基于soa之xgm效应的超宽带pam技术的研究

1 引言

近年来无线通信技术发迅猛发展，而超宽带无疑是其中最热门的技术之一[1][2]。UWB技术具有高速率、低功耗和低成本等优点，在大量有关超宽带(UWB)脉冲信号产生技术的研究之后，为实现携带用户数据信息的功能，故按照一定的调制方式调制变得尤为重要。然而数据传输速率、抗噪声与抗干扰能力、发射信号的谱特性以及收发机复杂性都对调制方案的选择有影响，其中收发机的复杂性直接关系到系统的规模和成本[3][4]。由于 UWB 信号的发射功率受到限制，从而使得传输距离不超过二十米，故在光纤中传输 UWB 信号的技术应运而生。因此，人们研究光学产生 UWB 信号的同时实现全光调制的技术变得十分必要。目前已有多种产生 UWB 调制信号的方案，主要有：基于修正厄米多项式函数的脉冲形状调制(PSM)[5]；基于半导体光放大器(SOA)的超宽带脉冲振幅调制(PAM)[6-7]；利用马赫-曾德尔调制器(MZM)实现脉冲极性调制(BPM)和 PAM[8-9]；基于非线性光学环镜(NOLM)实现PSM[10]；基于单个 MZM 与 SOA 级联，在 MZM 的射频端口注入非归零信息实现 BPM[11]；基于高非线性光子晶体光纤(HNPCF)产生 monocycle 信号的同时实现超宽带（UWB）的BPM[12]；基于多通道密集光波复用技术(DWDM)的鉴频器与 SOA 级联产生正负 monocycle和doublet脉冲，从而使得BPM和PSM[13]得以实现；基于相位调制器(PM) 与光纤光栅(FBG)级联，通过调节其中一个 FBG 的中心波长和它所在支路的时延、衰减，使得 BPM、PPM 和PAM 调制[14]得以实现；基于 SOA 的并联结构，产生广播式的超宽带 PSM 信号[15]；基于SOA 的增益饱和特性，改变编码实现超宽带 PSM、PAM 和 BPM[16]等。超宽带 PAM 信号虽然误码率高，传输距离较短，但是具有产生比较简单，抗干扰能力强的优点。因此，基于 PAM 调制格式的 UWB-over-fiber 技术在解决 FTTH 的最后一公里接入的应用中有较强竞争优势，能以较低的成本提供高速无线接入，具有很高的研究价值。本文基于 SOA 中的交叉增益调制(XGM)效应，提出了一种实现超宽带 PAM 的新方案，并对其使用 OptiSystem7.0 进行了仿真，分别研究了 PAM 格式的调制信号对输入信号功率、调制速率、光源波长等的敏感程度，并分析了在光纤中 PAM 调制的 UWB 信号的传输性能。

2 工作原理

基于 SOA 中 XGM 效应实现超宽带 PAM 技术的原理如图 1 所示。通过一个耦合器(OC)，由光源(LD)输出的连续光均分成两束光，上支路的光经过马赫增德尔调制器（MZM）调制为脉冲为高斯形的泵浦光，从 SOA 的右侧输入，下支路的光作为探测光从 SOA 的左侧输入。两路比特脉冲发生器(BPG)产生不同幅值的电信号，叠加后控制 MZM 对泵浦光进行调制，调制后的泵浦光信号是两种幅值交替的光信号。探测光在向右传输的过程中，在 SOA 中XGM 效应的作用下产生负极性光脉冲，负脉冲向 SOA 右侧传输的过程中，由于 SOA 的增益饱和效应，在负脉冲的右侧产生过冲放大，形成负极性的 monocycle 信号。相对于发送“0”码而言，当发送“1”码时，探测光通过 XGM 效应产生的负脉冲功率更低，消耗的载流子更少，在负脉冲的上升沿载流子能够完全恢复，过冲产生的正脉冲较大。因此，“1”码元对应的 monocycle 信号的正脉冲部分比“0”码元的大，产生幅值不同的 monocycle 信号，实现超宽带 PAM。从 SOA 右端输出的探测光通过一个光学带通滤波器(OBF)滤除 ASE 噪声后，利用 APD 进行光电转换，转换后输出的超宽带 PAM 脉冲波形及其射频信号可以通过示波器(OS)和射频频谱分析仪(RF)来观察。

3 结果分析

对于上述基于 SOA 的超宽带 PAM 方案，我们利用 Optisystem7.0 软件对其进行仿真。在仿真时，SOA 的有源区长度为 600μm，注入电流为 100mA；光源的发射功率为 0dB，波长为 1552nm；滤波器的中心波长为 1552nm，带宽为 0.2nm；两路高斯脉冲发生器产生的高斯脉冲信号 A 和 B 速率均为 24Gbit/s，其中信号 A 归一化强度为 1，信号 B 的归一化强度为 0.5。信号 A 的编码为 1000 0000 0000 0000，信号 B 的编码为 0000 0000 1000 0000。超宽带 PAM 信号的波形及其射频频谱信息如图 2 所示。图 2(a)表明输出的超宽带 PAM信号由两种不同幅值的 monocycle 脉冲构成，分别表示数字信息“1”和“0”，从而脉冲振幅调制得以实现。图 2(b)显示输出的超宽带 PAM 信号的频谱图，可以看出其中心频率为 6GHz，-10dB 的带宽为 9GHz，其相对带宽为 150%，满足 FCC 对 UWB 的定义的要求。因此，本方案可以实现超宽带 PAM 技术。

3.1 光源功率对超宽带 PAM 信号性能的影响
将光源功率分别设置成-10dB、-3dB、0dB、3dB、10dB，其它参数保持不变，研究光源功率对超宽带 PAM 信号的影响。输出的超宽带 PAM 信号脉冲波形及其射频信号如图 3 所示。图 3(a)-(d)给出了四种不同输入光功率情况下的超宽带 PAM 脉冲波形。从图 3(a)可以看出当光功率过低时，探测光没有发生过冲放大。因为，低功率的光脉冲在 SOA 中传输时消耗的载流子较少，SOA 不会发生增益饱和效应，所以在探测光脉冲的前沿不会出现过冲放大。 此外，当光源功率较低时 SOA 的自发辐射较强，所以泵浦光和探测光叠加后受 ASE噪声影响较大，淹没在噪声中了。图 3(b)和 3(c)表明光功率的增大，使得产生的 monocycle信号性能得到改善，超宽带 PAM 信号的性能也逐渐改善，时域波形和频谱都符合 FCC 的规定。当光源功率增大到 10dB 的时候，如图 3(d)所示，monocycle 信号的正脉冲部分变小，这是由于光源功率太大，消耗大量载流子导致不能产生过冲。图 3(e)-(h)给出了不同光源功率对应的射频频谱。可以看出当光源功率过低时，PAM 信号的光谱功率密度较低；光源功率过高时 PAM 信号的射频频谱不符合 FCC 对 UWB 信号的规定。本方案光源功率在-5dBm~5dBm 时输出超宽带 PAM 信号很好地满足 FCC 的定义。

3.2 调制速率对超宽带 PAM 信号性能的影响
将输入信号速率分别设置成 16GHz、24GHz 和 32GHz，其它参数保持不变，输出的超宽带 PAM 信号脉冲及其射频信号如图 4 所示。在三种不同输入速率情况下，超宽带 PAM 脉冲波形如图 4(a)-(c)所示。图形表明：超宽带 PAM 信号受调制速率的影响较小，调制速率的改变只影响 monocycle 脉冲的宽度；随着调制速率的增大和输入信号脉宽减小，所以产生的 monocycle 信号的脉宽随之减小。在三种不同输入速率情况下，PAM 信号射频频谱如图 4(d)-(f)所示。图形表明：随着速率的增加，频谱逐渐向高频部分移动。这是由于速率越高，其单位比特脉冲脉宽越窄，根据时域和频域的对应关系，可得到其相应的频谱将变宽。因此，在 PAM 调制过程中，要注意选择合适的速率和脉宽，防止调制速率过高会降低超宽带 PAM 信号的性能，增加误码率。

3.3 光源波长对超宽带 PAM 信号性能的影响
在保持其它参数不变仅改变光源波长的情况下，分析超宽带 PSM 信号对光源波长的敏感程度，其仿真结果如图 5 所示。图示表明光源波长的变化对超宽带 PAM 信号基本没有影响，信号的中心频率和-10dB 带宽均保持不变。但是，随着信号波长向 SOA 增益峰值波长(1605nm)方向移动信号 PAM 信号的功率有所增大。由此可见该调制方案对光源波长的变化不敏感，可以用作光源的频谱很宽。

3.4 超宽带 PAM 信号在光纤中的传输性能
把该方案所产生的超宽带 PAM 信号耦合到单模光纤中传输，我们可以进一步研究超宽带 PAM 信号在单模光纤中的传输性能。所用的单模光纤其损耗为 0.2dB/km，色散为16.75ps/nm/km，群速率时延为 0.2ps/km。光纤长度分别设为 1km、3km、5km，仿真结果如图 6 所示。从眼图中可以看出，随着传输距离的增加超宽带 PAM 信号迅速的恶化，超过 3km 时已经无法正确地传输信息了。受光纤损耗的影响，monocycle 信号的正负脉冲幅值都逐渐降低，所以接收端抽样判决的时候会产生误判，误码率增大。但是该方案也具有结构简单、易于操作、功率消耗低等优势，因此在短距离高速数据传送中有较大的优势。

4 结论

本文提出了一种基于 SOA 中 XGM 实现全光超宽 PAM 的方案，并利用 Optisystem7.0软件进行了仿真分析。首先分析光源功率、调制速率、光源波长三者对超宽带 PAM 信号的影响，结果表明该方案可以通过设置合适的光源功率和调制速率能够产生较好的 PAM 信号，并且该方案对光源波长变化不敏感。接着研究了超宽带 PAM 信号在光纤中的传输性能，结果表明 PAM 格式的调制信号受色散和衰减影响较大，传输距离较短。但是，该方案具有结构简单的优势，在解决 FTTH 的最后一公里接入的应用中具有竞争优势，能以较低的成本提供高速无线接入。