一種利用單激光器生成光譜幅度碼標記的方法

曹永盛，趙代春，高 潔，管郁慶

(1.電子科技大學 通信與信息工程學院，成都 611731;2.中國人民解放軍某部，烏魯木齊 830002)

現有光通信網交換節點對信號的光—電—光轉換及電域處理造成網絡“電子瓶頸”。光標記交換(OLS，optical label switching)技術可利用路由控制信息形成的標記實現數據交換，從而降低光電轉換與電域處理的數據量，免除復雜路由處理，提高網絡速率。因此，OLS技術已成為實現全光網的最佳候選技術之一［1－2］。

目前，人們已提出了多種光標記交換技術，如時分復用光標記、多波長光標記、正交調制光標記等。最近，一種新型光標記交換技術——光碼標記交換技術，以其大容量、高速率、高可靠性等優勢，已引起了眾多研究者的關注，并被認為是最具發展潛力的一種光標記交換技術［3］。

作為一種一維頻域編碼的光碼標記——光譜幅度碼(SAC，spectral amplitude code)標記，由于具備系統結構簡單、實現成本低、標記易于產生和識別等優勢，正逐漸成為光碼標記技術新的發展方向，并被逐步應用于光碼分多址(OCDMA，optical code division multiple access)系統與光碼標記交換系統［4－5］。

在SAC標記交換系統中，標記信號與凈荷信息被加載于不同的波長之上，并在同一時隙內進行傳輸。標記在頻域進行編碼，并通過不同的幅度被確定為“0”碼或“1”碼。SAC標記系統的光包在頻域與時域下的示意圖如圖1所示。

圖1 SAC標記系統的光包示意圖

現階段一般使用多波長激光器陣列或超寬帶光源來產生SAC標記，但這種標記生成結構給SAC標記交換系統帶來了2個致命缺點:較低的頻譜利用率和復雜度較高的系統結構。在之前的工作中，筆者已提出應用隱式SAC標記交換系統來解決頻譜利用率的問題［6］。本文將提出一種利用單波長激光器與法布里－珀羅(F-P)可調濾波器生成多頻率SAC標記的新方法，以便解決標記生成器結構過于復雜的問題。本文使用625 Mb/s和1.25 Gb/s的標記，以及40 Gb/s幅度調制(IM，intensity modulation)凈荷來驗證該方法的工作性能。

1 系統工作原理

F-P可調濾波器是由2塊半透半反的平行反射鏡面構成的光學諧振腔，結構如圖2所示。

圖2 Fabry-Perot可調濾波器結構

由圖2可知，光線入射F-P濾波器諧振腔后，在2鏡面間做多次反射后輸出。濾波器可通過調節鏡面距離L，根據式2L=mc/f(其中:c為光速;f為 光頻率;m=1，2，3，…)選擇某一頻率的光通過，實現可調濾波，其他頻率分量則被阻隔。鏡面距離的調節既可通過直接移動鏡面機械地改變，也可通過改變腔中物質折射率而間接改變［7］。

目前，鋰酸鈮(LiNbO3)F-P可調濾波器的最窄濾波帶寬可達2 GHz，調諧速度超過1 Gb/s，可調范圍在50 nm以上。正是鑒于濾波帶寬窄、調諧速度快、可調范圍寬等優點，F-P濾波器已被廣泛應用于波分復用(WDM，wavelength division multiplexing)系統解復用單元與多信道波長選擇中［8］。

基于F-P可調濾波器的選頻特性，利用該濾波器與單波長激光器生成多頻率SAC標記的工作原理為:先使用鋸齒波函數對激光器進行頻率調制，生成功率恒定、工作頻率隨時間變化的掃頻光源(如圖3(a)所示)，其中掃頻范圍fswept=fn－f1，掃頻周期為T;隨后，該掃頻光源經頻率間隔為Δf的F-P可調濾波器選頻后，生成功率恒定、頻率隨時間變化，且間隔為 Δf的 SAC脈沖信號(如圖3(b)所示)，其中Δf=fswept/N，N為掃頻周期T內標記所占用的頻率數目;頻率間隔為Δf的SAC脈沖經速率為 N/T(b/s)的標記電信號(如圖3(c)所示)調制后，生成速率為N/T(b/s)的SAC標記信號(如圖3(d)所示)。

圖3 利用F-P濾波器產生多頻率SAC標記原理

由圖3可知，利用掃頻光源與F-P濾波器可生成時域分布的SAC標記，這樣可有效減少SAC系統中所需的光源數量，降低系統成本。由于F-P可調濾波器的調諧速率在1 Gb/s以上，因此，在仿真中可將標記速率提高至1.25 Gb/s。

2 仿真驗證與結果分析

為驗證方案的工作特性，在仿真軟件 VPI Transmission Maker中搭建背靠背(BTB，back-toback)多頻率SAC標記交換系統，其仿真模型如圖4所示。其中凈荷速率為40 Gb/s，標記速率為625 Mb/s與 1.25 Gb/s。

圖4 單光源多頻率SAC標記交換系統

由圖4可知，在標記發生器中，工作波長為1552.92 nm(193.05 THz)，發射功率為 0 dBm，線寬為10 MHz的分布反饋式(DFB，distributed feedback)激光器，經周期為12.8 ns的鋸齒波函數進行頻率調制(FM，frequency modulation)后，生成發射功率恒定、工作頻率為193.05～193.082 THz的掃頻光源(如圖 5(a)所示)，此時 fswept=32 GHz。當F-P濾波器的選頻間隔設定為2 GHz時，在128 ns的時間窗內，將能產生16個SAC脈沖，此時對應標記速率為1.25 Gb/s(如圖5(b)所示);當選頻間隔設定為4 GHz時，12.8 ns內將產生8個SAC脈沖，此時標記速率則為625 Mb/s。SAC脈沖與PRBS序列長度為27－1的625 Mb/s或1.25 Gb/s的標記信號，經消光比為30 dB的馬赫－曾德(M-Z，Mach-Zehnder)調制器編碼后，生成SAC標記(如圖5(c)、(d)所示)。40 Gb/s IM凈荷信號由序列長度為223－1的偽隨機序列(PRBS，pseudo-random binary sequence)發生器與非歸零碼(NRZ，non return-to-zero)脈沖發生器產生，光源波長為 1553.33 nm(193 THz)，線寬為10 MHz，發射功率為0 dBm，M-Z調制器消光比為30 dB。

圖5 1.25 Gb/s多頻率SAC脈沖信號頻譜

標記識別單元采用與標記生成器類似的結構對標記進行相干探測［9］。為了覆蓋所有的標記頻率，掃頻本振光源(LO，local oscillator)的工作頻率可設置為 193.049～193.083 THz，其線寬為1 MHz。SAC標記與LO信號經3 dB耦合器混頻后，再通過平衡接收機進行光電探測，轉換為時域電信號。時域信號經雙低通濾波器(LPF，low-pass filter)濾波及時鐘恢復處理后，進入誤碼測試儀(BERT，bit rate error tester)進行性能測試。經解調后的標記時域波形如圖6所示。由圖6中波形可知，利用相干探測技術，正確識別了1.25 Gb/s的16頻率SAC標記。同時，經解調后的標記獲得了較大的對比度。625 Mb/s與1.25 Gb/s SAC標記的BER特性如圖7所示。

由圖7可知，當BER為10－9時，在未攜帶凈荷的情況下，625 Mb/s標記與1.25 Gb/s標記的接收光功率分別為－22.7 dBm與－15.8 dBm，光信噪比(OSNR，optical signal-to-noise ratio)分別為5.2 dB與9.6 dB。該結果表明:低速標記表現出了較好的接收質量，625 Mb/s與1.25 Gb/s標記之間的功率代價與OSNR代價分別為6.9 dB與4.4 dB。攜帶凈荷后，接收光功率分別為－21.7 dBm與 －15 dBm，OSNR分別為 6.3 dB與10.5 dB;與無凈荷情況相比，625 Mb/s標記與1.25 Gb/s標記的功率代價分別為1.0 dB與0.8 dB，OSNR代價分別為1.1 dB與0.9 dB。上述結果表明，雖然625 Mb/s標記的BER特性較1.25 Gb/s標記好，但攜帶凈荷后，功率代價與OSNR代價反而略大于1.25 Gb/s標記。攜帶不同速率標記的凈荷BER特性如圖8所示。

圖6 經調制后的1.25 Gb/s SAC標記

由圖8可知，當BER為10－9時，在未攜帶標記的情況下，40 Gb/s IM凈荷接收光功率為－18.8 dBm，OSNR為21.9 dB;攜帶625 Mb/s標記與1.25 Gb/s標記時，凈荷接收光功率分別為－18.1dBm與－17.8 dBm，OSNR分別為23.2 dB與23.3 dB。攜帶標記后，凈荷接收光功率分別降低了0.7 dB與1 dB，OSNR分別增大了1.3 dB與1.4 dB;攜帶不同速率標記時，凈荷BER特性并無明顯變化，功率代價與OSNR代價僅為0.3 dB與0.1 dB。

上述結果表明，標記對凈荷BER特性的影響很小，攜帶標記后，凈荷功率代價與OSNR代價均未超過1.5 dB。此外，不同速率標記對凈荷BER的影響也很小。因此，在多頻率SAC標記交換系統中，凈荷可攜帶高速率的標記信號。

3 結束語

本文提出了一種利用單波長掃頻激光器產生多頻率SAC標記的新方法。該方法大大降低了現有SAC標記生成器的單元結構與實現成本。通過仿真，驗證了8頻率625 Mb/s標記與16頻率1.25 Gb/s標記在加載40 Gb/s IM凈荷時的系統傳輸特性。仿真結果表明，該方案體現出了良好的BER傳輸特性與OSNR特性，適用于高速光標記交換的傳輸系統。

［1］VLACHOS K G，MONROY I T，KOONEN A M J，et al.STOLAS:Switching technologies for optically labeled signals［J］.IEEE Optical Communication，2003，41(11):9－15.

［2］CINCOTTI C，MANZACCA G，WANG X，et al.Reconfigurable multiport optical en/decoder with enhanced auto-correlation［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2008，20(2):168－170.

［3］EL-SAHN Z A，SHASTRI B J，ZENG M，et al.Experimental demonstration of a SAC-OCDMA PON with burstmode reception:local versus centralized source［J］.IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2008，26(10):1192－1203.

［4］YOSHINO M，KANEKO S，TANIGUCHI T，et al.Beat noise mitigation of spectral amplitude coding OCDMA using heterodyne detection［J］.IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2008，26(8):962 －970.

［5］SEDDIGHIAN P，AYOTEE S，FERNANDEZ J B R，et al.Label stacking in photonic packet switched networks with spectral amplitude code labels［J］.IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2007，25(2):463 －471.

［6］CAO Y S，OSADCHIY A V，XIN X J，et al.Performance analysis of IM，DPSK and DQPSK payload signals with frequency swept coherent detected spectral amplitude code labeling［J］.Optical Switching and Networking，2011，8(2):79 －85.

［7］GOLOVCHENKO E A，PILIPETSKII A N，MENTUK C R.Limitations imposed by Fabry-Perot sliding filters on soliton WDM transmission［C］//In:Proceeding of the IEEE Optical Fiber Communication(OFC’2002).Anaheim:CA，paper ThH2，2002.

［8］ALLAN W R，GRAHAM Z W，ZAYAS J R，et al.Multiplexed fiber Bragg grating interrogation system using a microelectromechanical Fabry-Perot tunable filter［J］.IEEE Sensors Journal，2009，9(8):936 －943.

［9］CAO Y S，OSADCHIY A V，XIN X J，et al.Recognition of spectral amplitude codes by frequency swept coherent detection for flexible optical label switching［J］.Photonic Network Communications，2010，20(2):131 －137.

［10］范嗣強，朱仁江，粱一平，等.半導體泵浦Nd:YAG固體激光器輸出光束質量研究與實驗測量［J］.激光雜志，2010(6):9－11.

［11］高志紅，高蘭蘭，李姝，等.全固態和頻激光器的研究進展［J］.激光雜志，2010(06):4－7.

［12］姜明順，孟玲，馮德軍，等.基于PM－FBG的可開關雙波長摻鉺光纖激光器［J］.壓電與聲光，2010(6):933－935.