高性价比偏振复用OFDM信号全光波长变换的研究

卢 嘉，孟 娇，刘剑飞，曾祥烨，王 杨

（1.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2.河北工业大学 天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300401）

高性价比偏振复用OFDM信号全光波长变换的研究

卢 嘉1,2，孟 娇1,2，刘剑飞1,2，曾祥烨1,2，王 杨1,2

（1.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2.河北工业大学 天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300401）

采用单个连续激光器和一个射频信号源在马赫增德尔调制器进行调制，使其中心载波和偶阶边带被抑制且忽略高阶奇数边带，得到的一阶奇数边带作为平行抽运光．采用载波抑制方法产生的平行抽运光具有偏振方向相同、相位锁定的特点，实现了基于四波混频效应的偏振复用OFDM信号全光波长变换的研究．对接收信号功率、SOA电流、抽运光间距这3种影响系统转换效率的因素进行了分析，通过与传统平行双抽运系统进行比较，发现无论接收信号功率、输入电流和抽运光间距如何变化，x和y 2个偏振方向误码率相差小，系统稳定且转换效率高，成本与复杂度低．

光通信；全光波长变换；载波抑制；平行抽运

0 引言

全光波长变换技术是波分复用光网络中关键的技术，有效地利用了频带资源，解决了波长竞争的问题，对于解决全光传输网中的波长拥挤、提高波长重用率和网络配置的灵活性等有重要意义．目前实现四波混频全光波长变换系统有基于单抽运的结构和双抽运的结构．基于单抽运结构的波长变换系统是偏振敏感的[1]，而采用双抽运结构的系统是偏振不敏感的．采用垂直双抽运结构的系统，新产生的信号与原始信号的频率差大不易串扰，但是转换效率低[2-6]．采用平行双抽运结构的系统，新产生的信号与原始信号的频率差小，易串扰，但是转换效率高[7-8]．人们对基于双抽运结构的 NRZ信号在高非线性光纤和半导体光放大器（SOA）介质中偏振不敏感波长变换已经有了相关研究[5,8]，但是面对光通信中传输速率日益增加的需求，单载波系统的复杂度要求越来越高，常规信号显然不能满足．正交频分复用（OFDM）是一类特殊的多载波调制，它利用频谱重叠的多个子载波来传输数据，具有很高的频谱效率．因此对OFDM信号的波长变换系统也有了相关研究[9-11]，然而这几种系统仅仅是对单一的信号传输进行研究，系统容量有限，不能满足当今通信网中传输速率的要求．

偏振复用就是使两个相互正交的偏振态携带不同的信号向前传输，使得信号的复用度将变为原来的两倍．采用此技术可以增加系统的传输容量和频谱利用率，满足日益增长的业务需要[12-14]．对于实际全光网络传输系统，为了提高通信容量，将偏振复用技术引入通信网络中是一种有效可行的方法[15-17]．文献 [15]中实验验证了在SOA中基于平行双抽运结构的偏振复用信号偏振不敏感波长变换的特性，偏振复用技术的使用增加了系统的容量．但是其抽运光均是来自两束不同光源，相位并不锁定，需要采用两个偏振控制器（PC）来控制两束抽运光的偏振方向，利用频谱仪观察其抽运光的频谱幅度．文献 [18]提出利用载波抑制方法产生两个相位锁定的平行抽运光，并验证了在SOA中基于平行双抽运结构来实现光载无线通信系统（ROF）的偏振不敏感特性．综上所述，本文在文献 [19]的基础上，采用载波抑制得到相位锁定的两束平行抽运光，实现了基于SOA中偏振复用OFDM信号偏振不敏感全光波长变换的研究．同时对系统的转换效率进行了研究，发现采用载波抑制平行双抽运系统的性能优于传统平行双抽运系统．

1 原理及理论分析

其中：J1表示第一阶第1类贝塞尔函数；1是调制器的调制深度；1为电信号的相位；E0为光载波的幅度．从式 (1)可以看到中心载波和偶阶边带被抑制，而且高阶的奇数边带的功率很低，因此只考虑一阶边带，一阶边带的频率分别为．调制器输出光信号相位与幅度如图1b）所示，2个一阶边带的幅度是相同的，相位是相反的．由于来自同一束光源，因此2束光相位锁定且具有相同的偏振方向，不需要使用PC控制抽运光的偏振方向，这样大大降低系统成本和复杂度．

图1a）是平行双抽运结构中对输入光信号矢量方向的示意图，信号光经连续激光器CW 2产生， 角即信号光相对于x方向的偏移量．信号光经过偏振分束器（PBS）得到偏振方向垂直的两路光，4QAMOFDM为基带信号，利用MZ2，MZ3将基带信号s1t、s2t分别调制到互相垂直的两路光上进行传输， 为s1t相对于x方向的偏移量．

调制了s1t、s2t的信号光经过偏振耦合器（PBC）进行耦合实现偏振复用．抽运光和偏振复用信号光经过光耦合器（OC）进行耦合并在SOA中传输，由于SOA中的四波混频效应而实现波长变换，如图1c）所示，四波混频后的转换光生成，只有当转换光信号偏振角，n=0,1,2,…时，转换信号光经过PBS进行偏振复用信号的偏振分离，两偏振复用信号的功率相同．两信号的功率分别为

式中：Aii=1,2,3分别为两抽运光和信号光的幅度；AOFDM是输入OFDM信号光幅度；Gx为SOA在x方向的增益；R 20是系统转换效率．分离出的信号光再分别利用光电二极管（PD）进行直接检测接收，得到原始基带信号．

通过式 (2)和式 (3)可以看出，改变抽运光的间距会影响转换信号光的转换效率，在传统平行抽运系统中，观察转换效率的改变，通常是一个抽运光位置固定，改变另一个抽运光的频率．而在本研究中，只需改变射频信号源的频率大小就使两抽运光位置同时发生改变，进而影响转换信号光的转换效率．此外，本文对传统平行双抽运系统和载波抑制平行双抽运系统中影响系统转换效率的几种因素进行了分析比较，得出载波抑制平行双抽运系统性能优于传统平行双抽运系统．

2 仿真结果及分析

激光器CW 1产生频率为193.22 THz，输入功率为20 dBm的连续光，射频信号的驱动频率为20GHz．调制器MZ1的偏置电压设置为射频信号电压的1/2以实现载波抑制，产生2束频率差为40GHz的抽运光如图2所示．中心载波被抑制，2个频率分别为193.24 THz、193.2 THz的一阶边带作为系统中的两束平行抽运光，此时载波抑制比为31 dBm．而2个三阶边带与一阶边带差为76 dBm，对系统影响不大可以忽略．

图2 载波抑制后频谱图Fig.2 The spectrum after carrier suppression

图3 频谱图Fig.3 The spectrum

激光器CW 2输出频率为193.05THz，偏振角度为45°的连续光作为信号光．采用PBS将信号光偏振分离成两束正交光，把基带信号OFDM分别调制到两束正交光上并在PBC中耦合．两平行抽运光和偏振复用信号光在OC中耦合后进入SOA中实现四波混频效应．系统采用速率为2.5×109bit/s的4QAM-OFDM信号进行传输．其中OFDM信号的子载波个数为64，循环前缀为0.125．耦合后的信号进入SOA中，SOA的工作电流为0.32A．由于SOA中的四波混频效应而产生的转换光光谱图如图3a）所示，转换信号光频率为193.01THz，然而在频率193.135THz处没有频谱，因为经过MZ1调制后滤出的两束平行抽运光在此频率处没有频谱，四波混频生成新的光波在此处也没有频谱．利用光滤波器将转换光滤出，由于OFDM信号子载波之间也会发生四波混频，会产生一定的噪声，因此滤出的转换光会有一些串扰，光谱如图3b）所示．

图4 系统接收信号的星座图Fig.4 The received constellations

在系统接收端，当系统接收功率为 21.43 dBm时，接收信号在x和y方向的星座图如图4a）和b），得到x方向的误码率为2.6×10-4，y方向的误码率为4.15×10-4．偏振复用OFDM信号子载波间产生的四波混频会使得星座图有一些噪声存在，导致一小部分功率的损失，但仍可实现无串扰的接收．在以上两个系统中，无论我们如何改变输入信号光的角度，转换信号光的功率是不变的，从而证明系统是偏振不敏感的，与理论推导是一致的．

3 与传统平行抽运结构比较的结果

在前两部分理论模拟仿真分析的基础上，在传统平行双抽运系统上仍采用本文提出的系统参数设置，将本系统与传统平行双抽运系统进行比较．

3.1 接收信号功率-误码率的比较

接收信号功率-误码率曲线如图5所示，当接收功率大于19.5 dBm时，本系统误码率明显优于传统平行双抽运结构系统的误码率．接收功率小于 19.5 dBm时，虽然传统平行双抽运结构系统x方向的误码率与本系统x方向误码率基本相似，但是其y方向误码率明显劣于本系统y方向的误码率．且传统平行双抽运系统中两方向的误码率总是相差两个数量级，而本系统误码率一直处在一个数量级上，系统较稳定．综上所述，本系统不仅转换效率高，而且系统稳定，因此采用载波抑制平行双抽运结构是有优势的．

图5 接收信号功率-误码率曲线图Fig.5 BER trend curve versusdifferent received power

3.2 SOA电流-误码率的比较

由图6可以看出随着输入电流的增加，系统误码率逐步减小．载波抑制平行双抽运系统误码率始终在一个数量级，系统较稳定．而传统平行双抽运系统的误码率在输入电流0.38A之后，误码率才逐渐稳定在一个数量级上．因此，本系统与理论推导中系统转换效率更一致．

图6 电流-误码率曲线图Fig.6 BER trend curve versusdifferent injection current

虽然传统的平行双抽运系统在x方向上的误码率具有一定优势，但是本系统中两偏振方向的误码率均优于y方向．当电流在0.38A时，传统平行双抽运系统在x方向的误码率趋于稳定，而本系统的误码率依旧随着电流的增加而减小，因此传统平行双抽运结构系统的转换效率低于本系统．

3.3 抽运光间距-误码率的比较

根据式(2)和式(3)可知，只需改变射频信号的频率，就可以同时改变两抽运光的位置，直接影响转换光信号的转换效率．两抽运光频率间隔与系统误码率曲线如图7所示，当两抽运光间距在0.036～0.042 THz时,转换信号光可以被PBS无串扰分离，误码率随着两抽运光间距的增加而减小．当抽运光间距小于0.04 THz时，本系统的误码率明显优于传统平行双抽运系统的误码率，当两抽运光间距为0.036 THz时，本系统的误码率要比传统平行双抽运系统的误码率高出4个数量级，误码率相差很小，系统较稳定．

图7 偏振复用OFDM信号系统中抽运光间距-误码率曲线图Fig.7 BER trend curvedifferentfrequency spacingbetweenpumps inpolarizationmultiplexingOFDM signalsystem

综上所述，采用载波抑制平行双抽运结构的偏振复用OFDM信号系统，无论接收信号功率、输入电流、抽运光间距如何变化，系统x和y方向误码率相差很小，始终在一个数量级上，系统较稳定，与理论推导更一致．且本系统在系统转换效率上也优于传统平行双抽运系统，具有良好的转换效率．

4 结论

本文理论及模拟仿真了载波抑制平行双抽运结构的偏振复用OFDM信号的全光波长变换系统，得到了以下结论：

1）本文采用载波抑制得到相位锁定的2个平行抽运光，不再需要偏振控制器来控制光传输的偏振方向，大大降低了系统成本及复杂度．

3）通过与传统平行双抽运系统进行比较，无论接收信号功率、输入电流和抽运光间距如何变化，x和y两个偏振方向误码率相差小，且系统转换效率较好，系统稳定．综上所述，采用载波抑制平行双抽运结构系统优于传统平行双抽运结构系统．

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[责任编辑 代俊秋]

Research on allopticalwavelength conversion for cost-effective polarizationmultiplexing OFDM signal

LU Jia1,2，MENG Jiao1,2，LIU Jianfei1,2，ZENG Xiangye1,2，WANG Yang1,2

(1.Schoolof Information Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300401,China；2.Tianjin Key LaboratoryofElectronic Materials&Devices,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

In thispaper,a signalcontiunous laserand a radio frequency signalaremodulated in theMach-Zachder-Modulator.The center carrier and even order sideband are suppressed and the high order odd sideband is neglected.The first orderodd sideband are used as parallelpump.Tthe carrier suppressionmethod is used to produce the same polarization direction and phase locking of two beamsof lightwavesasparallelpump lightwave.Thesystem ofall-opticalwavelength conversion based on four-wavem ixing forpolarizationmultiplexingOFDM signalisachieved.The three influence factors for the system are receiver power,SOA injection currentand the frequency spacing of pumps.And the influence factors areanalyzed.The system with carriersuppression parallelpumpssystem are comparedwith traditionalparallelpump system.Itisconcluded thatnomatterhow the three factorschange,thebiterror rateof two polarization direction arealways sim ilar.The suppression of paralleldual-pump system are stablewith high conversion efficiency,low costand lesscomplexity.

optical communication;allopticalwavelength conversion;carriersuppression;parallelpumps

TN929.11

A

1007-2373(2016)01-0013-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.003

2015-06-09

河北省自然科学基金青年基金（F2014202036），天津市自然科学基金（15JCYBJC17000），河北省高等学校高层次人才科学研究项目（GCC2014011）

卢嘉（1982-），女（汉族），讲师，博士．

数字出版日期：2016-01-22数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160122.1121.006.htm l