新能源電廠的可重構高透明度光通信技術

， ， ， ，

(1.國網湖北省電力公司 信息通信公司，武漢 430079;2.湖南理工學院 信息科學與工程學院，湖南 岳陽 414006)

0 引言

光通信技術是新電廠通信的重要組成方案，可實現不同電廠之間、電廠和用戶之間以及不同用戶之間的大吞吐量、低損耗、低成本的高速傳輸[1-2]。目前，隨著新能源技術的迅猛發展，及電力系統光通信資源調度自動化、新型通信設備大量應用，使得數據通信資源呈現出一種爆炸式增長態勢，其安全性、可靠性、管理方式等都成為電力通信網管理工作中急需考慮的問題，并需要優化對新能源電廠光通信并網的管理方式[3]。波長轉換可以有效降低電廠合并網絡的傳輸時延，并降低信息傳遞阻塞的可能性；波長轉換還可以實現網絡的保護切換，將信號從故障的信道轉移到正常的空閑信道上，使得通信系統更通暢。

目前業界常用的波長轉換技術按照物理機制不同，可分為3種：光-電-光型波長轉換技術、光控技術和四波混頻技術[4]。然而已有的波長轉換技術都存在著一些問題。對于光-電-光型波長轉換技術來說，須先將輸入的光信號轉換為電域的數字信號之后再進行波長轉換，這會導致輸入光波形損傷，并且存在過程復雜、造價高、透明度低等缺陷[5]；光控性波長轉換器也存在透明度低和復雜度高的問題，并且還對用戶信號帶寬有限制[6]。利用四波混頻方式實現的波長轉換技術雖有著較高的透明度，但其復雜度高，造價高，魯棒性低[7]。此外，在這些波長轉換技術中，一旦相應的器件參數選定之后，轉換波長也就相對固定了，無法實現靈活可調的波長轉換，也就不能很好地支持電廠通信網絡的可重構性。

本文提出了一種新型基于雙驅動馬赫增德爾(DP-MZM)的波長轉換技術，很好的彌補了目前三類波長轉換技術存在的問題，具有高靈敏度、可重構、低成本等優點。這種新型的波長轉換方案可以提供高傳輸透明度，根據不同用戶的需求，動態可控地調整轉換波的頻率以克服通信網絡中波長阻塞和昂貴超寬帶光電調制器的限制，同時滿足合并網絡可靈活重構的要求。此外通過理論分析，數字仿真和硬件實驗給出了波長轉換器的最優驅動條件，以確保波長轉換器的最優工作狀態。

1 基于DP-MZM的波長轉換方案的實現

基于DP-MZM的波長轉換方案原理如圖1所示。該方案進行波長轉換過程為，當一束攜帶著任意調制格式用戶信息的光信號(波長為λ0)入射到由兩個RF射頻信號和兩個直流分量構成的驅動條件驅動的DP-MZM中，DP-MZM將用戶信號轉換為一系列滿足貝塞爾函數分布的、頻率間隔等于RF射頻信號頻率的光譜，且每一束光譜攜帶著相同的用戶信息，具有傳輸透明度。SDN通過控制驅動條件，進而控制DP-MZM輸出光譜的功率和數量。

圖1 基于DP-MZM的波長轉換方案原理圖

設選取目標光信號作為轉換波，特定的驅動條件，可保證這個轉換波同時擁有理論上最高的轉換效率和頻率去諧范圍。由于這些驅動條件可以由數字信號處理(DSP)集中管理，這種波長轉換器便具有可配置、可擴展的特點，非常靈活且有彈性。為了得到這個特定的理想驅動條件，本文首先對DP-MZM的理論公式進行了推導。

DSP驅動使能的波長轉換器由圖1中虛線框圖所示。加在DP-MZM上的2個射頻驅動信號分別為A1cos(ωrf+θ1)、A2cos(ωrf+θ2)，2個直流偏置電壓分別為Vbias1、Vbias2。設用戶信號Ein(t)=A(t)·ej(ωct+θc)注入到DP-MZM中，利用貝塞爾函數的Jacobi-Anger展開式，結合文獻[8]和圖1，假定DP-MZM偏置電壓為Vπ，DP-MZM的輸出信號為：

(1)

設第p次諧波是選定的目標轉換波，則根據(1)結果可知第p次諧波的數學表達式為：

(2)

其中：Kp被定義為：

Kp=Jp(β1)ej(Δφup+pθ1)+Jp(β2)ej(Δφdown+pθ2)

(3)

由(3)可得，Kp的值直接影響著波長轉換器輸出信號的第p次諧波的幅度值和相位值。且Kp的值越大，則輸出信號的第p次諧波的幅度值就越大。

此時，將輸出信號的目標波(第p次諧波)Eout_p(t)與輸入信號Ein(t)相比較，可以得到基于DP-MZM的波長轉換器的理論轉換效率為：

(4)

其中|Kp|2可以很容易得到：

cos(pθ1-pθ2+Δφup-Δφdown)

(5)

由公式(1)和公式(4)可得，波長轉換器輸出信號的第p次諧波的幅度值與其相應的p階貝塞爾函數Jp(βi)成正比關系。因此，為了使得波長轉換器輸出的目標信號波獲得最高的輸出功率，應該使Kp取得最大值，即使公式(5)中的p階貝塞爾函數Jp(βi)(i=1,2)都取得最大值，即：

(6)

因此，當波長轉換器的輸出信號的第p次諧波滿足公式(6)時，|Kp|2取得最大值，此時，輸出信號的第p次諧波的功率達到最大，波長轉換器的轉換效率也達到理論最高值。

在前面的分析中，基于DP-MZM的波長轉換器的輸出信號中包含其他諧波分量(也被叫作寄生波)。波長轉換器輸出的寄生波中也包括第0階諧波。將公式(6)帶入公式(5)，令p=0，可以得到第0階諧波K0的表達式如下：

(7)

從之前的分析可以知道，Kp的值越大，則波長轉換器輸出信號的第p次諧波的幅度值越大，因此，為了使得第0階諧波最小，要使K0的值取到最小，即求K0=0的解，如下式所示。

Δφup-Δφdown=π+2mπ

(8)

令公式(4)中的p=k(k代表第k階諧波)，得到Kk的表達式，用于表示除輸出目標波和第0階諧波以外的其他寄生波的影響因子，并結合公式(8)將其化簡，即：

(9)

可以看出，寄生波可以被分為奇次諧波(k=±(2n-1)，n為整數)和偶次諧波(k=±2n，n為整數)。所有偶次諧波可以很容易的消除。

θ1-θ2=mπ

(10)

綜合以上分析，波長轉換器最終輸出的光信號可以表示為：

θmax=ωct+pωrft+θc+Ψp

θn=ωct+(p-2n)ωrft+θc+Ψ(p-2n)

(11)

其中:Ψp是第p次諧波的相位。

(12)

此時，基于(11)的輸出信號表達式，將其中目標波(第p次諧波)與波長轉換器的輸入信號相比較，分析計算波長轉換器的理論轉換效率可得：

(13)

對于基于DD-MZM的波長轉換方案，等式(6)可以保證波長轉換器的輸出功率達到最高，也就是得到最高的轉換效率，結合(8)、(10)得到(14)，即DP-MZM的波長轉換方案的最佳驅動條件。

(14)

2 波長轉換最優驅動條件驗證

2.1 仿真條件

基于DP-MZM波長轉換方案的驅動條件由2個射頻驅動信號及2個直流偏壓組成，均由外部的DSP進行控制管理。在發送端，通過馬赫-曾德爾強度調制器(IM-MZM)將10 Gb/s的16QAM-OFDM用戶信號調制到1550 nm的光上，然后注入基于DP-MZM的波長轉換器中。完成波長轉換之后，輸出的轉換波以及其他殘余諧波分量通過光濾波器將目標轉換波濾出，通過光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光信號通過PIN光電二極管進行光電轉換，將光信號轉換為電信號，之后由解調器對用戶信號進行解調，得到的基帶信號最終傳輸給DSP模塊。

為了驗證最優驅動條件的正確性，通過大量的數字仿真對最優調制條件和隨機驅動條件驅動下的波長轉換器性能進行了對比驗證。轉換器的性能主要包括轉換器轉換效率，BER以及寄生載波數量。

對于最優驅動條件，βp_opt分別取1.84, 4.20, 6.42, 8.58 和10.71對應于1-，3-，5-，7-，9-階光譜作為目標轉換波的情況。射頻信號的相位分別取Δθ=π(θ1=π,θ2=0)，直流分量對應的偏置相位Δφup和Δφdown分別設置為π和 0。對于隨機驅動條件，這四個相位條件θ1,θ2，Δφup和Δφdown被設置為是四個獨立不相關的隨機變量。在仿真波長轉換器性能時，例如對一個特定階光譜的轉換效率，采用2 000個完全獨立的數字仿真，每一個仿真中，四個相位條件完全獨立隨機從0到2π范圍中取值。

本論文中的仿真工作是在虛擬光學儀器(VPI)軟件上進行。本文的仿真，對于一部分參數的設定是基本不變的，其設置如表1所示。

表1 仿真參數

2.2 波長轉換方案的最佳驅動條件驗證仿真

為驗證基于DP-MZM的波長轉換器的最佳驅動條件，仿真對比了在最佳驅動條件下和大量隨機驅動條件下基于DP-MZM的波長轉換器的輸出信號的轉換效率、頻率去諧情況和BER情況。

首先仿真分析分別在最佳驅動條件及2000組隨機驅動條件下，使用不同階數諧波作為轉換波時仿真得到的波長轉換器的轉換效率，如圖2所示。

圖2 最佳驅動條件及大量隨機驅動條件下的轉換效率

圖中最上方代表最佳驅動條件，其余代表隨機驅動條件。由圖2可以看出，與隨機驅動條件下的仿真結果相比較，對于每一個被選取的諧波階數(頻率去諧點)，在最佳驅動條件下的仿真結果都能夠達到理論上的最高轉換效率，并且這個轉換效率值與公式(4)得到的值一致。因此驗證了在公式(4)所描述的最佳驅動條件正確性。

最佳的頻率去諧特性可以使波長轉換器輸出的寄生諧波數量最少，并且對于給定的射頻驅動信號，可以實現更大的頻率去諧范圍。因此，為了分析頻率去諧特性，仿真得到在最佳驅動條件及大量隨機驅動條件下波長轉換器在每一個頻率去諧點輸出的諧波數量如圖3所示。

圖3 最佳VS隨機驅動條件下的輸出諧波數量

可以很明顯地看出，在隨機驅動條件下，波長轉換器輸出的諧波數量大大多于最佳驅動條件下輸出的諧波數量。與隨機驅動條件的情況相比，最佳驅動條件的情況下基于DP-MZM的波長轉換方案最多可以消除50%的諧波數量。這是由于如(11)所示，所有的奇數次諧波都會被抑制。因此驗證了在公式(14)所描述的最佳驅動條件下，基于DP-MZM的波長轉換方案能夠實現最佳的頻率去諧效果。

為了進一步驗證基于DP-MZM的波長轉換器在最佳驅動條件下的性能，仿真以輸出目標波為第5階諧波的情況為例，設定輸入信號的光信噪比(OSNR)，對波長轉換器輸出信號的誤碼率(BER)性能進行仿真分析，仿真同樣包含最佳驅動條件和隨機驅動條件兩種情況，得到仿真結果如圖4所示。

圖4 給定輸入信號的OSNR時輸出轉換波的BRE

可以看出，當滿足最佳驅動條件時，基于DP-MZM的波長轉換方案能同時實現最高的轉換效率以及最優的BER性能。這是因為，在仿真系統中固定了輸入信號的光信噪比(OSNR)，轉換效率越高時，輸出轉換波的光信噪比(OSNR)會越大，則BER也會越好。最佳驅動條件能夠提供理論上最高的轉換效率，因此能得到最好的系統BER性能。

本節驗證了基于DD-MZM的波長轉換方案的最佳驅動條件與理論推導一致，在最佳驅動條件下，基于DD-MZM的波長轉換方案能夠達到理論上最高的轉換效率，能實現最佳的頻率去諧效果，并且能同時實現最高的轉換效率以及最優的BER性能。

3 系統實驗及結果分析

為了驗證DP-MZM轉換波的可行性和實用性，基于圖1搭架了相關的實驗系統。由RIO ORIONTMLaser Module提供一束中心波長為1550.118 nm功率為13 dBm光源， AWG(Tektronix AWG 7122C)發送的10 Gb/s 16QAM-OFDM 信號經強度調制器調制到光上。光OFDM通過 EDFA (LTRANTMLOA3000) 和可控衰減器(FVA 600) 注入到22dB ER和8dB插入損耗的DPMZM (Fujitsu 7939EK) 中。一個12.5 GHz 的射頻信號通過信號發生器(Anritsu MG3697C)產生，通過6～12 GHz 的30 dBm 功率放大器 (TRANSCOM TA060-120-35-30) 和一分二的移相器分成相位相差180°的兩路驅動信號分別加載到DP-MZM上。移相器可以保證兩路射頻信號滿足最優驅動條件即振幅相同，頻率相同且相位相差180°。DP-MZM轉換波通過光濾波器(OTF-350) 選取對應的轉換波，然后通過12 GHz 光接收機 (New Focus 1544) 轉成電接收信號。電信號通過示波器探測并最終送入電腦做離線處理。

對于一個發射功率為7.9 dBm的10Gb/s OOFDM信號，圖5研究了轉換器引起的功率損耗，其中1-，5-階的轉換波分別滿足最優驅動條件，分析了對應的BER性能和激光器發射光功率之間的關系。如圖5所示，對于1.0×10-3的FEC limit，相對于沒有使用波長轉換器的BER曲線，1-和 5-階轉換波造成的功率損耗近似于12.5 dB和16.1 dB。值得指出的是，這兩者的差值3.6 dB近似等于兩者的轉換效率差3.8 dB。這說明了DP-MZM造成的功率損耗主要是來自于不同轉換波的轉換效率差值。

圖5 1-與5-階的BERs 和光發射功率關系

對于轉換器線性轉換的研究通過圖6實驗驗證，其中1-和5-階轉換波解調的OFDM信號和沒有使用轉換器的OFDM信號做了歸一化對比。這些信號近似重合的，說明了轉換器對信號的處理是線性和幾乎對波形無損的。

圖6 1-，5-階轉換波的信號波形和沒有經過轉換器的歸一化OFDM時域波形。

4 總結

為了滿足新能源電廠的光通信問題，本文提出了一種基于DP-MZM的波長轉換方案。此方案能夠克服傳統波長轉換器的缺點，擁有高傳輸透明度，實現無波形失真的波長轉換，并且可以利用SDN實現用戶資源的動態可控以及實時配置。仿真分析表明：此波長轉換方案的最高轉換效率可達到-4.703 dB，消除50%的諧波數量，另外最佳驅動條件可以保證轉換器有最高轉換效率及最低誤碼率；在傳輸性能的仿真中，證明了波長轉換器對輸入信號功率具有強魯棒性，可以實現波形無失真的波長轉換。在實驗部分，分別以1階和5階諧波為目標轉換波，驗證了在最佳驅動條件下DP-MZM的波長轉換方案能夠實現最優的波長轉換性能。以16QAM-OFDM信號為用戶信號，解調的電信號和發射電信號可以很好的歸一化重合，證明了基于DP-MZM的波長轉換方案的傳輸穩定性和可行性。