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【摘要】 使用直接调制反射式半导体光放大器（RSOA）和自零差接收器可以在60Km距离范围内实现上行传输速率为50Gb/s波分复用无源光网络（WDM PON）。由于受调制带宽的限制，RSOA工作在50Gb/s的传输速率是十分困难的，为了能够顺利地生成50Gb/s的上行信号，我们采用了四相相位移键控（QPSK）和频率偏移偏振复用技术，从而使得WDM PON可以在不需要任何光放大器的情況下，以50Gb/s速率传输超过60Km的距离。
【关键词】 反射式半导体光放大器 自零差接收器 波分复用无源光网络 偏振复用
一、前言
从水平结构来看，通信网网络结构可划分为：核心网（Core Network，CN）、接入网（Access Network，AN）和用户驻地网（Customer Premises Network，CPN）。接入网是连接用户驻地网和核心网的中间网络，主要负责将终端用户接入到核心网，使终端用户获得核心网上运行的各种业务与服务[1]。目前比较主流的接入网技术主要是基于EPON和GPON的FTTx技术，FTTx的接入速率虽比xDSL的速率高很多，但最高接入速率也只仅为～1Gb/s，这与核心网的高速率、大容量的业务运行能力形成了鲜明的对比，因此接入网的传输速率成为制约整个通信网性能提升的主要因素。
为了满足人们日益增长的宽带接入需求，开发传输速率大于50Gb/s高速率光接入网显得十分必要。然而在WDM PON高速光接入网的具体设计过程中，如何在光网络单元（ONU）处使用无色光源和避免使用昂贵的外部调制器成为高速率WDM PON系统能否顺利实施的决定性因素[2]。我们发现在WDM PON中使用啁啾直接调制激光器可以获得50Gb/s的下行信号。然而，由于受其调制带宽的限制，使用诸如反射式半导体光放大器（RSOA）和反射式电吸收调制器（REAM）等无色光源来分辨高速率的上行信号是十分困难的。
近年来的研究成果表明，传输速率为100Gb/s的WDM PON可以被看作是在每个ONU处使用4个RSOA（每个RSOA以非归零方式、25Gb/s的速率运行）的粗糙波分复用技术（CWDM）[3]。
本文研究了使用直接调制ROSA和自零差接收器实施的传输距离在60Km以内速率为50Gb/s上行信号的传输特性，限定RSOA的调制带宽仅为3.2GHz，并且使用四相相移键控（QPSK）和频率偏移偏振复用（PDM）技术来产生速率为50Gb/ s的上行信号。
实际中，利用偏振分束器（PBS）使得两路种子光源的输出信号产生25GHz的频率偏移，然后将这两路光信号复用之后发送至ONU。这一25GHz的频率偏移利用延迟线干涉仪（DLI）而非偏振分束器和偏振控制器的方式区分ONU侧的偏振复用种子光源。分离的种子光源被两个运行速率为25Gb/ s的反射式半导体光放大器以四相相移键控（QPSK）的方式调制，调制之后的两路输出信号被延迟干涉仪（DLI）重新合成之后发送回中心局（CO）侧。由于两路种子光源的微小频率偏移和QPSK信号光谱的紧凑特性，使得网络中的信道间隔仅为60GHz，然而该WDM PON可以容纳大量传输速率为50Gb/s的用户。
在中心局侧，偏振复用后的多个传输速率为50Gb/s的上行信号在自零差连续接收器检测到之前被偏振分束器分开。与此同时，由于自零差连续接收器的灵敏度极高，因而无需在传输系统中使用任何光放大器。
二、实验方案和数据
为了研究基于频率偏移偏振复用技术的高速上行WDM PON信号传输性能，利用Optisystem软件构建了仿真系统[4]，系统结构如图1所示，该系统RSOA的碟形包的调制带宽设置为3.2GHz。
此外，为了克服调制带宽的限制并且获得50Gb/s的上行信号，使用了频率偏移偏振极化技术和QPSK的调制方式[5]。为了获得符合要求的光信号，在ONU侧安装两个RSOA并向ONU发送两路正交极化的种子光信号，该种子光信号由中心局的可调激光器产生，激光器的工作波长分别为1549.96nm和1550.13nm，其输出信号通过偏振分束器进行偏振复用，其中两个种子光源的频率偏移为25GHz。ONU侧的延迟线干涉仪利用该频率偏移可以简单地实现合成或区分偏振复用的种子光源，无需使用极化分束器及其配套的极化控制电路。
图1所示系统中的阵列波导光栅（AWG）设置在中心局或者远程节点，它具有平顶通频带特性并且信道间隔为60GHz。因此25GHz的频率偏移可以保证偏振复用的种子光源通过阵列波导光栅时不会产生明显的衰减。该仿真系统种子光源的输出光功率设置为3dBm，即长度为60Km的馈线光纤的输入口功率为3dBm。在馈线光纤中传输一段距离（～1Km）后，偏振复用的种子光源被ONU侧的延迟线干涉仪分成两个支路，其中延迟线干涉仪的插入损耗小于1dB。由于延迟线干涉仪自由光谱区的宽度为50GHz，因此延迟线干涉仪合成或分离频率偏移为25GHz的偏振复用信号十分有效的。
例如，当频率偏移为25GHz时，延迟线干涉仪输入端和输出端偏振复用后的种子光源光谱特性分别如图2-1和2-2所示。
图2-1和2-2表明偏振复用后的种子光源可以通过延迟线干涉仪进行分离，其抑制比为22dB。经过测量，该传输系统中每个RSOA上的入射光光功率为-15dBm。分离后的种子光源直接被RSOA用四级电信号调制成速率为25Gb/ s的四相相移键控的格式，然后通过DLI重新将两路信号合成之后再发送回中心局。这样就可以用ONU侧的两个RSOA获得50Gb/s的上行信号，每个RSOA的传输速率为25Gb/s，调制方式为QPSK。 图2-3是合成的上行光信号通过DLI的光谱图，由于两个种子光源之间存在25GHz的频率偏移，使得RSOA直接调制后的上行信号光谱被展宽，因此调制速率为25Gb/s时两个RSOA的光谱会有部分重叠。然而，由于两路信号是以正交极化的方式传输的，因此上述光谱的部分重叠不会导致接收器产生明显的色度干扰。
图2-4为上行信号进入中心局侧接收器之前的光谱，合成后的上行信号被偏振分束器分离出来，抑制比为～30dB，自零差接收器可以检测到分离后的上行信号[6]，这种连续的自零差接收器可以用3×3耦合器经过120°光混合获得。这种情况下，上行信号的偏振状态与中心局侧输入偏振分束器的种子光源时刻保持正交状态。
进行自零差连续检测时，使用种子光源Ⅰ和Ⅱ中的一部分作为两个本地振荡器，如图1所示。这两个振荡器分别为连续接收器Ⅰ和Ⅱ提供脉冲信号，其中本地振荡器的输出功率为3dBm。
该体系下的每个连续接收器侧3×3耦合器的输出信号使用三个插脚式光电二极管检测，检测到的信号用数字采样示波器进行采样，采样率为50GS/s。并使用高通滤波器滤除由瑞利后向散射产生的低频部分[7]，其中高通滤波器的截止频率为20MHz。然后用逆向光纤色散函数的傅里叶变换对接收信号进行色散补偿，并在RSOA侧设置了电流幅度调制装置，因此RSOA的相位在相位图中只能在0～3/2п之间变化，因此只需测量相位图中3/2п～0之间的夹角就可以计算出QPSK信号的载波相位。然后使用电子均衡技术对RSOA的调制带宽进行补偿，其中RSOA作为相位调制器用来产生QPSK信号，而RSOA输出信号的相位与信号强度成比例变化。
因此，我们在调制信號的相位部分使用了电子均衡技术，其中相位均衡器由19路半字符开关的前向反馈均衡器和10路开关判决反馈均衡器组成[8]。
图3为接收器Ⅰ和Ⅱ接收到的速率为25Gb/s的QPSK信号在不同传输距离的误码率曲线。在背靠背的工作方式下，接收器在误码率为10-4时的灵敏度为-28.4dBm，在单模光纤链路中传输超过60Km后的灵敏度为-26.3dBm，可见两个连续接收器测量灵敏度并没有显著的不同，如图3-1和3-2所示。
由此可见，光信号传输60Km之后的功率损失大部分是由于RSOA的入射光功率减少引起的。为了估算频率偏移偏振复用技术对接收器灵敏度的影响，我们在测量其中一个上行信号的误码率曲线同时，关闭了另一个工作在正交偏振状态的上行信号，研究结果表明，由频率偏移偏振复用技术所引起的功率损失小于0.5dBm，具体情况如图3-1和3-2所示。
三、结论
本文研究了基于频率偏移偏振复用技术的高速上行WDM PON信号传输系统中速率为50Gb/s的上行信号在单模光纤链路中传输距离超过60Km时的传输特性。
为了克服RSOA调制带宽的限制并产生50Gb/s的上行信号，该WDM PON系统使用了QPSK调制和频率偏移偏振复用技术。
我们在系统中的ONU处设置了两个频偏25GHz的正交偏振的种子光源，这两个种子光源被ONU侧的延迟线干涉仪分离后又分别被RSOA调制成速率为25Gb/s的QPSK信号，最后ONU侧的延迟线干涉仪将两路QPSK光信号合成一路信号后发送回中心局。
在中心局侧，偏振复用后的上行信号被偏振分束器分开后就可以被两个自零差接收器检测到了。另外，由于自零差接收器的灵敏度非常高，因此不需要任何光放大器就可以实现60Km范围内速率为50Gb/s光信号的传输，该WDM PON系统信道间隔为60GHz，所得光谱效率为0.78bit/s/Hz，这一结果表明该WDM PON系统中可以支持大量传输速率为50Gb/s的信道。
根据以上结果可知，使用直接调制RSOA和自零差接收器构建传输距离为60Km、传输速率为50Gb/s的WDM PON系统是可行的。
因此，和其他低速率WDM PON系统不同，该50Gb/s WDM PON系统使用了QPSK的调制方式和频率偏移偏振复用（PDM）技术，从而使更高速率的WDM PON传输系统成为可能。
参 考 文 献
[1]戈乐涅沃斯基，通信概论[M].北京：电子工业出版社，2010年6月.
[2] Shu-Chuan Lin， San-Liang Lee， Han-Hyuan Lin， Gerd Keiser， Rajeev J. Ram. Cross-Seeding Schemes for WDM-BasedNext-Generation Optical Access Networks[J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY.2011（29）：3727-3736.
[3] K. Y. Cho， U. H. Hong， Y. Takushima， A. Agata， T. Sano， M. Suzuki， and Y. C. Chung.103-Gb/s long-reachWDM PON implemented by using directly-modulated RSOAs[J].IEEE Photon. Technol. Lett. 24（3）：209-211.（2012）.
[4]张春蕾，陈海灵，闫彩化.基于RSOA再调制技术的WDM-PON系统仿真研究[J].半导体光电，2013（34）：482-485.
[5] H. K. Shim， K. Y. Cho， U. H. Hong， and Y. C. Chung. Transmission of 40-Gb/s QPSK upstream signalin RSOA-based coherent WDM PON usingoffset PDM technique[J].OPTICS EXPRESS， 2013（21）：3721-3725.
[6] K. Y. Cho， U. H. Hong， S. P. Jung， Y. Takushima， A. Agata， T. Sano， Y. Horiuchi， M. Suzuki， and Y. C. Chung.Long-reach 10-Gb/s RSOA-based WDM PON employing QPSK signal and coherent receiver[J]. Opt. Express， 20（14）， 15353–15358 （2012）.
[7] C. W. Chow， Member， IEEE， C. H.Yeh， Member， IEEE， Y. F.Wu， Student Member， IEEE， Y.H.Lin，F.Y. Shih， Student Member， IEEE， and S. Chi. Rayleigh Backscattering Circumvention in Ring-Based Access Network Using RSOA-ONU[J]. IEEE PHOTONICS TECHNOLO LETTERS， 2011（23）：1121-1123.
[8] C. H. Yeh， C. W. Chow. Signal Remodulation Ring WDM Passive Optical Network withRayleigh Backscattering Interferometric Noise Mitigation[J]. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS， 2011（15）：1114-1116.
【关键词】 反射式半导体光放大器 自零差接收器 波分复用无源光网络 偏振复用
一、前言
从水平结构来看，通信网网络结构可划分为：核心网（Core Network，CN）、接入网（Access Network，AN）和用户驻地网（Customer Premises Network，CPN）。接入网是连接用户驻地网和核心网的中间网络，主要负责将终端用户接入到核心网，使终端用户获得核心网上运行的各种业务与服务[1]。目前比较主流的接入网技术主要是基于EPON和GPON的FTTx技术，FTTx的接入速率虽比xDSL的速率高很多，但最高接入速率也只仅为～1Gb/s，这与核心网的高速率、大容量的业务运行能力形成了鲜明的对比，因此接入网的传输速率成为制约整个通信网性能提升的主要因素。
为了满足人们日益增长的宽带接入需求，开发传输速率大于50Gb/s高速率光接入网显得十分必要。然而在WDM PON高速光接入网的具体设计过程中，如何在光网络单元（ONU）处使用无色光源和避免使用昂贵的外部调制器成为高速率WDM PON系统能否顺利实施的决定性因素[2]。我们发现在WDM PON中使用啁啾直接调制激光器可以获得50Gb/s的下行信号。然而，由于受其调制带宽的限制，使用诸如反射式半导体光放大器（RSOA）和反射式电吸收调制器（REAM）等无色光源来分辨高速率的上行信号是十分困难的。
近年来的研究成果表明，传输速率为100Gb/s的WDM PON可以被看作是在每个ONU处使用4个RSOA（每个RSOA以非归零方式、25Gb/s的速率运行）的粗糙波分复用技术（CWDM）[3]。
本文研究了使用直接调制ROSA和自零差接收器实施的传输距离在60Km以内速率为50Gb/s上行信号的传输特性，限定RSOA的调制带宽仅为3.2GHz，并且使用四相相移键控（QPSK）和频率偏移偏振复用（PDM）技术来产生速率为50Gb/ s的上行信号。
实际中，利用偏振分束器（PBS）使得两路种子光源的输出信号产生25GHz的频率偏移，然后将这两路光信号复用之后发送至ONU。这一25GHz的频率偏移利用延迟线干涉仪（DLI）而非偏振分束器和偏振控制器的方式区分ONU侧的偏振复用种子光源。分离的种子光源被两个运行速率为25Gb/ s的反射式半导体光放大器以四相相移键控（QPSK）的方式调制，调制之后的两路输出信号被延迟干涉仪（DLI）重新合成之后发送回中心局（CO）侧。由于两路种子光源的微小频率偏移和QPSK信号光谱的紧凑特性，使得网络中的信道间隔仅为60GHz，然而该WDM PON可以容纳大量传输速率为50Gb/s的用户。
在中心局侧，偏振复用后的多个传输速率为50Gb/s的上行信号在自零差连续接收器检测到之前被偏振分束器分开。与此同时，由于自零差连续接收器的灵敏度极高，因而无需在传输系统中使用任何光放大器。
二、实验方案和数据
为了研究基于频率偏移偏振复用技术的高速上行WDM PON信号传输性能，利用Optisystem软件构建了仿真系统[4]，系统结构如图1所示，该系统RSOA的碟形包的调制带宽设置为3.2GHz。
此外，为了克服调制带宽的限制并且获得50Gb/s的上行信号，使用了频率偏移偏振极化技术和QPSK的调制方式[5]。为了获得符合要求的光信号，在ONU侧安装两个RSOA并向ONU发送两路正交极化的种子光信号，该种子光信号由中心局的可调激光器产生，激光器的工作波长分别为1549.96nm和1550.13nm，其输出信号通过偏振分束器进行偏振复用，其中两个种子光源的频率偏移为25GHz。ONU侧的延迟线干涉仪利用该频率偏移可以简单地实现合成或区分偏振复用的种子光源，无需使用极化分束器及其配套的极化控制电路。
图1所示系统中的阵列波导光栅（AWG）设置在中心局或者远程节点，它具有平顶通频带特性并且信道间隔为60GHz。因此25GHz的频率偏移可以保证偏振复用的种子光源通过阵列波导光栅时不会产生明显的衰减。该仿真系统种子光源的输出光功率设置为3dBm，即长度为60Km的馈线光纤的输入口功率为3dBm。在馈线光纤中传输一段距离（～1Km）后，偏振复用的种子光源被ONU侧的延迟线干涉仪分成两个支路，其中延迟线干涉仪的插入损耗小于1dB。由于延迟线干涉仪自由光谱区的宽度为50GHz，因此延迟线干涉仪合成或分离频率偏移为25GHz的偏振复用信号十分有效的。
例如，当频率偏移为25GHz时，延迟线干涉仪输入端和输出端偏振复用后的种子光源光谱特性分别如图2-1和2-2所示。
图2-1和2-2表明偏振复用后的种子光源可以通过延迟线干涉仪进行分离，其抑制比为22dB。经过测量，该传输系统中每个RSOA上的入射光光功率为-15dBm。分离后的种子光源直接被RSOA用四级电信号调制成速率为25Gb/ s的四相相移键控的格式，然后通过DLI重新将两路信号合成之后再发送回中心局。这样就可以用ONU侧的两个RSOA获得50Gb/s的上行信号，每个RSOA的传输速率为25Gb/s，调制方式为QPSK。 图2-3是合成的上行光信号通过DLI的光谱图，由于两个种子光源之间存在25GHz的频率偏移，使得RSOA直接调制后的上行信号光谱被展宽，因此调制速率为25Gb/s时两个RSOA的光谱会有部分重叠。然而，由于两路信号是以正交极化的方式传输的，因此上述光谱的部分重叠不会导致接收器产生明显的色度干扰。
图2-4为上行信号进入中心局侧接收器之前的光谱，合成后的上行信号被偏振分束器分离出来，抑制比为～30dB，自零差接收器可以检测到分离后的上行信号[6]，这种连续的自零差接收器可以用3×3耦合器经过120°光混合获得。这种情况下，上行信号的偏振状态与中心局侧输入偏振分束器的种子光源时刻保持正交状态。
进行自零差连续检测时，使用种子光源Ⅰ和Ⅱ中的一部分作为两个本地振荡器，如图1所示。这两个振荡器分别为连续接收器Ⅰ和Ⅱ提供脉冲信号，其中本地振荡器的输出功率为3dBm。
该体系下的每个连续接收器侧3×3耦合器的输出信号使用三个插脚式光电二极管检测，检测到的信号用数字采样示波器进行采样，采样率为50GS/s。并使用高通滤波器滤除由瑞利后向散射产生的低频部分[7]，其中高通滤波器的截止频率为20MHz。然后用逆向光纤色散函数的傅里叶变换对接收信号进行色散补偿，并在RSOA侧设置了电流幅度调制装置，因此RSOA的相位在相位图中只能在0～3/2п之间变化，因此只需测量相位图中3/2п～0之间的夹角就可以计算出QPSK信号的载波相位。然后使用电子均衡技术对RSOA的调制带宽进行补偿，其中RSOA作为相位调制器用来产生QPSK信号，而RSOA输出信号的相位与信号强度成比例变化。
因此，我们在调制信號的相位部分使用了电子均衡技术，其中相位均衡器由19路半字符开关的前向反馈均衡器和10路开关判决反馈均衡器组成[8]。
图3为接收器Ⅰ和Ⅱ接收到的速率为25Gb/s的QPSK信号在不同传输距离的误码率曲线。在背靠背的工作方式下，接收器在误码率为10-4时的灵敏度为-28.4dBm，在单模光纤链路中传输超过60Km后的灵敏度为-26.3dBm，可见两个连续接收器测量灵敏度并没有显著的不同，如图3-1和3-2所示。
由此可见，光信号传输60Km之后的功率损失大部分是由于RSOA的入射光功率减少引起的。为了估算频率偏移偏振复用技术对接收器灵敏度的影响，我们在测量其中一个上行信号的误码率曲线同时，关闭了另一个工作在正交偏振状态的上行信号，研究结果表明，由频率偏移偏振复用技术所引起的功率损失小于0.5dBm，具体情况如图3-1和3-2所示。
三、结论
本文研究了基于频率偏移偏振复用技术的高速上行WDM PON信号传输系统中速率为50Gb/s的上行信号在单模光纤链路中传输距离超过60Km时的传输特性。
为了克服RSOA调制带宽的限制并产生50Gb/s的上行信号，该WDM PON系统使用了QPSK调制和频率偏移偏振复用技术。
我们在系统中的ONU处设置了两个频偏25GHz的正交偏振的种子光源，这两个种子光源被ONU侧的延迟线干涉仪分离后又分别被RSOA调制成速率为25Gb/s的QPSK信号，最后ONU侧的延迟线干涉仪将两路QPSK光信号合成一路信号后发送回中心局。
在中心局侧，偏振复用后的上行信号被偏振分束器分开后就可以被两个自零差接收器检测到了。另外，由于自零差接收器的灵敏度非常高，因此不需要任何光放大器就可以实现60Km范围内速率为50Gb/s光信号的传输，该WDM PON系统信道间隔为60GHz，所得光谱效率为0.78bit/s/Hz，这一结果表明该WDM PON系统中可以支持大量传输速率为50Gb/s的信道。
根据以上结果可知，使用直接调制RSOA和自零差接收器构建传输距离为60Km、传输速率为50Gb/s的WDM PON系统是可行的。
因此，和其他低速率WDM PON系统不同，该50Gb/s WDM PON系统使用了QPSK的调制方式和频率偏移偏振复用（PDM）技术，从而使更高速率的WDM PON传输系统成为可能。
参 考 文 献
[1]戈乐涅沃斯基，通信概论[M].北京：电子工业出版社，2010年6月.
[2] Shu-Chuan Lin， San-Liang Lee， Han-Hyuan Lin， Gerd Keiser， Rajeev J. Ram. Cross-Seeding Schemes for WDM-BasedNext-Generation Optical Access Networks[J]. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY.2011（29）：3727-3736.
[3] K. Y. Cho， U. H. Hong， Y. Takushima， A. Agata， T. Sano， M. Suzuki， and Y. C. Chung.103-Gb/s long-reachWDM PON implemented by using directly-modulated RSOAs[J].IEEE Photon. Technol. Lett. 24（3）：209-211.（2012）.
[4]张春蕾，陈海灵，闫彩化.基于RSOA再调制技术的WDM-PON系统仿真研究[J].半导体光电，2013（34）：482-485.
[5] H. K. Shim， K. Y. Cho， U. H. Hong， and Y. C. Chung. Transmission of 40-Gb/s QPSK upstream signalin RSOA-based coherent WDM PON usingoffset PDM technique[J].OPTICS EXPRESS， 2013（21）：3721-3725.
[6] K. Y. Cho， U. H. Hong， S. P. Jung， Y. Takushima， A. Agata， T. Sano， Y. Horiuchi， M. Suzuki， and Y. C. Chung.Long-reach 10-Gb/s RSOA-based WDM PON employing QPSK signal and coherent receiver[J]. Opt. Express， 20（14）， 15353–15358 （2012）.
[7] C. W. Chow， Member， IEEE， C. H.Yeh， Member， IEEE， Y. F.Wu， Student Member， IEEE， Y.H.Lin，F.Y. Shih， Student Member， IEEE， and S. Chi. Rayleigh Backscattering Circumvention in Ring-Based Access Network Using RSOA-ONU[J]. IEEE PHOTONICS TECHNOLO LETTERS， 2011（23）：1121-1123.
[8] C. H. Yeh， C. W. Chow. Signal Remodulation Ring WDM Passive Optical Network withRayleigh Backscattering Interferometric Noise Mitigation[J]. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS， 2011（15）：1114-1116.