全光学VCSEL-to-VCSEL注入基于交叉增益调制多节点的路由灵活频谱优化光纤传输链接

文摘

实验在这篇文章中,我们提出一个小说,对垂直腔面发射激光器光谱高效——(VCSEL)技术在光网络路由和频谱分配。利用所有光学VCSEL-to-VCSEL注射达到交叉增益调制,光传输的光端优化路径,以确保服务质量通过克服堵塞分化带宽要求在网络拥塞的发病率。10 Gbps直接调制1549海里主VCSEL光注入1549海里边1550海里奴隶VCSEL的模式。香农极限被认为是高传播率的问题分解为退化的路由和频谱分配和色散的光传输链路的惩罚。在这部作品中,提出了传输技术实现了1.3 dB点球25公里G.655非零色散位移单模光纤,传输媒体和光学系统中的一个价值3 dB的特点推荐的国际电信Union-Telecommunication (ITU-T)。收发器,开关,光传输网络中链接是减少,增加满足带宽请求的数量,从而优化频谱资源利用率。

1。介绍

指数增长的全球IP交通量部队光传输网络开发新技术,改造传统的网格密集波分复用(DWDM)系统不仅维持对带宽的需求,也为网络提供实时资源管理。交通爆炸与新兴的云计算托管应用程序,比如5 g社交网络,远程学习,和物联网。这些需要更高容量的带宽需求和动态服务降低成本。这导致了广泛的研究,在光传输网络优化网络资源和服务的质量。因此,网络运营商不断想办法升级系统为全球通信与不断增长的需求,扩大容量没有忽视他们对服务质量的影响成本最低的方式。过去,DWDM光网络交通增长:承诺是一个解决方案可用光纤的传输带宽划分成不重叠的波长固定网格频谱信道间隔通常ITU-T 50或100 GHz (1]。这些网络提供的可能性建立波长连接在一个固定的比特率,即最近10 40和100 Gb / s 50 GHz信道间隔(2]。今天的网络的带宽请求终端用户需要更多的定制服务和更多的差异化要求不同的价格3]。这使它具有挑战性的升级DWDM-based系统,以适应不断变化的交通和网络条件下,随着灵活性有限发射机频率的可调性和重新配置允许光交换节点。“灵活性”一词是指网络的能力来动态调整光纤带宽和调制格式根据每个连接请求的有效资源利用率(4]。这是至关重要的利用光纤的带宽达到其最大限度的能力与当前网络危机的方法试图适应和动态交通量日益增长的需求。近年来,灵活的频谱网络受到极大关注,因为它有效地利用可用的频谱在光纤相比,固定的网格系统。灵活的频谱网络的优点之一是,光谱分为细颗粒的12.5 GHz频率槽全宽可以动态地调整创建任意密集子任务和superchannels提供一个可调的比特率从10到100 Gb / s和超越5- - - - - -7]。这是行业中使用的一种技术来克服信道的理论最大传输速率为特定的噪音水平(香农极限)8]。这推动传播率的一个光载波传输任何有意义的实现带来了限制。灵活的频谱网络的其他优点包括可重构节点,bandwidth-variable发射器,可调波长和频谱分配,集中式网络管理(9,10]。

这使得路由根据交通量和频谱分配根据带宽的要求。Superchannels在灵活的频谱传输链接地址如何增加利率没有考虑其他光网络面临的挑战,因此纤维产能最大化。因此,不仅应该光谱的粒度越细(依赖于信道传输速率)被认为是还空间的粒度越细,与单模纤维的分组。这些必须适应的交通量和可重构的带宽请求(频谱分配和路由)在全球范围内优化资源利用率与关注传播,媒介,接收器(11]。行业移动灵活的频谱分配方案,支持任意通道宽度而不是50 GHz;这是因为VCSELs等可调技术的进步的12]。多节点网络可以被认为是通过加入多个点对点的链接superchannel使用灵活的频谱信号路由和信道分配。这应该结合无色,没有方向的,contensionless重构性线路各个波长穿过纤维在多个节点没有optical-electronic-optical转换实现功率和成本效率13]。维护一个端到端的源目的地沟通和服务质量主要受线性和非线性纤维损伤对可重构网络灵活的频谱是一个重大的挑战。这些光学层障碍包括相声、四波混频、散射、极化模式色散,色散和衰减14]。网络设计师实现组件与降低运营费用更便宜的成本和低功耗。

传统固定ITU网格DWDM光网络可以升级到功能的可重构弹性频谱利用波长转换器配置一个多节点频谱网络。在波长转换,一个信号在一个给定的波长是转移到另一个波长路由在一个不同的光学连接和释放原波长资源的另一个信号(15]。为一组固定的波长转换可以用来从一个频道切换到一个相邻信道频谱效率的技术。已报告有许多转换器,包括光电子、激光、连贯,控制光学盖茨。在这项工作中,我们首次对我们的知识提出一个路由和频谱分配技术通过再分配的光发射机的中心频率,作为一种手段,提高的概率找到足够的连续光谱(16,17]。这是提高网络资源利用率和能力和解决波长竞争与灵活的频谱在光通信网络。所使用的技术是一种全光波长转换交叉增益调制(XGM)方法为直接调制垂直腔面发射激光器(VCSEL) wavelength-tunable。全光波长转换器的主要属性是能够调整激光的波长转换。这使得未来灵活可调激光器的一个重要组成部分与应用光谱波长切换、路由、波长转换和可重构光学添加和删除多路复用器(ROADM)多节点光网络(15,18]。VCSELs在1550 nm激光10 Gbps商用。这些提供较低的制造成本建设使传统的半导体制造技术的使用。制造业产量增加的能力有效的测试在晶圆级(19]。VCSELs简单和廉价地提供在相对较大的波长调谐范围不同偏置电流。他们进一步释放出一个高度圆梁可以耦合到光纤以非常高的效率(20.]。

1.1。在多节点网络中光纤损伤和传输标准

所有的光网络的路由和波长分配能力得到了广泛的关注在灵活的频谱系统支持动态交通量,频谱资源管理效率。这可以通过在一个统一的集中式网络管理软件定义网络(SDN)控制器平台负责渠道化,带宽分配、路由和波长分配,端到端纤维连接,和服务恢复的纤维断裂在任何链接21]。在规划的配置灵活的频谱网络,设计师必须采取拓扑,流量矩阵,考虑物理层模型作为输入。一个典型的多节点网络由发射机/源(节点1)连接到接收器/目的地(节点3)通过密集波分复用光纤链接,传播渠道无色,毫无方向,和contensionless重构性路线单个波长从纤维到纤维跨多个节点,如图1。

这些节点波长选择开关功能和ROADM可以用来从一个波长光信号转换到另一个频谱效率和通过空间高效lightpaths路由用户需求。这意味着多个通道使用可变带宽传输接收器通过达到和容量优化链接为每个生成的许多任意频道使用的许多可能的调制格式(20.- - - - - -23]。因此,光的光谱和空间的灵活性可以优化交通网络的网络管理系统(SDN),控制通道的调制水平根据最大化频谱效率的同时保持所需的服务质量(24]。光信号具有高频谱效率是对物理层损伤高度敏感;这被视为一个比特误码率上升或下降的信噪比影响光学链接。

我们的目标是组建一个有效的光学性能监视方法,路由和wavelength-assigning灵活的带宽多模网络,可以提供自适应优化lightpaths基于已知的障碍。当讨论的所有lightpaths灵活的频谱被认为有足够的服务质量对于一个给定信号的线性和非线性损伤的影响,光学传输系统需要优化的接收机灵敏度和消光比的函数偏置电流,驱动电流调制格式,比特率、和激光发射功率。这是有用的在理解不同调制条件下的服务质量实现发射机接收机灵敏度和相应的预期,可以进一步分析考虑纤维特性的影响通过全光学转换交叉增益调制功率注入。正确尺寸每个终端用户的频谱需求基于比特率和传输距离,bandwidth-variable发射器可以用来调整调制格式,这样它占地更少光谱同时仍然执行无误传输,由于减少了障碍。这是为了最大限度地达到(纤维长度),有效利用网络资源,拓宽光谱宽度(路由、波长分配和信道切换)。基于互联网的新兴应用的带宽需求,高速网络已经得到广泛的研究兴趣。随着比特率的增加,需要增加发射功率,使损伤严格的障碍。非线性损伤效应产生在每个频道中讨论以及渠道之间的串扰(14]。线性损伤效应是独立的单独影响波长的信号功率,而这些将专注于这项工作,因为他们不是统一的,依赖于节点间距和安装纤维的特点。单模纤维用于高带宽和远距离传播,而这些核心规模要小得多,没有固有模态色散造成的距离限制(25]。这有许多不同的配方如低水峰光纤(LWPF),色散位移光纤(DSF),非零色散位移光纤(NZDSF)和弯曲不敏感光纤。

在这工作,SRS G.655非零色散位移光纤(NZDSF)是用于传输提供了优化性能的多通道DWDM光传输网络和高效的资源利用率最低的系统总成本(25,26]。它提供了低色散斜率、色散值和有效面积,以适应当前较低的通道数和未来全乐队的功能网络操作在传统的c波段(1530 - 1565 nm)和新兴l波段(1565 - 1625海里),提供最低的残余色散(27]。这是一个重要的要求,光学纤维形成的交通系统带宽要求请求等下一代应用程序的最终用户的多节点实现灵活的网络基于交叉增益调制能力的路由和波长分配10 Gb / s。其他好处的SRS G.655 NZDSF包括从容,更便宜的色散补偿(使用反向弥散纤维),低偏振模色散和低衰减峰值。

这些值描述规范偏振模色散(PMD)和单模光纤的传输属性绝对值的色散(CD)系数大于整个c波段波长范围的一些非零值。这是为了满足网络基于PMD的目标要求和CD特征提供的信息传输距离和比特率。PMD值依赖于纤维的几何和力学条件;为ITU-T G.655,最大PMD链接设计值的0.2 ps /√公里[指定28]。ps /纳米的色散的色散系数可以计算工厂的长度,假设一个线性长度的依赖,和由于考虑系数的符号,对SRS G.655 NZDSF,最大色散-2.8 ps /√公里在1550海里都是确定的。纤维有一个典型的亏损0.2 dB /公里,色散17 ps / nm /公里在1550海里。基于这些障碍影响灵活频谱网络,一种网络性能优化的方法可以实现已知的标准(28,29日]。这可以作为一个实时性能的方法最大化频谱效率的同时保持所需的服务质量,高效的资源利用率,和比特误码率性能。这将是与传输相比处罚50公里地铁系统4 dB以10⁹BER阈值。发射功率的VCSEL 11 dBm,一个ER 13.7 dB的上限和8分贝是背靠背的下限传输(30.]。

2。提出在多节点路由灵活的频谱技术

波长分配和路由的一些特性的灵活的频谱多节点全光网的重要性。Optoelectrical转换器能够实现功能的电源信号,已发现在一个新的波长。这类设备的主要缺点是大功耗和电子电路的复杂性在高速网络操作10 Gbps。有连贯的转换器可以处理所有信号调制格式(如四波混合使用半导体光放大器(soa)依赖于输出波长的泵和输入信号(22]。这限制了灵活性自由度在多模网络是必不可少的,甚至可调泵需要实现波长转换/分配固定的输出通道。一个更简单的全光波长转换技术已经证明。执行的转换是通过控制单个主激光,推出输入信号可调谐波长激光器,导致增益饱和用于管理激光振荡。激光共振频率限制了速度,这是未来光网络的一个主要缺点将运行速度超过10 Gbps [23]。cross-phase和cross-gain调制模式,半导体放大器用作光学控制门的转换器。在cross-phase调制转换器的优点是承运人的依赖密度的活跃区域放大器(24]。系统需要的技术缺点强度调制输出信号,这就需要一个干涉仪输出信号相位调制。在交叉增益调制转换器中,数据可以从一个波长转移到另一个没有optical-electronic-optical转换(25,26]。这使得交叉增益调制技术实现一个简单的和有成本效益的转换。在这个工作,这是用于灵活的频谱优化和波长转换如下讨论。

2.1。全光波长转换交叉增益调制(XGM)

对全光波长转换从一个波长不同的相邻波长强度调制信号,交叉增益调制是最实用的技术,因为它是信号的偏振不敏感。这项技术是基于增益饱和,如图2,输入信号调节半导体光放大器的增益。

增益变化的输入信号携带的信息是用来调节所需的输出波长的信号,这些数据传输除了他们被倒。转换速度是由载体动力学由相对缓慢的带间的重组载体(31日]。经营半导体光放大器所需的条件大电流注入和高输出功率以达到高比特率转换(22,32]。由于注入电流是有限的,因此可以转换速度增加了使用激光腔的长度更长。在多节点灵活的频谱网络,每个节点有能力将传入的波长转换成一个新的波长分配和重路由根据最终用户的需求。交叉增益调制可以切换从一个波长的数据信号到另一个通过全光学注入功率最小化网络组件的数量,从而降低了整个系统的运营成本。跟上预期未来的光波长分配和lightpath重路由等网络技术可以集成组件的高速网络,以增加容量和地铁系统的传输。

与半导体光放大器的操作条件对高比特率转换已经表示,激光用于注入光功率是第一个特点。偏置电流和输出功率之间的权衡是实验演示了两个可调VCSELs,如图3。

VCSEL的波长可调谐通过不同的偏置电流,如图3 (b)。这个特点对于VCSELs,发射不同波长在不同偏置电流。VSCEL腔是电流驱动;当前每个偏差点对应于一个不同的波长激光点和之前饱和后马马通常1和7,分别。波长可调谐以固定信道间隔与每个VCSEL覆盖有限的乐队。这两个乐队成立了一个重叠的波长范围是连续的(33]。乐队一VCSEL的报道特点在不同偏压点用不同波长调整固定信道间隔输出表示为不同的颜色,如图4(一)。

第二VCSEL选定的波长带两个VCSELs重叠以最大化频谱带宽。这提高了网络资源利用率和解决波长竞争与灵活的频谱。总系统的连续光谱带宽增加,如图4 (b)。VCSEL的传输性能不仅取决于它的偏置电流,但是驱动电流/调制指数也是一个因素,应该考虑33]。尽管波长可调谐性,增加了VCSEL的频谱带宽,某些操作点可能会导致不可接受的处罚。因此,在给定信号的质量调查偏差分不同的驱动电流。这样做是为了量化的消光比和接收机灵敏度的网络传输性能进行了优化。全光波长转换通过交叉增益调制用于无缝地调整两VCSELs结合光谱带宽。乐队成立有奴隶激光波长重叠的边模式主激光器的主要模式。调强主VCSEL光学功率注入奴隶VCSEL的模式。这导致暂时切换“关闭”(抑制)的主导模式,而侧模式切换“ON”(获得),反之亦然(31日]。因此,波长转换发生的数据从一个波长(已收到)转移到另一个波长(不使用)。奴隶VCSEL传输主VCSEL的反向数据流。这允许转换数据路由和波长分配给下一个节点传输的多节点灵活频谱网络。

3所示。实验装置

波长冲突的负面影响在频谱灵活光网络资源利用率降低可用波长带的数量可用的频谱带宽。各种波长转换技术已经在WDM系统能够有效地减少这种影响没有分配额外的带宽通过添加更多的组件。中心的宽带通信纳尔逊·曼德拉大学研究小组实验演示了一种VCSEL-to-VCSEL波长转换技术传输衰减低1550海里窗口(34]。这项技术进一步研究和实验证明全光注入用于频谱有效利用通过碎片整理和垂直腔面发射激光器波长切换在一连串的成功。这是进一步探索传播应用程序在多节点的节点的路由和波长分配灵活的网络,如图5。

10 Gbps 1550海里单模VCSEL 1(节点1)波长可调谐性范围为5.2 nm直接调制在8.5 Gbps的不归零制(NRZ)伪随机二进制序列(PRBS 2⁷- 1)的可编程模式发生器(PPG)。分被用来改变调制条件匹配所需的驱动电流。偏见在5 mA的驱动电流5马激光波长为1548.20 nm 3 dBm光学输出功率、主激光光注入到一边模式2相似的VCSEL波长偏差在9.5 mA电流振荡激光在1550.35纳米的光输出功率-4.49 dBm。提供足够的光功率增益饱和激光腔的VCSEL 2,一个掺铒光纤放大器(EDFA)被用来增加注入功率放大主激光器的输出功率。波长转换2 dBm光功率注入被认为是。准确的电力监控,用10/90的耦合器,光功率的90%直接注入1548.20海里边的奴隶VCSEL模式2通过循环器的端口2和10%是通过功率计监测。反向数据信号从VCSEL 2(节点2)由于注入的路由和波长分配是通过端口发出3的循环器G.655光纤传输25公里。目的地(节点3)由一个可变光衰减器(VOA)可以用来建立一个配置代表不同纤维的功率损耗lightpaths类似于多节点网络,一个积极的内在负面(PIN)已知错误接收机灵敏度的光电二极管(10∼19 dBm⁹BER阈值),电子放大器(EA)用来放大信号,以满足操作要求的测量和分析设备。比特误码率测试仪(BERT)被用来测量消光比(ER)和接收机灵敏度分析的质量数据和反向数据信号在给定调制测量误比特率(BER)和眼图。对于一个给定的系统传播的可接受的处罚可以量化分析所需的光接收机的力量区别“1”和“0”的水平。这是由调制与光功率平衡,消光比和过度眼图。过度刺激是由于变化动态激光的“0”水平接近阈值激光之前(偏见)。为优化比特误码率性能(服务)质量好,能力水平之间的差异是必需的。消光比是“1”和“0”级功率比;当减少,有权力惩罚错误添加到系统较高的灭绝可能会导致眼睛过度图。实验重复了25公里G。655 fibre to optimize the system and analyze the effects of the lightpath impairments on the system performance.

4所示。结果与讨论

量化传输系统的功率损失,接收机灵敏度作为偏置电流的函数和驱动电流的测量和分析主激光器(VCSEL 1)。这样做是在一个连续的(B2B)配置使用VCSEL在25公里传输G.655光纤分析信号lightpath障碍的影响。3 d表面获得并可以用作域识别的最优服务质量(接收机灵敏度)作为偏置电流的函数信号的载波和调制条件的驱动电流传输的所有数据,如图6。

激光展览一个线性光功率和偏置电流关系偏差点阈值之前,饱和后;这是VCSEL的安全操作制度。在这个政权,一个有限范围的可能的偏见和驱动电流组合是用来调查接收机灵敏度,生产一个域表面3 d地图的形式,可以用于分析系统的性能,如图6(一)。偏差分马5 - 7的范围内偏置电流和调制的4 - 7马驱动电流,观察的最佳接收机灵敏度。良好的“1”和“0”水平能力比率得到限制VCSEL唧唧,因此较低的处罚。3 d表面颜色接收机灵敏度的域映射保持相同的形状在25公里传输,减少面积,如图6 (b)。四肢,无错传输不实现,对于已知的网络覆盖,表面可用于传输的处罚;因此,优化实验技术被成功的证明。

VCSEL,产生理想的信号,驱动电流应在该地区略高于阈值的VCSEL开始激光和略低于饱和输出功率(翻转)。图7显示马5的结果在一个固定的偏见,在不同调制驱动电流马马马从1到6 1增量。在驱动电流高于马6,有10个错误地板和误码率⁹没有达到是因为唧唧声。给定VCSEL,最佳调制条件被视为5 mA偏见和5 mA驱动电流的接收机灵敏度-16.41 dBm,如图6。这是用于选择理想的调制设置基于期望的服务质量(可接受的系统的接收机灵敏度)路由和波长选择的无误传输测量10⁹数量阈值数据和转换(倒)数据,呈现在图7。

对于VCSEL 1,数据载体的接收机灵敏度-9.19 dBm是连续的传输和测量-11.39 dBm 25公里传输测量,导致2.2 dB的点球。全光学注入到VCSEL 2,倒承运人证明-18.71的接收机灵敏度阈值的连续传输,没有错误25公里反向数据传输的性能。数据传输使用VCSEL 1没有转换和反演,眼睛是开放的,这意味着接收机可以区分的0和1的水平和消光比9.136 dB。在25公里传输,眼睛是扭曲的,消光比降低到8.034 dB。反向数据的连续传输从VCSEL 2,上面有超过1级为5.012 dB ER获得;这意味着功率不会区分在接收机端,从而影响系统的性能。在25公里传输,眼睛高度扭曲和封闭的消光比降低到2.854 dB,如图8 (b)。因此,无错传输无法实现不管接收机灵敏度高。因此,消光比可以作为优化技术;因此,它也是衡量数据连续和25公里传输眼图定性分析检查VCSEL性能,如图9。

域的3 d颜色消光比表面映射图9(一个)反映了,有一个有限的范围内可能的偏见和驱动电流的VCSEL可以安全地操作。操作之外的极端点激光阈值和翻转点会损害设备。正如预期的那样,高驱动电流的结果在一个较高的消光比。在低驱动电流,眼睛是开放的,这意味着接收机可以区分的0和1的水平,尽管消光比低。在高驱动电流,消光比高,但是眼睛是关闭,有超过1以上,这意味着功率不会区分在接收机端,从而影响系统的性能。驱动电流的5 mA,眼睛是开放和消光比高,这意味着系统的调制条件理想。域的3 d颜色消光比表面映射保持相同的形状在25公里传播,减少面积,如图9 (b)。,一个有效的光学性能监视路由和波长分配方法是实验演示应用程序的灵活的带宽能够提供自适应多模网络优化lightpaths基于已知的障碍。

5。结论

全光学VCSEL-to-VCSEL注入基于交叉增益调制实验首次提出采用我们所知的路由和多节点灵活的光谱网络的优化。3 d域表面地图对接收机灵敏度和消光比激光偏置电流和调制深度的函数(驱动电流)成功地生产和可用于光纤传输优化。这个领域可以用来发现偏差和驱动电流的VCSEL的组合产生合理的高消光比、接收机灵敏度高,睁大眼睛。调制的一个通道可以有效控制最大化频谱带宽,同时保持所需的服务质量按照最终用户的要求。优化方法加上全光学力量注入通过交叉增益调制波长转换技术,有效的资源利用和定制的带宽需求(根据最终用户请求)多节点灵活频谱网络能够波长分配和重定向光路传输损伤的考虑。这是通过控制通道的调制水平根据最大化频谱效率的同时保持所需的服务质量。最优强度调制信号光注入端模式VCSEL偏见的饱和输出功率,过度。合成,波长转换,无误背靠背和25公里光纤传输成功。这使得可调谐激光器的一个重要组成部分对未来灵活的频谱与应用波长切换、路由、波长转换和可重构光学添加和删除多路复用器(ROADM)多节点光网络;这样表明一种光纤传输网络的性能和链接管理系统可以优化和用于网络设计、规划和管理集中的软件定义网络控制器研究的新兴高容量基于云的应用程序。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

这项工作包含一个更新和开发版本的部分贴上“提出频谱碎片整理转换技术”会议论文手稿的演讲有光电子,2019。实验装置已经延长G.655纤维传输25公里,和结果进行了分析比较连续传输数据的手稿。这项工作一直在相应的引用:10.1117/12.2509981。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢研究资助和支持之间Dartcom, Ingoma通信服务,思科,缴送工作,蓟马,酒精度,联盟和奖学金资助斯卡/ NRF /单。

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