光分组交换中SOA光载波的恢复

任宇

（电子科技大学通信学院宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室,四川成都610054）

光分组交换不仅具有最小的交换粒度,同时避免了出现电子瓶颈,是光网络最热门的研究领域之一[1].然而,在现实中存在的最棘手的问题是光-电转换和光信号处理技术的欠缺,制约了光网络的发展和普及.其中光标签处理技术包括标签和有效载荷分离,载波恢复和标签重建以及分组包的再生,是实现光分组交换OPS的基本技术.标签和有效载荷分离、标签提取和擦除,是在光节点所必需的关键功能之一,国内外许多文献已经针对光标签处理技术进行了深入研究.根据光分组中不同的标签格式,提出了多种技术来标记和编码光分组,包括串行编码技术、码分复用技术、多波长技术、副载波技术、正交调制技术等[2-7].串行编码技术简单,光分组容易产生.随着光逻辑器件的发展,提取的标签不仅可以在电域中处理,还能实现光域中直接处理,因此受到了广泛的关注,许多研究如欧洲的DAVID和KEOPS项目等都基于这样的思路来实现标签处理[8-9].

半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,SOA）不仅构造简单,且具有体积小、增益高、低功耗、易于和其它光电子器件集成、响应时间短等优点,在光通信方面的功能应用具有非常诱人的前景,在未来的光网络中将是全光网络传输系统和未来光纤互联网络的重要组成部分[10].其较强的信号放大能力和非线性性能都有利于全光载波恢复.本文提出一种新型的光载波恢复方案并进行了仿真,在标签和有效载荷分离过程中,直接应用光学滤波器有利于光载波的提取和恢复,避免了光标签更新过程需要大量光源的不足,同时确保标签和有效载荷波长一致的特性.

1 模型建立

光分组交换（Optical Packet Switching,OPS）的光信号处理如图1所示,它包含了光学标签和有效载荷分离、光载波恢复以及光标签重写入和光分组信号再生3个过程.

图1 OPS中的光信号处理过程Fig.1 Optical signal processing in OPS

SOA的增益与载流子浓度有对应关系,存在一个峰值增益点,随着增大的载流子注入,曲线具有一定增益不再变化,而下半斜坡的增益随着增大的载流子注入功率而降低,即图2中的A点和B点,A＜B,则GA＞GB,而相同的峰值功率的宽脉冲电流比窄脉冲电流更易导致较低的载波注入功率.利用SOA的饱和增益特性,即对“B”信号的增益小于对“A”信号的增益,从而“擦除”下行信号,实现光载波的恢复.显然“擦除”效果的好坏取决于下行信号的消光比和输入光功率.对下行传输来讲,消光比越高越利于接收；对上行传输来讲,则是消光比越低越有利于光载波的恢复.输入光功率则限制了光功率预算的范围,SOA的饱和增益G与注入功率P不同于其他无源光器件的增益变化情况.

图2 SOA的电流增益饱和曲线Fig.2 SOA gain curve of saturation

不同的增益有不同的脉冲宽度,不同脉冲宽度匹配相对较低比特率的标签和高比特率的有效载荷.通过注入不同的功率P（dB）得到不同的增益G（dBm）,解释如下：基于SOA的增益与载流子浓度的关系,即载流子浓度不同,获得的增益就不同.在波峰的右边,载流子浓度越高,获得的增益越低.在波峰的左边,载流子浓度越高,获得的增益越高[11].其中,SOA的饱和增益为：

其中,公式中P为饱和输出功率,Se为有效模式横截面积,Is为饱和强度,dω分别为SOA有源区的厚度与宽度,hν为光子能量,dg/dN为增益系数对载流子浓度的微分,τc为SOA载流子寿命.对于商用SOA,其饱和输出功率的典型值为5～20 dBm[12].SOA的饱和增益特性对高信号的增益小,对低信号的增益大,从而达到“消除”效果；前向反馈电流注入方式的原理是SOA驱动电流山下行数据反向处理后注入,从而实现SOA增益随下行数据逻辑电平值动态变化.

2 仿真分析

本系统要求发射光具有较大消光比,故在光载波恢复原理的基础上,利用VPI TransmissionMaker建立数学模型,其限制电压为500 mV,其他参数采用仿真的默认参考值,OPS中光载波恢复方案见图3.

图3 OPS中光载波恢复过程Fig.3 Carrier recovery processing in OPS

当光纤长度50 km,输入脉冲的峰值电压为1 mV,采样时间为6.59 ns,OPS中光载波恢复仿真如图4所示.

图4 OPS中光载波恢复仿真Fig.4 The simulation of carrier recovery processing in OPS

SOA的驱动电流由两部分分量构成,部分用做“擦除”下行数据以实现SOA驱动电流随下行数据逻辑电平值动态调节.前馈电流注入方式是指,SOA驱动电流中用做“擦除”的部分分量,由下行数据的反向信号经处理后馈向提供,从而使得SOA的驱动电流随下行数据逻辑电平值动态调节,增益值随下行数据的逻辑电平值反向动态变化.下行信号为高电平时,增益变低,下行信号为低电平时,增益变高,从而达到“擦除”数据,实现光载波恢复的目的.图5、图6是输入及反向后的信号的输出脉冲波形.

图5 输入矩形脉冲Fig.5 Input rectangle modulate pulse

图6 反向的输入矩形脉冲Fig.6 Input rectangle pulse after inverting

基于SOA的光载波恢复技术,系统结构简单,成本低.但由于只设一个光源,上行数据调制在下行数据之上,所以需要对下行信号进行“擦除”,实现光载波的恢复.本方案利用直接调制激光器啁啾效应,进行调制与解调,保证附加强度调制对上行传输的影响不大；频率滤波方案同样利用了直接调制激光器的频率啁啾效应,加入滤波器滤除低电平对应的部分频率来提高上行传输的消光比.图7～9表示输入信号的频谱.

图7 注入脉冲的频谱图Fig.7 Optical spectrum of injected pulse

8载波恢复后的频谱Fig.8 The pulse spectrum after Carrier recovery

图9 信号处理后脉冲的频谱Fig.9 Optical pulse spectrum after signal processing

在不同的时间,输入信号有不同的上升或下降沿到来时,会发生波形的抖动.选择100 GHz频段的低通滤波器滤波,能够很好的解决这一问题,其光载波恢复波形幅值为0.257 mV,信号功率的消光比达到7.20 dB.图10、图11验证了图3方案的可行性.

图10 整形前的载波恢复脉冲Fig.10 Carrier recovery pulse before filter

图11 整形后的载波恢复脉冲Fig.11 Carrier recovery pulse after filter

使用SOA饱和增益特性,即对高信号增益值小于对低信号的增益值,实现了信号的擦除和恢复.由此可见,光载波恢复擦除效果取决于信号功率的消光比.一部分光加载在SOA当前驱动器上,另一部分信号被擦除以再次进行调制,实现数据逻辑值高的动态调节.前馈电流注入SOA驱动电流擦除的水平值,反转输入信号,使驱动电流SOA的动态调整数据值的增益动态变化.注入电流低,收益高.相反,注入电流高,收益低.从而达到“擦除”的数据来恢复光载波恢复的目的.并采用光滤波器激光直接控制抖动,以提高消光比.

3 结论

根据不同脉冲宽度下,半导体光放大器SOA的增益随载流子密度变化出现不同情况的特点,提出了一种基于SOA的载波恢复的新方案.仿真选择光纤长度50 km时,载波恢复与输入脉冲的峰值电压为1 mV,采样时间是6.59 ns,实现载波恢复波形顺利提出0.257 mV,其信号功率的消光比达到7.20 dB.通过调整SOA和注入光分组信号功率参数,控制直接过滤器,以消除抖动相结合,可实现光载波恢复.

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