WDM-PON采用SOA实现无色光传输

舒 畅， 涂建华， 李卫东

（武汉军械士官学校，湖北 武汉 430075）

0 引言

近年来，WDM-PON由于具有很多独特的优点，因而引起了光通信技术界广泛的研究兴趣，比如：高质量宽带的数据服务、大分光比、扩展的传输距离、简单的网络结构和增强的终端用户隐私[1]。然而，在WDM-PON中，采用何种调制器对光信号进行调制，既能实现与光波波长的“无色”调制，又能保证系统性能。为此，1个可行的方案是在每一个光网络单元中使用可调激光器，而实现此方案的主要挑战是要保证在发射光波长动态改变时，系统都要保证其传输性能。实践中已经有一些光调制器提出并实现了在WDM-PON中的无色调制，如注入锁定式Fabry-Perot激光器[2]、反馈式半导体光放大器(RSOA)、半导体光放大器(SOA)[3]等。

由于SOA有宽光谱覆盖(＞100 nm)，并且其光增益饱和特性随工作条件和光信号属性变化很大。因此，对SOA在光信号传输性能影响方面的分析研究，是评估在WDM-PON中利用SOA实现无色光信号传输的关键。

在IMDD SMF连接系统中，重点分析了由SOA连接的无光放大和色散补偿，与信号调制波长相关的传输性能，提出了SOA的模型特征和参数，描述了在1 510～1 590 nm波长范围内不同波长光调制的优化工作条件。结果显示，当SOA工作在特定的优化工作条件下，能够实现无色光的自适应调制传输，并且，在60 km单模光纤连接系统中，可实现＞30 Gb/s的自适应调制信号的传输。

1 AMOOFDM传输系统结构模型

1.1 系统结构模型

OFDM系统仿真模型主要包括发送、调制、光传输、解调和接收部分[4]，图1为AMOOFDM传输系统结构模型框图，包括发送端、可调半导体激光器、半导体光放大器(SOA)、可变光衰减器(VOA)、单模光纤、光电二极管和接收器。可调半导体激光器用来提供期望值的光功率和光载波波长的连续光源，直流偏置电流和驱动电流用来调整SOA，保证其工作在最佳状态，这样也会改变调制光信号的输出功率。因此，在单模光纤前端插入1个VOA，来固定耦合光功率达到所要求的大小，同时，利用导频实现发送端与接收端的同步[5]。

图1 AMOOFDM传输系统结构模型

在接收端，用光电二极管来检测光信号，按发送端的逆过程进行处理，最终恢复出数据。

1.2 基于SOA的强度调制器模型

在图1中，所采用的DACs/ADCs的采样速率均低于20 GS/s，对应采样时间大于50 ps。另外，SOA的光增益饱和特性主要由SOA内光信号传播的直流部分来确定，例如，在SOA的输出面，调制光信号伴随的噪声类波形产生大约1 dB相对小的信号消光比。所讨论的SOA强度调制器模型，不考虑SOA带内动态过程。SOA的输出光信号可描述有[6]：

其中，下标i指波长为λi的光波，和表示输入光信号的功率和相位，和表示调制输出光信号的功率和相位。是沿整个SOA长度为L的集成光增益，α是线宽增强因子。在接收端，用光电二极管来检测由发送端传过来的光波信号。

1.3 仿真参数

在整个系统仿真过程中，用来仿真SOA强度调制器的典型材料是InGaAsP半导体材料，表1中列出了SOA相关参数[6]。通过SOA来衰减/放大被调制的光信号，耦合到单模光纤上的光功率固定在6.3 dBm。表2中列出了单模光纤SMF的仿真参数[6]。从中看出，单模光纤的衰减和色散参数跟发射光波长相关。例如，波长为1 510 nm和1 590 nm的光波，其衰减和色散参数分别为0.22 dB/km、14.2 ps/nm/km和0.22 dB/km、19.8 ps/nm/km，而1 550 nm的光波是0.2 dB/km和17 ps/nm/km。

表1 半导体光放大器(SOA)相关参数

表2 单模光纤(SMF)相关参数

2 SOA调制的AMOOFDM信号传输性能

2.1 传输性能的波长相关性

AMOOFDM系统中，传输性能跟波长相关性分析如图2所示。图2中偏置电流、驱动电流峰峰值和传输距离分别设定为100 mA、80 mA和60 km，整个信道的误码率(BER)要满足≤1.0×10-3。

图2 不同光输入功率时比特率与光波波长的关系

从图2可知，当SOA在上述的工作条件下，系统传输性能强烈依赖于输入光信号特性，包括波长和功率。当光输入功率≤10 dBm时，比特率随着波长增加而快速增加，直到波长为1 570 nm。而后比特率增加趋于平缓，这种与波长相关的性能特性与实验测量结果一致。另一方面，当光输入功率＞10 dBm时，不同波长的信号性能差别明显减小，并且信号传输性能几乎按1 550 nm波长对称分布。而且，对于特定的波长，当光输入功率≤20 dBm时，其比特率随光输入功率的增加而增加，除此以外（当光输入功率＞20 dBm时）比特率下降非常明显，这说明最佳光输入功率应该近似于20 dBm。

2.2 SOA优化的工作条件

对于特定的波长，存在1个优化的偏置电流和优化的光输入功率，此时对应1个最大的信号比特率。最优化的SOA工作条件是与波长相关的，即当波长增加时，优化的SOA偏置电流减小，光输入功率保持基本不变。例如：对于波长为1 510 nm，优化的偏置电流和光输入功率大约分别是200 mA和20 dBm，而对于波长为1 590 nm，这两个参数值大约分别是50 mA和20 dBm。波长对优化的SOA偏置电流的影响可以解释为：1个长的波长使电流增益曲线的线性区朝着低偏置电流变化。另一方面，最佳光输入功率对波长的不敏感是由于SOA的深度饱和光增益的直接结果。除此之外，其他相应的几个关键因素对波长也不敏感，这包括SOA光增益、有效载波寿命和信号消光比。

这里值得说明的是，SOA工作在对应的不同波长优化条件下，在整个80 nm(1 510～1 590 nm)波长区间范围内，最大可达到的信号比特率变化＜3 Gb/s。这说明，相对于不同的波长选择不同的优化SOA工作条件，AMOOFDM系统可实现无色传输。

图3分析的是对应于不同光波波长，驱动电流峰峰值对系统达到最大比特率的影响。图3中对每个特定波长采用了确定的优化光输入功率和偏置电流，传输距离设定为60 km。从图3中可看出，对于所有1 510～1 590 nm之间变化的波长，存在一个80 mA的优化驱动电流峰峰值，出现这种情况是由于存在信号削波和信号消光比的共同作用。对于特定的波长，高峰峰值导致比较强的信号削峰和大的信号消光比，反之亦然。一个长的波长大大拓宽了线性电流增益区，这样减小了信号的削峰效果。另一方面，一个长的波长也减小了线性电流增益曲线的斜率，这样减小了信号的消光比。

图3 不同光波波长时比特率与驱动电流峰峰值的关系

2.3 优化SOA工作条件下可达到的性能

从上述分析可知，对SOA工作条件的优化可实现AMOOFDM系统无色传输。基于不同波长的特定优化工作条件，图4给出了系统可达到的最佳性能。在1 510～1 590 nm宽的波长范围内，一个与波长不敏感的AMOOFDM系统传输距离可以达到150 km。特别是，SOA调制的无色光传输系统可以达到＞30 Gb/s的比特率，传输距离为60 km的单模光纤连接。需要指出的是，1 590 nm波长时传输性能最差，主要是由于长波波长有强的色散所造成的。

图4 不同光波波长时比特率与传输距离关系

值得指出的是，对于SOA有些参数的变化(如饱和能量、SOA长度)，无色光传输系统的性能是很健壮的，这进一步增强了WDM-PON系统采用优化的SOA工作条件来实现无色光传输的技术基础。

3 结语

在无光放大和色散补偿的单模光纤连接系统中，分析了采用SOA来实现无色光的调制，描述了SOA强度调制器模型和相关参数，重点分析了1 510～1 590 nm波长区间范围内的不同波长的优化 SOA工作条件。结果显示，在整个波长窗口内，当 SOA强度调制器工作在特定的优化条件下，能够实现无色光的AMOOFDM传输。并且，SOA调制的无色光传输系统可以达到＞30 Gb/s的比特率，传输距离为 60 km的单模光纤连接。

[1]汪灵杰,王建利,张傲,等.WDM-PON的无色ONU技术[J].光通信研究,2009,35(06):14-16.

[2]GROBE K, ELBERS J P. PON in Adolescence: from TDMA to WDM-PON[J].IEEE Commun., 2008,46(01):26-34.

[3]HEALEY P, TOWNSEND P, FORD C, et al. Spectral Slicing WDM-PON Using Wavelength-seeded Reflective SOAs[J]. Electron. Lett,2001,37(19):1181-1182.

[4]陈长兴,郑洪涛,巩林玉.基于Matlab的OFDM系统仿真与性能分析[J].通信技术,2009,42(01):93-95.

[5]曾玖贞,黄洪全.OFDM系统导频信道估计算法的性能研究[J].通信技术,2010,43(10):54-56.

[6]OBERMANN K, KINDT S, BREUER D, et al. Performance Analysis of Wavelength Converters based on Cross-gain Modulation in Semiconductor-optical Amplifiers[J]. J. Lightwave Technol.,1998,16(01):78-85.