5(a)所示)，此时 fswept=32 GHz。当F-P滤波器的选频间隔设定为2 GHz时，在128 ns的时间窗内，将能产生16个SAC脉冲，此时对应标记速率为1.25 Gb/s(如图5(b)所示);当选频间隔设定为4 GHz时，12.8 ns内将产生8个SAC脉冲，此时标记速率则为625 Mb/s。SAC脉冲与PRBS序列长度为27－1的625 Mb/s或1.25 Gb/s的标记信号，经消光比为30 dB的马赫－曾德(M-Z，Mach-Zehnder)调制器编码后，生成SAC标记(如图5(c)、(d)所示)。40 Gb/s IM净荷信号由序列长度为223－1的伪随机序列(PRBS，pseudo-random binary sequence)发生器与非归零码(NRZ，non return-to-zero)脉冲发生器产生，光源波长为 1553.33 nm(193 THz)，线宽为10 MHz，发射功率为0 dBm，M-Z调制器消光比为30 dB。

图5 1.25 Gb/s多频率SAC脉冲信号频谱

标记识别单元采用与标记生成器类似的结构对标记进行相干探测［9］。为了覆盖所有的标记频率，扫频本振光源(LO，local oscillator)的工作频率可设置为 193.049～193.083 THz，其线宽为1 MHz。SAC标记与LO信号经3 dB耦合器混频后，再通过平衡接收机进行光电探测，转换为时域电信号。时域信号经双低通滤波器(LPF，low-pass filter)滤波及时钟恢复处理后，进入误码测试仪(BERT，bit rate error tester)进行性能测试。经解调后的标记时域波形如图6所示。由图6中波形可知，利用相干探测技术，正确识别了1.25 Gb/s的16频率SAC标记。同时，经解调后的标记获得了较大的对比度。625 Mb/s与1.25 Gb/s SAC标记的BER特性如图7所示。

由图7可知，当BER为10－9时，在未携带净荷的情况下，625 Mb/s标记与1.25 Gb/s标记的接收光功率分别为－22.7 dBm与－15.8 dBm，光信噪比(OSNR，optical signal-to-noise ratio)分别为5.2 dB与9.6 dB。该结果表明:低速标记表现出了较好的接收质量，625 Mb/s与1.25 Gb/s标记之间的功率代价与OSNR代价分别为6.9 dB与4.4 dB。携带净荷后，接收光功率分别为－21.7 dBm与 －15 dBm，OSNR分别为 6.3 dB与10.5 dB;与无净荷情况相比，625 Mb/s标记与1.25 Gb/s标记的功率代价分别为1.0 dB与0.8 dB，OSNR代价分别为1.1 dB与0.9 dB。上述结果表明，虽然625 Mb/s标记的BER特性较1.25 Gb/s标记好，但携带净荷后，功率代价与OSNR代价反而略大于1.25 Gb/s标记。携带不同速率标记的净荷BER特性如图8所示。

图6 经调制后的1.25 Gb/s SAC标记

由图8可知，当BER为10－9时，在未携带标记的情况下，40 Gb/s IM净荷接收光功率为－18.8 dBm，OSNR为21.9 dB;携带625 Mb/s标记与1.25 Gb/s标记时，净荷接收光功率分别为－18.1dBm与－17.8 dBm，OSNR分别为23.2 dB与23.3 dB。携带标记后，净荷接收光功率分别降低了0.7 dB与1 dB，OSNR分别增大了1.3 dB与1.4 dB;携带不同速率标记时，净荷BER特性并无明显变化，功率代价与OSNR代价仅为0.3 dB与0.1 dB。

上述结果表明，标记对净荷BER特性的影响很小，携带标记后，净荷功率代价与OSNR代价均未超过1.5 dB。此外，不同速率标记对净荷BER的影响也很小。因此，在多频率SAC标记交换系统中，净荷可携带高速率的标记信号。

3 结束语

本文提出了一种利用单波长扫频激光器产生多频率SAC标记的新方法。该方法大大降低了现有SAC标记生成器的单元结构与实现成本。通过仿真，验证了8频率625 Mb/s标记与16频率1.25 Gb/s标记在加载40 Gb/s IM净荷时的系统传输特性。仿真结果表明，该方案体现出了良好的BER传输特性与OSNR特性，适用于高速光标记交换的传输系统。

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