毕业设计（论文）-基于相干接收的超大用户容量光接入网设计.doc

西 安 邮 电 大 学 毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于相干接收的超大用户容量 光接入网设计 院 系： 电子工程学院 专 业： 电子科学与技术 班 级： 科技 0802 学生姓名： 导师姓名： 职称： 副教授 起止时间：2012年 2月 27日至2012年 6月17日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于相干接收的超大用户容量光接入设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。论文作者签名： 时间： 2012 年 6月 11 日指导教师签名： 时间： 2012 年 6月 11 日西 安 邮 电 大 学毕业设计(论文)任务书学生姓名李爽指导教师刘继红职称副教授学 院电子工程学院系 部光电子技术系专 业电子科学与技术题 目基于相干接收的超大用户容量光接入网设计任务与要求 本课题的任务及要求主要包括：1. 查阅PON相关的文献资料，了解光接入网络目前的现状和发展趋势，尤其是TDM-PON目前遇到的技术问题。要求理解相关接收技术用于PON的技术优势及需要解决的关键技术问题。2. 研究相干接收技术用于WDM-PON的上行传输实现方法。要求设计一种基于RSOA、能够提高接收灵敏度的上行传输方案，给出详细的工作原理解释。3. 利用Optisystem仿真软件搭建系统平台，对上述设计的WDM-PON上行传输设计方法进行仿真，要求获得最大允许的调制速率、最大传输距离，并初步分析传输损伤对性能的影响。4. 研究WDM-PON中反向噪声的影响机理及抑制方法，并用于上述设计的传输系统，研究噪声抑制效果。要求仿真不同速率、调制格式对噪声的要求和传输性能。开始日期2012年2月27日完成日期2012年6月17日主管院长(签字) 年 月日西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名李爽指导教师刘继红职称副教授学院电子工程学院系部光电子技术系专业电子科学与技术题目基于相干接收的超大用户容量光接入网设计工作进程起 止 时 间工 作 内 容2012.2.27-2012.3.18查阅PON相关的文献资料，了解光接入网络目前的现状和发展趋势，尤其是TDM-PON目前遇到的技术问题。理解相关接收技术用于PON的技术优势及需要解决的关键技术问题。2012.3.19-2012.4.8研究相干接收技术用于WDM-PON的上行传输实现方法。设计一种基于RSOA、能够提高接收灵敏度的上行传输方案，给出详细的工作原理解释。2012.4.9-2012.4.29利用Optisystem仿真软件搭建系统平台，对上述设计的WDM-PON上行传输设计方法进行仿真，获得最大允许的调制速率、最大传输距离，并初步分析传输损伤对性能的影响。2012.4.30-2012.5.20研究WDM-PON中反向噪声的影响机理及抑制方法，并用于上述设计的传输系统，研究噪声抑制效果。获得不同速率、调制格式对噪声的要求和传输性能。2012.5.20-2012.6.10撰写论文，参加答辩。主要参考书目（资料）1Optisystem 8.0, Tutorials-vol. 2；2原荣. 宽带光接入技术，北京：电子工业出版社，2010；3孙学康，刘勇. 无线传输与接入技术，北京：人民邮电出版社，2010；4相干光纤通信技术参考文献；5基于PON的光接入网参考文献。主要仪器设备及材料1光纤通信仿真软件2微型计算机论文（设计）过程中教师的指导安排1 每周星期五下午2:30-5:30为固定集中指导时间；2 其它时间可通过电子邮件、电话讨论或单独面对面指导。对计划的说明西安邮电大学毕业设计(论文)开题报告 电子工程 学院 光电子技术 系 电子科学与技术 专业 08 级 2 班 课题名称： 基于相干接收超大用户容量光接入网设计 学生姓名： 李爽 学生：05082054指导教师： 刘继红 报告日期： 2012年3月10日 1 本课题所涉及的问题及应用现状综述无源光网络PON是全业务运营时期提供点到多点的宽带接入的主流技术。由OLT（光纤线路终端）ONU（光网络单元）以及ODN(光分配网络)组成。一般下行采用TDM广播方式，上行采用TDMA（时分多址接入）方式。由于这种网络形式支持的用户数目有限，为了充分利用光纤的传输带宽，可以把WDM和TDM结合以增加用户容量和网络带宽，但WDM技术可使用的波长数目受限于最小信道间隔且成本昂贵，为了满足光纤到户，支持密集型用户地区，人们开始把相干接收技术用于接入网络，有较高的发展前景。2 本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析一研究问题：相干光纤通信技术用于接入网络的本地载波恢复，发送端调制等问题。二解决思路：WDM-PON是将波分复用技术用到PON中，光分路器通过识别OLT发出的各种波长，将信号分配到各路ONU。三目标可行性分析：WDM可以提供较高的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入。但由于WDM-PON成本高，有些技术难题未解决，所以暂时停留在技术发展的蓝图上。 3. 完成本课题的工作方案一：查阅PON相关的文献资料，尤其是TDM-PON目前遇到的技术问题。理解相干接收技术用于PON的技术优势及解决的关键技术问题。二：研究相干接收技术用于WDM-PON的上行传输实现方法。设计一种基于RSOA，能够提高接收灵敏度的上行传输方案。三：利用Optisystem仿真软件搭建系统平台，对WDM-PON上行传输设计方法进行仿真，分析传输损伤对性能的影响。四：研究WDM-PON中反向噪声的影响机理及抑制方法，并用于上述设计的传输系统，研究噪声抑制效果。 五：综合之前工作，撰写论文。4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 年 月 日西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名李爽性别男学号05082054专 业班 级电子科学与技术课题名称基于相干接收的超大用户容量光接入网设计课题类型理论研究难度较难毕业设计（论文）时间2011年2月27日6月17日 指导教师刘继红(职称 副教授 )课题任务完成情况论文 17.877 (千字)； 设计、计算说明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 年 月 日验收小组意见分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩： 验收教师(组长)(签字)： 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日成绩计算方法指导教师成绩 20 () 评阅成绩 30 () 验收成绩 20 () 答辩成绩 30 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)：学院答辩委员会主任(签字)： 学院(签章) 年 月 日备注目录摘要IABSTRACTII1 引言12光接入网3 2.1无源光网络发展现状3 2.2无源光网络(PON)技术介绍43 WDM-PON概述6 3.1 WDM-PON工作原理6 3.2 WDM-PON应用特点分析6 3.3 OLT多波长光和“无色”ONU7 3.4 TDM/WDM混合PON系统9 3.5基于 Optisystem的WDM-PON的仿真研究104 WDM-PON中接收端采用相干接收12 4.1相干光通信的主要优点12 4.2相干检测与直接检测12 4.3 WDM-POM中的相干接收机135 再调制WDM-PON系统与RSOA16 5.1再调制WDM-PON系统16 5.2半导体光放大器17 5.2.1 SOA 原理17 5.2.2 SOA增益饱和效应18 5.2.3 RSOA实现方法20 5.3 RSOA实现再调制的原理和特点226 再调制WOM-PON中的反射噪声23 6.1 反射噪声23 6.2 再调制系统结构设计24 6.3 系统中上行信号的反射噪声分析25致谢28参考文献29摘要无源光网络(Passive Optical Network，PON)具有宽带传送能力，共享传输媒质，降低接入成本，能够平滑地过渡到FTTH等优点，己逐渐成为宽带接入网的重要方式。 PON可以分为时分复用无源光网络(Time Division Multiplexing，TDM-PON)和波分复用无源光网络(Wavelength Division Multiplexing，WDM-PON)。与TDM-PON相比，WDM-PON在带宽、功率预算、保密性和用户数等方面具有显著优势，但目前限制WDM-PON发展的主要因素是其组网成本较高。随着WDM技术的日益成熟，其器件成本逐渐下降，WDM技术以及WDM-TDM混合技术构成的大容量PON应用于接入网将成为PON的必然发展趋势。为了满足未来光纤到户，支持密集用户地区的使用要求，本文尝试把相干光接收技术用于光接入网络。本文在讨论了大容量PON系统技术的基础上，主要针对基于RSOA的反射性再调制WDM-PON的特性进行了较全面的研究;并针对RSOA-WDM-PON一般结构的反射噪声进行了深入的研究。关键词 波分复用；相干接收；再调制；反射噪声ABSTRACTPassive optical network(PON) has becomes an important access method because it possesses broadband transporting capability, is easy to maintenance, reduces access cost by sharing transporting medium and can transform to FTTH smoothly.PON can be divided into Time Division Multiplexing PON and Wavelength Division Multiplexing PON (WDM-PON).WDM- PON is much superiority on bandwidth, power budget, secrecy and the number of users except cost. With the development of WDM technology, the cost of equipments is reducing. It is the inevitable trend that the high capacity WDM technology will be used into access network. This article tried to put the coherent light receiving technology to use light access network, and mainly gives a further and comprehensive research about the characteristics of reflects WDM-PON including the RSOA technology and the reflection noise.KEYWORDS: WDM；coherent light receiving；remodulation；reflection noiseII基于相干接收的超大用户容量光接入网设计1引言高带宽业务需求的快速增长，促进了光纤通信技术的发展。骨干网层面的光纤通信容量已达到 Gb/S、Tb/S级，基本能够满足新兴业务的需求。而接入网层面传统铜缆接入对可实现带宽的限制，使其成为整个网络运行的瓶颈。相比于数字用户线 (XDSL)、双向混合光纤同轴电缆(HFC)及无线宽带(Wi-Fi)等宽带接入方案，光纤接入在带宽容量和覆盖距离等许多方面都更具优势，FTTH被认为是最为理想的宽带接入解决方案。光纤接入网由光线路终端(OLT)，光配线网络(ODN)和光网络单元(ONU)三大部分组成。OLT为光接入网提供网络侧接口，ODN为OLT与ONU之间提供光传输手段，ONU为光接入网提供用户侧接口。光纤接入网的各种类型都是通过光网络来实现的。光网络包括点对点(P2P)结构、点对多点(P2MP)有源光网(Active Optical Network，AON)和无源光网络 (passive Optical Network，PON)。其中无源光网络(PON)因其组成特点和成本优势，受到了广泛的关注。PON按其复用方式分为时分复用型无源光网络(TDM-PON)和波分复用型无源光网络(WDM-PON)，如图l-l所示。TDM-PON无源点到点的P2PWDM-PON光接入网 点到多点的p2mp有源 图1-1 光纤接入网 TDM-P0N上/下行传送采用TDMA/TDM方式，实现共享信道带宽，分路器通过功率分配将OLT发出的信号分配到各个ONU上。目前应用广泛的EPON、GPON技术都属于TDM-PON，其技术、器件等发展都比较成熟，己在北美、日本有较大规模的部署。虽然TDM-PON具有成本较低的优点，但在扩展更高带宽时，基于电的高速突发接收技术实现起来十分困难，不仅需要增加复杂的带宽管理算法，同时也在时钟同步、快速光信号检测方面，对半导体和光电子行业提出了苛刻的要求。此外，TDM-PON技术还存在网络体系安全性脆弱和光纤故障定位困难等问题。而基于波分复用技术的WDM-PON采用波长作为客户端ONU的标识，利用波分复用技术实现上行接入，可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时避免了时分多址技术中ONU测距、快速比特同步等诸多技术难点，并在网络管理及系统升级性能方面具有明显优势。接入容量大、易升级、信息安全性高等一系列优点，使得WDM-PON被认为是下一代光接入网技术中最具潜力的一种。然而由于受到技术成熟度及器件成本方面的限制，WDM-PON到目前为止还没能够得到广泛商用。WDM-PON系统的关键技术主要包括OLT多波长光源、波分复用器、波长监控、ONU“无色化”等。其中ONU“无色化”技术也是解决WDM-PON成本问题的关键所在。在WDM-PON应用结构中，如果各个ONU需要预先配置不同波长，将不利于系统设备的生产和工程应用，增加网络建设和运行成本。其解决方案是使ONU无色化，即ONU的波长能够在工作范围内自动适应网络。WDM-PON的ONU“无色化”方案主要有频谱分割宽光源技术和无光源技术两种。宽光源技术原理是在ONU中采用宽谱光源，利用频谱分割技术，每个信道提取相应的窄带光谱作为光源，用于上行再调制。无光源技术原理是由OLT同时提供下行和上行两路的光源，而不在ONU中间设置光源。无光源技术又分为光载波源方式和再调制方式两种。光载波源方式中，OLT向ONU传输的下行光信号包含正常的下行调制信号和未调制的光信号两部分，未调制的光信号将作为上行调制的光载波。再调制方式中，上行调制的光载波是由下行调制信号分光而来。在接入网的接收端，利用相干光纤通信原理，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度大大提高。相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。所以在WDM-PON系统接收端利用相干接收技术可实现超大用户容量的远距离传输，具有良好的应用前景。再调制WDM-PON在ONU侧直接利用下行信号进行上行数据信号的再加载，无需为上行方向的传输提供额外的光源信号。从而使得ONU结构最为简单，价格最为低廉。因此，对再调制WDM-PON系统的研究具有十分重要的意义。另外随着近年来反射半导体光放大器RSOA的商用化，基于RSOA的再调制WDM-PON系统也以其实现简单、潜在低成本以及“无色”ONU等优势因其了广泛的关注。RSOA兼具放大器和调制器的功能，可以同时实现光信号的调制和功率增益。同时再调制WDM-PON系统中，由于采用单纤双向同波长传输，光纤瑞利散射、连接器等器件反射将在上下行方向上产生多条反射光波，以反射噪声的形式影响系统传输性能。针对再调制WDM-PON系统中光载波恢复、反射噪声等问题进行研究，对于推进波分复用无源光网络的实用化进程具有重要意义。第二章 光接入网2.1无源光网络发展现状随着近几年全球宽带接入网进入高速发展阶段，PON技术已受到国际国内相关设备厂商、运营商及实验室、高校等的广泛关注和研究。EPON和GPON是目前最有代表性的无源光网络技术。2000年开始，IEEE和FSAN分别开始制定EPON和GPON的标准。到2004年，EPON标准IEEE802.3正式发布，GPON标准ITU-TG984系列标准也基本定稿。就应用范围来看，EPON主要是在东亚地区的日本和韩国，GPON则在欧美、中东和拉美市场。我国在两种技术上都做出了有益的尝试，2005年开始，国内电信设备制造上推出了EPON技术的光纤接入设备，将光纤的低廉价格和以太网的成熟特性相结合，带来了相对完善的接入手段。在速率方面， EPON提供固定的上下行1.25GbPs速率，采用8b/10b线路编码，所以实际速率为1Gbps。GPON为多种速率等级，可以支持上下行不对称速率:下行2.5Gbps或 1.25Gbps，上行l.25Gbps或 622Mbps。分路比即一个OLT端口(局端)所带的ONU(用户端)数。EPON的标准定义分路比为l:32，GPON的标注定义分路比有l:32、l:64、l:128种。分路比主要受光模块性能指标的限制，大的分路比会造成光模块成本大幅度上升、传输距离降低(插入损耗)以及过多用户分享带宽带来的带宽受限。最大传送距离方面，分路比为1:16时，EPON/GPON均可支持20Km最大物理传输距离;分路比为1:32时，EPON/GPON均可支持10Km最大物理传输距离。从长远角度来看， 1Gbit/s的传输速率远远不能满足下一代光接入网、用户终端对业务和服务的需求。随着互联网持续、快速发展的需要，视频会议、实际游戏和IPTV等高带宽应用不断涌现，尤其是HDTV、等视频业务对网络接入带宽提出了更高的要求，也推动着新的PON技术层出不穷。WDM-PON可以视作PON的终极形态，但在近期还很难大规模的应用，主要原因包括:缺乏国际标准、设备商投入较少、各种器件如芯片、光模块和宽带光源技术还不成熟，世界范围内能提供商用WDM-PON系统的设备制造商也屈指可数。Novera optics的WDM-PON系统使用基于注入锁定的FP-LD技术，目前可实现32波长，每波长1.25Gb/S的数据传输，这样在单方向上可提供20Gb/s的带宽。日本的富士通公司也制定了致力于降低WDM-PON技术成本的短期和长期研发项目，他们采用RSOA作为ONU处的反射调制装置，推出了介于GPON和WDM-PON之间的过渡技术Hybrid-GPON(HG-PON)架构，将GPON的下行链路的容量提高了七倍。由于WDM-PON的技术方面的先进性，随着其不断成熟，可能会成为中远期的技术选择。另外WDM-PON不仅可以保护运营商在传统EPON、GPON网络中已有的投资，而且还不需改变物理设备就可带宽升级，设备的使用周期也更长，能够适应未来很长时间的带宽需求。因此，WDM-PON系统成为未来宽带接入的最佳选择方案。2.2无源光网络(PON)技术介绍一个典型的无源光网络系统结构是由光线路终端(0LT， Optical Line Terminal)、光网络单元(ONU， Optical Network Unit)和光分配网 (ODN，optical Distribution Network)组成。其中ODN 不含有任何有源电子器件，ODN全部光分支设备由光纤光缆、光连接器、光分路器等无源光器件组成，如图2-1所示为典型的PON系统结构图【7】。图2-1 无源光网络结构图 光通信中使用的复用方式主要有时分复用(TDM，Time Division Multiplexer)与波分复用(WDM，Wavelength Division Multiplexer)。目前已形成标难的APON(ATM-based PON)、EPON(Ethernet- based PON)和GPON，都是基于时分复用方式的网络，下行OLT采用TDM方式广播发送数据帧，上行各个ONU则以TDMA方式接入。如图2-2所示【7】为基于时分复用技术的TDM-PON，其原理是将上行传输时间分为若干时隙(i=1，2，3，32，)，在每个时隙内只安排一个ONU以分组的方式向OLT发送分组信息，各ONU按OLT规定的顺序依次发送。TDM要求OLT测定它与各ONU的距离后对各ONU进行严格的发送定时，各ONU从OLT发送的下行信号获取定时信息，并在OLT规定的时隙内发送上行分组信号。TDM允许使用单一的波长，OLT以TDM下行广播时使用1490nm波长(1550nm下行传输视频)，ONU以TDMA上行多址接入使用1310nm波长，所以OLT只需要一个收发器，只有一种类型ONU，由此带来很高的经济性，被认为是光接入网共享信道的首选方案。TDM-PON的显著优点在于可以使用低成本的光发射/接收模块和光无源器件，允许各ONU共享同一波长的传输容量，成本低。随着网络IP化进程的加速和ATM技术的逐渐萎缩，基于ATM技术的APON和BPON逐渐被EPON和GPON所取代。EPON和GPON成为目前两种主流的PON技术。但是随着它们的部署，TDMA导致的测距和突发接收、同步、维护管理等问题日益突出，上行带宽共享成为阻碍其用户规模和信息安全的关键问题。EPON/GPON由于带宽为用户共享，每个ONU只在允许的时隙内才能发送数据，因此发送和接收都是突发的，每个用户的平均带宽受到限制。以EPON为例，如果总带宽为 1Gbit/s，但对于1:32的系统，上行每个ONU平均分配到的带宽只有30Mbit/S，限制了用户的接入速度，浪费了光纤的可用带宽。图2-2 TDM-PON系统结构 而且TDM方式解决快速比特同步、动态带宽分配、ONU测距与时延补偿等问题，技术复杂，很难升级到更大的带宽，网络体系安全方面也比较脆弱，很容易受到非法ONU的干扰。 而WDM-PON的基木原理是应用波分复用技术，为每个ONU分配单独的传输波长，从而为每个ONU提供了更大的带宽。如图2-3所示【7】，WDM-PON利用光纤的低损耗波长窗口(1310nm/1370nm/1550nm)能以不同的方式传输不同的业务3。WDM-PON上行方向采用粗波分CWDM或密集波分DWDM技术，每个用户独享一个波长的带宽，用户最大可用的带宽可以达到100G。波分多址WDMA光纤线路有足够的功率余度，便可方便地扩容与升级。图2-3 WDM-PON系统结构3 WDM-PON概述3.1 WDM-PON工作原理WDM-PON系统由局侧的光线路终端(OLT)、用户侧的光网络单元(ONU)和光分配网络(ODN)组成，可以组成单纤双向系统，也可组成双纤双向系统。在下行方向，OLT发送的信号通过ODN到达各个ONU。在上行方向，ONU发送的信号会到达OLT，而不会到达其它ONU。ODN在OLT和ONU间提供光通道。图3-1从原理上给出了WDM-PON的一个示例，上下行业务在不同的波长窗口传输，RN采用波分复用解复用器，而不是功率分配器，因此RN有根据波长传输选路的功能。这样，每个ONU都只能接收一个波长通道的信号。ONU上传数据时占用某个特定波长，WDM复用器将多波长信号合路到一根光纤，传到OLT接收端，经分路后，由接收机阵列最后完成接收。OLT下传数据时，发射多波长信号，到达WDM解复用器时进行分路，最后每个波长到达相应的ONU的接收机被接收。这样，WDM的采用就为每个ONU到OLT的连接提供了一条虚拟的点到点双向传输链路。RN图3-1 WDM-PON结构图3.2 WDM-PON应用特点分析 由于使用波长复用/解复用器代替光分路器，远端节点(RN)的插入损耗大幅减小，并且和支持用户数量无关。典型的TDM-PON方案在RN中使用一个1x32的光分路器，其插入损耗约为1718dB。而一个AWG的插入损耗只有35dB。即便WDM-PON中需要两个AWG，线路上的插入损耗也有811dB的改善。另一方面，在同等用户带宽的情况下，WDM-PON中每个接收机的噪声带宽仅为TDM-PON中的1/N。在一个支持32个用户的PON中，接收机灵敏度又有大约15dB的改善。AWG的信道间距可以做到0.8nm或更小，可使很多用户连接到PON。当升级PON以支持更多的用户时，TDM-PON中的插入损耗增加，而WDM-PON不变。因此，WDM-PON在升级用户数量时，功率损耗并没有增加，这对实现长距离、大覆盖范围的P0N非常重要。 WDM-PON系统的优点可以概述为以下几点: (l)带宽:用户间独享带宽，WDM-PON能够在保持相对低的线速率下为每个用户提供高带宽，器件的工作速率只为ONU所能提供的带宽大小，而不是工作在线速率上，这种方式也可降低ONU的成本。(2) 功率预算:WDM-PON在功率预算中有两个优势，第一个优势是:WDM-PON接收机工作在较低的比特率，因此具有极高的灵敏度;第二个优势是:WDM-PON的插入损耗比TDM-PON的分路损耗小。在TDM-PON中，随着ONU数量的增加，由于分路器的原因双向信号的光功率损耗也随着增加。WDM-PON传输距离更远，网络覆盖范围更大。(3)高效性:在上行传输时，每个ONU使用一个特定的波长，因此不需要定时和网络同步，降低了MAC协议的复杂度，提高了传输效率。(4)透明性:WDM-PON系统将数据分组直接映射至波长信道而无需TDM复用器的处理，使得对各种协议和速率透明，这将使网管、保护等任务相对简单，可以提供更强大的OAM&P功能。(5)安全性:由于下行的TDM-PON信号采用广播的方式，所有ONU都可接收全部下行数据，只有采用加密技术才能保证安全性。在WDM-PON中，去往不同ONU的信号通过波长选路，相互独立工作，有效保证了信息传输的安全。3.3 OLT多波长光源和“无色”ONU 不论是固定还是动态波长分配方式，OLT都要为每个ONU提供一个下行波长，所以需要采用多波长光源。对光源来说，一般要求其发光波长必须精确、稳定，光源便于集成、可靠性高以及成本较低。目前多波长光源的构造方法主要有以下三种:(l)增益耦合型分布反馈式(DFB)激光器阵列;(2)采用多频激光器(MFL);(3)采用啁啾脉冲光源。 （l)可调谐DFB激光器:可调谐DFB激光器是在同一基底上制造多个性质相同的 InGaAsP/InP多量子脊波导激光器，是一种集成的多波长光源，通过增益饱合机制与单一LD模式调谐能力的结合实现多波长光源，再利用温度调谐产生多波长的下行信号。但是由于各个波长独立调节。需要监控每个波长，系统非常复杂。而且由一于DFB激光器输出波长随波导有效折射率变化，因此很难精确于控制输出光谱与波长路由器信道间隔的匹配。 （2)多频激光器(MFL):MFL是一种基于集成半导体放大器和WCR(Waveguide Grating Router)技术的新型WDM激光器，包含N个光放大器和一个l x N的阵列波导光栅，阵列波导光栅的每个输入端集成一个光放大器。在光放大器和阵列波导光栅输出端之问形成一个光学腔，如果放大器的增益克服腔内的损耗，则有激光输出，输出波长由阵列波导光栅的滤波特性决定。通过直接调制各个放大器的偏置电流，就可以产生多波长的下行信号。MFL的波长间隔由阵列波导光栅中的波导长度差决定，可以精确控制，各波长可以通过控制同一个温度统一调节，便于波长监控，是理想的OLT光源。目前已经开发出16信道间隔为200GHz和20信道间隔为400GHz的MFL的产品，直接调制速622Mbit/s。 （3）惆啾脉冲WDM光源:凋啾脉冲光源使用飞秒级激光器产生一个1.5um附近70nm谱宽的脉冲，经过15km长的标准单模光纤传输后，由于色散导致脉冲扩展和线性频率惆啾。在展宽的脉冲中，波长随时间线性增加，因而不同的波长占有不同的时隙。下行数据通过TDM方式调制在各信道上。展宽的脉冲可被放大和分路，以支持多个PON，为大量用户所共享。“无色”ONU在WDM-PON系统中，多个不同波长同时工作，因此最直接的WDM-PON方案是OLT中有多个不同波长的光源，每个ONU也使用特定波长的光源，各点对点连接都按预先设计的波长进行配置和工作。如果波长数越多，需要的光源种类也越多，带来严重的存储问题，这对ONU尤其突出。由于存在严重的ONU存储问题，固定光源的解决方案难以应用于商用WDM-PON系统，因此使用“无色”ONU已基本成为当前WDM- PON相关研究的共识，基于“无色”ONU的技术方案是WDM-PON系统的主流。“无色”ONU是指ONU结构中不设置指定波长的光源，而是与入射光波关联，对波长不具有选择性，同一个无色ONU结构可以应用在多个不同工作波长的信道中。“无色”ONU的实现技术主要采用无光源技术。基于无光源的“无色”ONU原理是由OLT同时提供下行和上行两路的光源，而不在ONU中间设置光源。无光源方式的无色ONU实现条件有两点:(1)上行载波与下行调制信号可以并行传输而不相互影响 ;(2)CO光发射机同时提供上下行光源，下行ONU端光器件能够将复用信号分离。实现方式通常有光载波源方式和再调制方式两种。 (1)光载波源方式:OLT向ONU传输的下行光信号中，既有正常的下行调制信号，又有未调制的光信号，这部分光信号将作为上行调制的光载波。这两种光信号在OLT中通过复用技术结合起来，一并传输到波分复用器，和其它类型WDM-PON系统一样，波分复用器将不同工作波长的各路信号分离开，分别送到对应的通道，此时每个信道中包含这个工作波长下的两种复用信号。每个ONU端都设置了相应的解复用器，将下行调制信号分离出来，送入光接收机进行相关解一调，另一部分信号作为上行调制的光源，经过调制器进行上行调制后，传回CO。(2)再调制方式:再调制方式是指上行光载波由下行调制信号分光而来，上行信号再调制在下行光载波之上。原理上来说，只要两种调制方式不相互影响，就可以在己调制信号的基础上进行再调制，从调制技术来看，再调制技术可分为多种:既可以是不同调制技术的结合，例如ASK/DPSK调制，ASK/FSK调制等等，也可以是同种调制技术的结合，例如ASK多重调制。前面所述各种方案中，上行信号与下行信号使用的是不同波长，而且在OLT中需要为上下行信号分别准备光源。而再调制方式中实现了上下波长重用，在整个WDM-PON系统中每个波长只需要在OLT端设置一个发射机，从而简化了网络的维护和管理。再调制技术的难点在于对下行信号的良好擦除，实现上行光载波的恢复。3.4 TDM/WDM混合PON系统结合“无色”ONU和TDM、WDM混合型结构的技术优势，提出了一种新的有效的WDM-PON实现方案。如图3-5所示【4】，本方案大体上可以分为两部分，第一部分是从OLT端到ONU端，这一部分采用的是WDM技术;第二部分是从ONU端到网络终端(NT)，这一部分采用的是TDM技术。该方案充分结合了无色ONU与WDM/TDM混合结构的技术特点，采用RSOA作为发射机，产生的光功率均在该信道的频谱范围内而没有浪费。还可以通过增益饱和效应减小由分割宽带光源频谱而产生的剩余强度噪声。整个系统中每个波长只需要在OLT端设置一个发射机，简化了网络的维护和管理。图3-5 WDM/TDM混合PON方案第一部分的关键技术是实现了无色ONU。本方案采用的是基于反射式半导体放大器(RSOA)的无色ONU技术，基于RSOA的无色ONU的原理是:在ONU中采用RSOA代替光源，整个系统的光信号源仅由OLT提供，下行方向上未调制的光信号经ONU侧的调制器时加载自己的信号，再送回到OLT，这样就完成了双向通信。RSOA在系统中既作为调制器，又作为系统的光发射器。RSOA用作调制器可产生额外增益以克服设备和传输产生的损耗，而且工作在增益饱和状态下的RSOA还可减小光信号的强度噪声。在工作电流60mA的条下，RSOA模块输入饱和功率低于13dB，对任意偏振态，在C带内的饱和增益超过13dB。RSOA作为光发射器，光载波由RSOA注入并调制的，该光载波为RSOA提供上行和下行的传输。光载波通过掺饵光纤放大器(EDFA)进行放大。其中，关于基于RSOA的WDM-PON的具体研究，本文将在后面的章节详细论述。第二部分从ONU到NT，RN连接ONU并分配一个波长ONU，每个ONU与多个NT相连接，而每个NT可以为一个或多个用户提供服务，ONU到NT采用的是TDM技术中的EPON标准 :IEEE802.3ah.在该标准中将以太网和PON技术相结合，在无源光网络体系架构的基础上，定义了一种应用于EPON系统的物理层(主要是光接口)规范和扩展的以太网数据链路层协议，以实现在点到多点的PON中以太网帧的TDM接入。这部分中组成的单个PON中使用的802.3ah标准，可以与8023ah标准无缝结合。这种方式具有很高的灵活性，能够在完全不改变己有TDM-PON系统架构的情况下向WDM-PON系统进行扩容升级。它可以在同一根光纤上增加新的用户，同时保证原有用户带宽，充分利用了光纤的巨大带宽资源。3.5基于 Optisystem的WDM-PON的仿真研究 光波分复用系统一般有单向和双向两种结构，这里给出一个单向8信道WDM点到点通信系统如图3-2【4】。8个光发送机发送8个不同波长的光信号按一定的间隔排列。在复用器中复合在一起送入到传输光纤信道中。在光接收机端，这8个波长光信号由解复用器分离后送到相应的可调谐的光接收机。另外，传输信道中间还包括了诸如EDFA、光纤等各种元器件。图3-2 点到点的8信道WDM系统 系统的仿真结果分析针对WDM传输系统中存在的基本参数进行分析，主要涉及波分复用、解复用光谱图及系统眼图和Q因子等参数。该仿真模型中采用Mach-Zender（马赫增德尔）外调制器对CWLaser激光器进行调制，分别产生8个不同中心频率波长的光载波（中心频率为193.1-193.8GHz)信号经光载波调制复用后的光谱如图，为了衡量基带传输系统性能的优劣。通常用眼图来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响。从系统的眼图可以看出眼图斜边的斜率不大系统对定时抖动不太敏感零点失真量小，在抽样时刻系统眼圈的信号失真量小，满足后继信号提取要求。在光通信系统中仅仅依靠光信噪比OSNR无法准确衡量系统的性能，特别是WDM系统中，作为一个品质因数，采用信号的Q因子来衡量信号的质量，并由它来表征系统的误码率(BER)。由图3-3【4】可以看出，Q因子曲线随着眼图的张开程度大小做如下变化：越靠近眼图张开最大处，其Q因子越大，对应的BER 就越小。在眼图张开最大时刻Q因子达到了111。根据测试，当Q=6时，BER约为10-9；当Q=7时，BER约为10-12，由图3-4【4】得出该系统在保证达到系统误码率要求的条件下有较大的判决范围。 图3-3 Q因子和眼图的关系图 图3-4 误码率和眼图的关系图在接收端复合信号经解复用，再经过解调器复出原信号，分离出的光谱图如图3-4。可见各路信号分离后未出现混频现象，说明WDM系统有极大的可靠性。4 WDM-PON中接收端采用相干接收4.1相干光通信的主要优点相干光纤通信最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度大大提高。以1.31.6um波段为例，IM/DD接收机需要约为1000photons/bit以达到10-9的误码率，而相干接收机要达到相同的误码率仅需1020photons/bit甚至更少，可以达到接近散粒噪声极限的高性能，并因此也增加了光信号的传输距离。可见，相干探测的高灵敏度使相干接收机更适合与弱光信号的探测，而直接探测体制仅适宜较强光信号的探测。接收机的高灵敏度也增加了光信号的传输距离。 相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中，接收波段较大（100nm）为抑制杂散背景光的干扰，探测器前通常需要放置窄带滤光片，但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的混频光，因此只有在中频频带内的杂散光才可以进入系统，而其它杂散光所形成的噪声均被中频放大器滤除。可见，外差探测对背景光有着良好的滤波性能。此外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔达到100MHz，取代传统光复用技术的大频率间隔（200GHz），具有以频分复用WDM实现更高传输速率的潜在优势。4.2相干检测与直接检测光接收机的任务是把发送端通过光纤传来的微弱光信号检测出来，然后放大再生成原来的电信号。对光接收机的基本要求是：应具有较高的灵敏度，以适应长距离通信的要求；应具有较大的动态范围，以适应各种通信距离的要求。光接收机作为光纤通信系统的关键器件之一，其性能直接影响系统的传输距离和误码率等传输指标。根据检测方式的不同，光接收机大致分为两类直接检测接收机和相干接收机。因为直接检测接收机检测光接收结构简单，成本低，所以得到普遍采用，但是它灵敏度不高，频带利用率低，不能充分发挥光纤通信的优越性。但相干接收机具有灵敏度高中继距离长，选择性好，通信容量大，具有多种调制方式等优点，因此具有良好的应用前景。 相干接收机与直接检测接收机相比，最主要差别是增加了本地振荡光源。相干接收机的组成框图如图4-1所示。本振光与接收机的信号光经光耦合器混合在一起，这时信号从光载频（在1.55um时约为200THz）下变频到微波载频（通常只有几GHz）随后经光检测器探测到信号的中心频率对应于中频f1F,它是信号光与本振光的频率差。然后中频信号经中频放大器放大后再进行解调，就可以得到基带信号输出。如果信号光与本振光的频率相等，即f1F=0,这种检测称为“