再调制WDM-PON系统中FBG均衡技术

黄艳华，强世锦

(武汉职业技术学院 通信工程系，武汉430074)

再调制WDM-PON系统中FBG均衡技术

黄艳华，强世锦

(武汉职业技术学院 通信工程系，武汉430074)

研究了反射型半导体光放大器（R ef l ect i ve Sem i conduct or O pt i cal Am pl i f i er,R SO A）有源区物理参数对上行再调制信号速率的影响，提出了一种采用光纤光栅(Fi ber Bragg G rat i ngs,FBG)实现光域均衡的方案，并对不同FBG参数设置下的均衡效果进行了仿真。搭建了基于R SO A的再调制W D M-PO N系统，经过光域均衡，实现了上行10G b/s信号的传输。

波分复用无源光网络；反射型半导体光放大器；光纤光栅；均衡

0 引言

波分复用无源光网络（WDM-PON）是未来光接入网的发展趋势。“无色”ONU技术，有效降低了PON系统安装、运营以及维护成本，是WDM-PON的关键技术，其中基于反射型半导体光放大器（RSOA）再调制的方案，是最具潜力的WDM-PON系统无色ONU解决方案。但RSOA受有源区材料和结构的限制，调制带宽小于2GHz[1]，因而严重限制了PON系统上行传输速率和传输距离。如何提高RSOA的调制带宽，增大上行传输速率及传输距离是目前基于RSOA的WDM PON系统的研究热点。现阶段提高RSOA的调制速率的手段主要有以下几种：①从RSOA的结构和材料出发，设计新型的RSOA，这是因为RSOA的调制带宽是由RSOA的材料和其有源区结构决定的。②采用光域均衡技术，抑制RSOA输出光信号中的低频部分，保留信号高频部分，提高输出光信号的消光比，从而增加RSOA的有效调制速率[1]。③采用电均衡技术，提高接收信号的灵敏度。④采用高阶调制方案以减少RSOA的调制带宽造成的信号高频部分的失真，提高输出信号质量。第一种方案RSOA新器件的研发存在周期长及其不可预期的成本问题,为其进一步推广带来困难；后3种方案相对于当前的RSOA以及WDM PON系统透明,因此更有潜力。其中采用光域均衡技术，是由于成本低廉、复杂度低及其无源特性受到广泛关注。鉴于上述技术现状，以下我们研究再调制WDM-PON系统中基于FBG的均衡技术，旨在弥补RSOA调制带宽不足的问题，提高光信号的上行速率。

1 调整有源区的物理参数来提高上行速率

目前,商用RSOA的调制带宽通常小于2GHz，这使得基于RSOA的上行再调制速率大大受限（无外加电均衡或者前向纠错编码的情况下，上行速率不能超过2.5Gb/s），我们通过仿真，测试了RSOA的一些主要参数对RSOA的调制速率的影响。

1.1 RSOA有源区结构的影响

实验中，下行速率为10Gb/s，采用CSRZ-DPSK调制（因为该码型具有很强的抗光纤非线性以及色散的能力），上行RSOA再调制采用NRZ码型，单向传输距离5千米，RSOA注入功率为-5dBm。将RSOA的增益限制因子从0.45增加到0.6，得到PON上行接收端光信号Q值与RSOA上行再调制信号速率的关系曲线如图1(a)所示。

保持增益因子Γ=0.45不变，改变RSOA有源区的横截面积。将横截面积1.6×10-13m2减小为1×10-13m2，得到在不同横截面积下，上行接收端Q值与上行速率的关系曲线如图1(b)所示。

从图1(a)中可以看出，增益限制因子Γ=0.45时，上行调制速率为1.25Gb/s；当Γ增加到0.6时，上行速率可达到5Gb/s（对于实际光通信系统，要求接收端误码指标BER≤10-9，对应Q≥6）。增益限制因子是有源区限制光波能力的一个标志。增益限制因子越大，则允许更多的光子进入有源区，增加了有源区的光子密度，效果就是载流子的浓度得到提高，降低RSOA有源区增益恢复时间[2]，因而增加了RSOA的调制带宽，提高了上行传输速率。实际制造中,为了得到较大的增益限制因子，生产商需要将InGaAsP质半导体深掩埋到 InP质的基底[3]，但这将增加生产的工艺复杂度。

从图1(b)可以看出，在横截面积为1.6×10-13m2时，上行速率可达到 1.25Gb/s；当横截面积减小为 1× 10-13m2时，上行速率达到2.5Gb/s（对应Q≥6时）。因为减少有源区横截面积相当于增加了有源区内载流子浓度，从而增加了调制带宽，提高了上行速率。

图1 RSOA上行调制特性

1.2 RSOA入射功率的影响

保持增益因子Γ=0.45，有源区的横截面积为1.6× 10-13m2，改变RSOA输入光功率，得到不同光功率情况下上行接收端Q值与上行再调制信号速率的关系曲线，如图2所示。

图2 入射功率对上行调制特性的影响

当输入光功率为-5dBm时，上行调制速率为1.25Gb/s；当输入光功率增大到0dBm时，上行调制速率可达到5Gb/s。可见，输入光功率越大，RSOA的调制带宽也越大，可以支持更高的上行速率。

从以上实验可知，通过改变RSOA有源区的物理参数，如增加增益限制因子、横截面积、注入光功率等因素，可以提高有源区的载流子浓度，降低增益恢复时间，从而提高RSOA的调制带宽[3]，获得较高的上行速率。但是，这也对RSOA器件的生产工艺及PON系统的光源带来更高的要求。

2 基于FBG偏置滤波提升RSOA上行再调制信号速率的仿真

2.1 基于FBG偏置滤波的光域均衡分析

随着上行速率的提升，RSOA调制带宽不足对上行再调制信号的影响如图3所示。

图3 RSOA在不同调制速率下的眼图

从上行接收端眼图来看，随着调制速率的上升，码型出现了幅度的起伏，眼图逐渐闭合。因为调制带宽的限制，高频部分无法达到最大增益值，而低频部分可以达到最大增益值，因此“1”码码型有了高低起伏幅度不一致，从而导致了眼图的模糊[4]。

为了提高上行调制速率，采用光域均衡技术，在RSOA输出端后串接一个 FBG，比较经过FBG均衡前后的光谱和眼图，如图4和5所示。

图4 FBG均衡前后的光谱对比（10Gb/s上行）

图5 FBG均衡前后的眼图对比（10Gb/s上行）

由图4和图5中可以看出,经过FBG均衡滤波后，减少了RSOA增益不足造成的信号畸变，保证了上行再调制信号较好的单色性，从而可在接收端时域获得较清晰的眼图。

2.2 FBG反射谱带宽对RSOA均衡效果的影响

均衡效果的好坏与FBG的特性密切相关，在背靠背传输、RSOA输入光功率为-5dBm以及FBG的反射率为99%的情况下，改变FBG的带宽设置，观测不同带宽设置上行链路误码率 （即BER随FBG反射谱带宽的变化）曲线。

图6 上行链路的BER随FBG反射谱带宽的变化曲线

图6反映了在相同FBG反射谱带宽下，上行链路速率5Gb/s时的误码率指标远优于上行链路速率10Gb/s时的误码率指标。FBG反射谱带宽为38GHz时的均衡效果最佳，但进一步增加滤波器带宽时，均衡效果变差，因为随着FBG反射谱的展宽,下行信号残留码型也随之变强，对RSOA再调制光输出信号的干扰越强烈。

2.3 FBG反射率对RSOA均衡效果的影响

分别在背靠背传输和L= 5km、RSOA输入光功率为-5dBm、FBG的反射带宽为38GHz的情况下，改变FBG的反射率设置，观测不同上行速率下反射率对上行链路误码性能的影响，其变化曲线如图7所示。

图7 FBG的反射率对上行链路BER的影响

从图7可以看出，在FBG的反射率设置不变的情况下，随着传输距离增加，上行链路的误码率指标会劣化。FBG反射率为99%时，上行链路误码性能优于FBG反射率为55%时对应的上行链路误码性能。这是因为FBG较高的反射率，经FBG均衡后的信号，抑制了原RSOA光输出信号的ASE噪声和下行残留码型，提高了RSOA输出光信号的OSNR，因而改善了上行链路误码性能。

根据上述分析，FBG反射谱带宽为38GHz，同时反射率为99%时，FBG滤波器均衡效果最佳。

2.4 FBG均衡下的最大传输距离研究

上述实验基于单信道的上行再调制信号的分析，而在WDM-PON系统下，因为多信道彼此之间的交叉相位调制以及四波混频等因素影响，FBG的均衡效果与单信道系统会有区别。下面以Optisystem软件仿真4波道的基于RSOA的WDM-PON系统，由此来研究经过FBG均衡滤波后，WDM-PON系统在高速上行速率下所能传输的最大距离。

在典型RSOA的WDM-PON系统结构上，我们进行FBG均衡改造：在接收端RSOA上行再调制信号的输出端串接一个FBG；为保证RSOA输入端比较大的注入功率，在下行信号经合波器合波后，串连一个ED-FA，再接入G.652光纤传输。上下行各采用一条光纤传输，下行采用CSRZ-DPSK码型，下行单波道速率10Gb/s，上行采用NRZ码。具体仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

改变传输距离，分别设置单波道上行速率5Gb/s和10Gb/s，测试不同速率下，上行链路的BER随传输距离的变化曲线；对比未进行FBG均衡前，上行速率5Gb/s下，BER随传输距离的变化。如图8所示。

图8BER与传输距离的关系

可以看出，在没有经过FBG均衡前，上行速率为5Gb/s时，上行接收端BER很大，因为此时受限于RSOA的调制带宽限制，不能实现高速调制（>5Gb/s）。而在采用FBG均衡改造后，大大改善了上行接收端的误码性能，上行速率最高可达到10Gb/s，但采用10Gb/s速率上行时，系统传输距离只能达到5km（对应BER≤10-9）；在上行速率为5Gb/s时，系统传输距离可达到12km（对应BER≤10-9）。在本实验中，上行入纤功率很大（单信道上行功率在10dBm左右），非线性效应很明显。因此非线性效应是限制高速调制下系统传输距离的主要因素，而且传输速率越高，相当于脉冲宽度缩短，非线性效应影响更严重。光纤非线性效应的影响很难补偿，需要采用大有效面积的光纤增强抗系统非线性影响的能力[5]。

3 结束语

本文研究了再调制WDM-PON系统中基于FBG的均衡技术，得到的主要结论如下：

①RSOA有源区的尺寸和物理参数对RSOA调制性能影响很大。考虑到RSOA新器件的研发周期及生产成本，采用现有商用RSOA器件，但保持RSOA较大的注入功率是获得较高上行调制速率的比较现实的选择。

②FBG作为光均衡滤波器可弥补RSOA调制带宽不足的问题,进而提升上行速率至5Gb/s以上。合理设置FBG的反射谱带宽和反射率可达到最佳均衡效果。

③经过FBG均衡后的4波道再调制WDM-PON系统，可以实现上行10Gb/s信号的5km传输和上行5Gb/s信号的12km传输，误码率≤10-9，误码性能满足光通信系统传输质量要求。

[1]刘磊.下一代光接入网中基于半导体光放大器的光信号处理理论与实验研究[D]．北京：北京邮电大学，2012：20-32．

[2]蒋莉玲．基于RSOA再调WDM_PON接入网的关键技术的研究[D]．上海：上海交通大学，2014：59-63．

[3]刘明涛．下一代光接入网中基于SOA_RSOA的光信号处理关键技术研究[D]．北京：北京邮电大学，2012：49-50．

[4]曹志会．高速大容量WDM PON梳状种子光源产生等关键技术研究[D]．北京：北京邮电大学，2012：27-36．

[5]顾畹仪．WDM超长距离传输技术[M]．北京：北京邮电大学出版社，2006．

FBG equalization techniques in WDM-PON system based on RSOA re-modulation

HUANG Yan-hua,QIANG Shi-jin
(Department of Telecommunication Engineering,Wuhan Polytechnic,Wuhan 430074,China)

The influence of physical parameters of RSOA active region on the uplink rate of re modulation signal is studied in this paper.A scheme to realize the equalization of optical field with FBG is proposed,and the simulation of the effect of different FBG parameters is carried out.Finally,the WDM-PON system based on RSOA Re-modulation is set up,and the transmission of the uplink 10Gb/s signal is realized through the optical field equalization with FBG.

WDM-PON,RSOA,FBG,equalization techniques

TN248

A

1002-5561（2016）02-0049-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.015

2015-11-04。

湖北省教育厅科学研究项目（B2014219）资助。

黄艳华（1974-），女，副教授，硕士，从事光通信技术方面的教学和科研工作。