论文部分内容阅读
【摘要】文章研究了非理想情况下基于循环频移器的多载波光源的输出性能，主要针对I/Q调制器本征失配、I/Q调制器偏置工作电压失配和射频驱动信号幅度和相位失配三种非理想情况进行了讨论。理论分析指出，不同失配条件下影响多载波光源输出性能的主要因素不同。文章应用有效光信噪比作为量化衡量多载波光源输出性能的标准，基于三种失配情况下影响输出性能的主要因素进行了仿真分析。结果显示，有效光信噪比随信道数的增加而减小；不同失配情况下，射频驱动电压具有不同的参数优化方案。
【关键词】循环频移器；多载波光源；I/Q调制器；谐波串扰；有效光信噪比
1.引言
近年来，为了应对高速率大容量的数据传输需求，太比特光纤通信的理论和实验研究得到了长足发展。常用的技术包括相干波分复用（Co—WDM）[1]，通过偏分复用（PDM）实现的密集波分复用（DWDM）[2]，以及具有多种调制格式的相干光正交频分复用（Co—OFDM）[3—5]等。其中，Co—OFDM因其频谱效率、接收机灵敏度和抗偏振色散特性方面的优势被认为具有更为良好的应用前景。同时，随着传输速度和容量的提高，单个载波的传输系统已不足以满足需求，所以多载波传输系统就成为了当今研究的主题。为了产生多种波长的连续波，光通信领域最常使用的方法就是超连续谱[6]和光频梳[7]。然而，这两种方法在实际中都很难实现平坦且易于控制的频谱输出。最近，研究人员提出了一种利用正交频分复用产生多载波光源的新方法。此方法利用基于循环频移器（RFS）[1][5]的单边带调制系统实现，不仅能产生频率严格锁定的子载波，获得高频谱效率，还能实现太比特信息传输速率。同时，此方法在降低驱动电压和产生更大数量的子载波方面占有优势。应用这种方法，已经能够成功产生24信道[5]和36信道[4]的子载波。并且，理想情况下多载波光源的串扰和稳定性也被做了相关研究。[8][9]非理想情况下，虽然已有学者[10]研究了影响多载波光源性能的因素，但并未对循环频移器（RFS）的参数优化提出讨论。为了能将多载波光源更好的运用到实际中来，我们有必要对其在非理想情况下的参数优化加以探讨。
在这篇文章中，我们首先应用有效光信噪比理论分析了多载波光源在调制器本征失配、偏置工作电压失配、射频驱动信号幅度和相位失配三种非理想情况下多载波光源的性能，然后通过matlab对理论分析结果进行了仿真，并根据仿真结果对参数优化提出了建议。
2.理论分析
基于循环频移器的多载波光源单边带调制系统如图1所示。实验装置主要由一个闭环组成，其中包括50：50的光耦合器，IQ调制器，EDFA光放大器，可调谐光滤波器和偏振控制器。IQ调制器由两个等幅度但存在π/2相位差的射频时钟信号驱动，藉此产生对输入信号的频移。EDFA放大器用以补偿环路损耗，包括光耦合器、IQ调制器、光带通滤波器的插入损耗以及调制器的调制损耗。可调光带通滤波器用于减少光放大器的自发辐射噪声，并控制多载波产生的数目。偏振控制器（PC）用以调节光信号的偏振态，使输出光功率最大化。此外，TLS为连续激光源，用以提供输入频率为f0（本实验中为193.425THz）的种子信号。
在单边带调制系统中，光放大器产生的ASE噪声和调制器产生的串扰是系统输出不稳定的主要因素。假设EDFA的标准化饱和放大增益和输出功率分别是G和Pout，我们可以如下定义EDFA的光信噪比：
其中是相位调制器插入损耗，，是相位调制深度；是由于I/Q调制器本身的误差引起的相位调制的偏差，和是子MZM（马赫曾德尔调制器）两臂电压失配引起的电压偏差。（k=0，1，2，3）是第一类贝塞尔函数。
假设忽略3阶以下谐波串扰，并考虑到谐波在频域的对称性，由前人的成果[10]可以得到MZM两臂电压失配情况下，PM的插入损耗较小时（实际情况），0阶串扰成为主串扰分量。
由前面的式子可得，0阶串扰的光信噪比为：
3.仿真结果
展示了理想情况下的有效光信噪比随N和Vpp的变化关系。由图2可见，当Vpp一定时，有效光信噪比随信道数N的增加呈递减的趋势；而当N一定时，有效光信噪比随Vpp的变化出现峰值，峰值大约在等于0.3到0.365之间达到。
4.结论
通过理论研究和仿真分析，我们发现，基于循环频移器的多载波光源在不同的非理想情况下，影响输出结果稳定性的主要因素不同。所以我们在调配多载波光源时，首先应该考量多载波光源的失配情况，再选取合适的参数优化方案。当存在多种失配情况时，我们应该在不同的优化方案之间寻找折衷，努力实现多载波光源平坦、稳定的输出。
参考文献
[1]G.Gavioli，E.Torrengo，G.Bosco，A.Carena，V.Curri，V.Miot，P.Poggiolini，M.Belmonte，F.Forghieri，C.Muzio，S.Piciaccia，A.Brinciotti，A.Porta，C.Lezzi，S.Savory，S.Abrate，“Investigation of the Impact of Ultra—Narrow Carrier Spacing on the Transmission of a 10—Carrier 1Tb/s Superchannel，”OFC.OThD3，（2010）.
[2]X.Zhou，J.Yu，M.Huang，Y.Shao，T.Wang，P.Magill，M.Cvijetic，L.Nelson，M.Birk，G.Zhang，S.Ten，H.Matthew，and S.Mishra，“32Tb/s（320×114Gb/s）PDM—RZ—8QAM transmission over 580km of SMF—28 ultra—low—loss fiber”.OFC.PDPB4，（2009）.
[3]H.Masuda，E.Yamazaki，A.Sano，T.Yoshimatsu，T.Kobayashi，E.Yoshida，Y.Miyamoto，S.Matsuoka，Y.Takatori，M.Mizoguchi，K.Okada，K.Hagimoto，T.Yamada，S.Kamei，“13.5—Tb/s（135×111—Gb/s/ch）No—Guard—Interval Coherent OFDM Transmission over 6，248 km using SNR Maximized Second—order DRA in the Extended L—band，”OFC.PDPB5，（2009）. [4]Y.Ma，Q.Yang，Y.Tang，S.Chen，W.Shieh，“1—Tb/s per Channel Coherent Optical OFDM Transmission with Subwavelength Bandwidth Access，”OFC.PDPC1，（2009）.
[5]S.Chandrasekhar，X.Liu，B.Zhu，D.Peckham，“Transmission of a 1.2—Tb/s 24—Carrier No—Guard—Interval Coherent OFDM Superchannel over 7200—km of Ultra—Large—Area Fiber，”ECOC.PD2.6，（2009）.
[6]Toshiaki Kuri，Hiroyuki Toda，Juan Jose Vegas Olmos，and Ken—ichi Kitayama.“Reconfigurable Dense Wavelength Division Multiplexing Millimeter—Wave—Band Radio—over—Fiber Access System Technologies，”J.Lightwave Technol.28，（2010 accepted）.
[7]T.Sakamoto，T.Yamamoto，K.Kurokawa，and S.Tomita， “DWDM transmission in O—band over 24 km PCF using optical frequency comb based multicarrier source，”Electron.Lett.45（16），850—851（2009）.
[8]Y.Ma，Q.Yang，Y.Tang，S.Chen，and W.Shieh，“1—Tb/s single—channel coherent optical OFDM transmission with orthogonal—band multiplexing and subwavelength bandwidth access，”J.Lightwave Technol.28（4），308—315（2010）.
[9]J.Li，X.Li，X.Zhang，F.Tian，and L.Xi，“Analysis of the stability and optimizing operation of the single—side—band modulator based on re—circulating frequency shifter used for the T—bit/s optical communication transmission，”Opt.Express 18（17），17597—17609（2010）.
[10]J.Li，X.Zhang，F.Tian，and L.Xi，“Theoretical and experimental study on generation of stable and high—quality multi—carrier source based on re—circulating frequency shifter used for Tb/s optical transmission”Opt.Express 19（2），860—873（2011）.
【关键词】循环频移器；多载波光源；I/Q调制器；谐波串扰；有效光信噪比
1.引言
近年来，为了应对高速率大容量的数据传输需求，太比特光纤通信的理论和实验研究得到了长足发展。常用的技术包括相干波分复用（Co—WDM）[1]，通过偏分复用（PDM）实现的密集波分复用（DWDM）[2]，以及具有多种调制格式的相干光正交频分复用（Co—OFDM）[3—5]等。其中，Co—OFDM因其频谱效率、接收机灵敏度和抗偏振色散特性方面的优势被认为具有更为良好的应用前景。同时，随着传输速度和容量的提高，单个载波的传输系统已不足以满足需求，所以多载波传输系统就成为了当今研究的主题。为了产生多种波长的连续波，光通信领域最常使用的方法就是超连续谱[6]和光频梳[7]。然而，这两种方法在实际中都很难实现平坦且易于控制的频谱输出。最近，研究人员提出了一种利用正交频分复用产生多载波光源的新方法。此方法利用基于循环频移器（RFS）[1][5]的单边带调制系统实现，不仅能产生频率严格锁定的子载波，获得高频谱效率，还能实现太比特信息传输速率。同时，此方法在降低驱动电压和产生更大数量的子载波方面占有优势。应用这种方法，已经能够成功产生24信道[5]和36信道[4]的子载波。并且，理想情况下多载波光源的串扰和稳定性也被做了相关研究。[8][9]非理想情况下，虽然已有学者[10]研究了影响多载波光源性能的因素，但并未对循环频移器（RFS）的参数优化提出讨论。为了能将多载波光源更好的运用到实际中来，我们有必要对其在非理想情况下的参数优化加以探讨。
在这篇文章中，我们首先应用有效光信噪比理论分析了多载波光源在调制器本征失配、偏置工作电压失配、射频驱动信号幅度和相位失配三种非理想情况下多载波光源的性能，然后通过matlab对理论分析结果进行了仿真，并根据仿真结果对参数优化提出了建议。
2.理论分析
基于循环频移器的多载波光源单边带调制系统如图1所示。实验装置主要由一个闭环组成，其中包括50：50的光耦合器，IQ调制器，EDFA光放大器，可调谐光滤波器和偏振控制器。IQ调制器由两个等幅度但存在π/2相位差的射频时钟信号驱动，藉此产生对输入信号的频移。EDFA放大器用以补偿环路损耗，包括光耦合器、IQ调制器、光带通滤波器的插入损耗以及调制器的调制损耗。可调光带通滤波器用于减少光放大器的自发辐射噪声，并控制多载波产生的数目。偏振控制器（PC）用以调节光信号的偏振态，使输出光功率最大化。此外，TLS为连续激光源，用以提供输入频率为f0（本实验中为193.425THz）的种子信号。
在单边带调制系统中，光放大器产生的ASE噪声和调制器产生的串扰是系统输出不稳定的主要因素。假设EDFA的标准化饱和放大增益和输出功率分别是G和Pout，我们可以如下定义EDFA的光信噪比：
其中是相位调制器插入损耗，，是相位调制深度；是由于I/Q调制器本身的误差引起的相位调制的偏差，和是子MZM（马赫曾德尔调制器）两臂电压失配引起的电压偏差。（k=0，1，2，3）是第一类贝塞尔函数。
假设忽略3阶以下谐波串扰，并考虑到谐波在频域的对称性，由前人的成果[10]可以得到MZM两臂电压失配情况下，PM的插入损耗较小时（实际情况），0阶串扰成为主串扰分量。
由前面的式子可得，0阶串扰的光信噪比为：
3.仿真结果
展示了理想情况下的有效光信噪比随N和Vpp的变化关系。由图2可见，当Vpp一定时，有效光信噪比随信道数N的增加呈递减的趋势；而当N一定时，有效光信噪比随Vpp的变化出现峰值，峰值大约在等于0.3到0.365之间达到。
4.结论
通过理论研究和仿真分析，我们发现，基于循环频移器的多载波光源在不同的非理想情况下，影响输出结果稳定性的主要因素不同。所以我们在调配多载波光源时，首先应该考量多载波光源的失配情况，再选取合适的参数优化方案。当存在多种失配情况时，我们应该在不同的优化方案之间寻找折衷，努力实现多载波光源平坦、稳定的输出。
参考文献
[1]G.Gavioli，E.Torrengo，G.Bosco，A.Carena，V.Curri，V.Miot，P.Poggiolini，M.Belmonte，F.Forghieri，C.Muzio，S.Piciaccia，A.Brinciotti，A.Porta，C.Lezzi，S.Savory，S.Abrate，“Investigation of the Impact of Ultra—Narrow Carrier Spacing on the Transmission of a 10—Carrier 1Tb/s Superchannel，”OFC.OThD3，（2010）.
[2]X.Zhou，J.Yu，M.Huang，Y.Shao，T.Wang，P.Magill，M.Cvijetic，L.Nelson，M.Birk，G.Zhang，S.Ten，H.Matthew，and S.Mishra，“32Tb/s（320×114Gb/s）PDM—RZ—8QAM transmission over 580km of SMF—28 ultra—low—loss fiber”.OFC.PDPB4，（2009）.
[3]H.Masuda，E.Yamazaki，A.Sano，T.Yoshimatsu，T.Kobayashi，E.Yoshida，Y.Miyamoto，S.Matsuoka，Y.Takatori，M.Mizoguchi，K.Okada，K.Hagimoto，T.Yamada，S.Kamei，“13.5—Tb/s（135×111—Gb/s/ch）No—Guard—Interval Coherent OFDM Transmission over 6，248 km using SNR Maximized Second—order DRA in the Extended L—band，”OFC.PDPB5，（2009）. [4]Y.Ma，Q.Yang，Y.Tang，S.Chen，W.Shieh，“1—Tb/s per Channel Coherent Optical OFDM Transmission with Subwavelength Bandwidth Access，”OFC.PDPC1，（2009）.
[5]S.Chandrasekhar，X.Liu，B.Zhu，D.Peckham，“Transmission of a 1.2—Tb/s 24—Carrier No—Guard—Interval Coherent OFDM Superchannel over 7200—km of Ultra—Large—Area Fiber，”ECOC.PD2.6，（2009）.
[6]Toshiaki Kuri，Hiroyuki Toda，Juan Jose Vegas Olmos，and Ken—ichi Kitayama.“Reconfigurable Dense Wavelength Division Multiplexing Millimeter—Wave—Band Radio—over—Fiber Access System Technologies，”J.Lightwave Technol.28，（2010 accepted）.
[7]T.Sakamoto，T.Yamamoto，K.Kurokawa，and S.Tomita， “DWDM transmission in O—band over 24 km PCF using optical frequency comb based multicarrier source，”Electron.Lett.45（16），850—851（2009）.
[8]Y.Ma，Q.Yang，Y.Tang，S.Chen，and W.Shieh，“1—Tb/s single—channel coherent optical OFDM transmission with orthogonal—band multiplexing and subwavelength bandwidth access，”J.Lightwave Technol.28（4），308—315（2010）.
[9]J.Li，X.Li，X.Zhang，F.Tian，and L.Xi，“Analysis of the stability and optimizing operation of the single—side—band modulator based on re—circulating frequency shifter used for the T—bit/s optical communication transmission，”Opt.Express 18（17），17597—17609（2010）.
[10]J.Li，X.Zhang，F.Tian，and L.Xi，“Theoretical and experimental study on generation of stable and high—quality multi—carrier source based on re—circulating frequency shifter used for Tb/s optical transmission”Opt.Express 19（2），860—873（2011）.