（光学工程专业论文）基于偏振复用和rsoa注入调制的wdmpon系统.pdf

浙江人学硕士论文 摘要 随着网络服务的多元化，宽带需求量的不断提高，波分复用无源光网络 ( w d m p o n ) 是解决接入网技术速率瓶颈的最佳选择。w - d m p o n 利用波分复 用技术，为每个用户单独分配独立的信号波长和带宽，从原理上大大提高了系统 的传输利用率。相比时分复用无源光网络( t d m p o n ) 技术具有带宽高，安全 性好，维护成本低，升级方便等优点。但同时，波分复用技术的尚未完善和光器 件的成本也影响这一技术的快速发展。因此，波分复用无源光网络是目前光通信 领域的重要研究方向。 如何降低波分复用系统成本是实现市场化的重要因素。本论文提出了一种新 型的利用偏振复用技术实现的基于无色o n u ( 光网络单元) 的w d m p o n 系统， 能够有效的降低o n u 的建设成本，同时还能实现不同工作波长o n u 的统一化 设计。本论文的另一个前沿研究是反射式半导体光放大器( r s o a ) 在无色o n u 中的应用，结合偏振复用技术和r s o a 的优点提出了新型w d m p o n 系统结构。 r s o a 作为新型的光放大器和调制器的结合，其性能可以达到高速光通信系统 的要求，利用r s o a 可以简化o n u 系统的复杂度。本论文将从技术原理，相关 实验器件，实验系统实现，性能测试及结果分析几个方面对这两个部分进行详细 的介绍。 关键词：波分复用无源光网络( w d m p o n ) ，偏振复用，无色0 n u ，r s o a 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t o w i n g t ot h em u l t i p l es e r v i c e so fn e t w o r ka n dt h er i s i n gd e m a n do nb a n d w i d t h ， w d m p o nb e c o m e st h eb e s tc h o i c et os o l v et h es p e e dl i m i ti na c c e s sn e t w o r k w d m p o nu s e sw a v e l e n g t hd i v i s i o nt os u p p l ys p e c i f i c s i g n a lw a v e l e n g t ha n d b a n d w i d t hf o re a c hc l i e n t , w h i c hi n p r i n c i p l ei m p r o v e st h eu l t i l i z a t i o nr a t i o o f t r a n s p o r t c o m p a r e sw i t ht d m p o n ，w d m p o nh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e o n b a n d w i d t h ，s a f e t y , o a ma n du p g r a d e w h i l et h ei m p e r f e c tt e c h n o l o g ya n dt h ec o s to f d e v i c ea f f e c ti t sd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h et e c h n o l o g yo fw d m p o ni sc u r r e n t l y a ni m p o r t a n tf i e l di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h h o wt or e d u c et h ec o s to fw d m s y s t e mi sa ni m p o r t a n tf a c t o ri na c h i e v i n g m a r k e t o r i e n t e d i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e dan o v e lw d m - p o ns y s t e mw i t hc o l o r l e s s o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) e n a b l e db yp o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n g i tc a nn o to n l y r e d u c et h ec o s to fo n ub u ta l s od e s i g nt h eu n i f i e do n ui nd i f f e r e n to p e r a t i n g w a v e l e n g t h a n o t h e rf r o n t i e rr e s e a r c ho ft h ep a p e ri st h ea p p l i c a t i o no fr e f l e c t i v e s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( r s o a ) i nt h ec o l o r l e s so n u w ep r o p o s e dan o v e l w d m - p o n s y s t e mc o m b i n e d 、丽t ht h ea d v a n t a g e so fp o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n ga n d r s o a r s o ac a nw o r ka sb o t ho p t i c a la m p l i f i e ra n dm o d u l a t o r i t sh i g hp e r f o r m a n c e m e e t st h ed e m a n do fh i 曲s p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n ds i m p l i f i e st h e o n us y s t e m i tw i l lb ed e s c r i b e di nt e c h n i c a lp r i n c i p l e s ，e x p e r i m e n t a ld e v i c e s ， e x p e r i m e n t a ls y s t e mi m p l e m e n t a t i o n s ，s y s t e mp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t sa n dr e s u l t s a n a l y s i si nd e t a i lo ft h e s et w op a r t s k e y w o r d s ：w d m p o n ，p o l a r i z a t i o nm u l t i p l e x i n g ，c o l o r l e s so n u ，r s o a v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 黜槲躲气珲；槲期：溯秒年弓月8 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 虢诲参 签字日期：) 钾。年3 月8 日 导师签名： 签字日期& 。年弓月日 浙江大学硕士论文 致谢 研究生这几年一晃而过了，毕业设计的时间也在忙碌中度过了。忙碌之中， 有欣喜，有收获，有不足，但我非常的开心。毕业设计即将结束之时，我要感谢 那些曾经指导过我，帮助过我的人。 首先，我要感谢我的指导老师陈彪教授。陈老师是一个很细心，很负责的老 师。陈老师会时刻关注我的毕设情况，提出很多重要的指导意见，指出我的进步 和不足之处，如果遇到瓶颈或是开拓创新的地方，陈老师还会和我详细的讨论， 引导我的开创性思维。可以说，陈老师给了非常大的帮助，对我也非常的负责， 在此致以深深的谢意! 此外，我非常感谢何赛灵教授和光及电磁波中心的各位老师为我们创造了一 流的学术氛围和领先的实验条件，让我们怀着自信走向社会，在此深表谢意，感 谢刘洁博士，洪学智博士和网络组的各位师弟师妹给予我的帮助和支持，在光及 电磁波中心求学的这段日子将令我终生难忘。 我还要感谢我的父母，能走进浙江大学这所名校，是我的荣幸，也是对我父 母辛勤养育之思的回报。在我毕业设计期间，父母也时刻的关心着我实验的进展， 困惑时，他们为我加油鼓气，成功时，他们为我欣喜。他们一如既往的支持也给 了我莫大的动力。在此，我要对辛苦操劳多年的爸爸妈妈说- 你们辛苦了! 我永 远爱你们! 最后，也感谢浙大能给我这个机会来深造。在母校走过7 年了，看到母校的 发展越来越好，心中无比的欣喜和自豪，在此祝愿浙大的明天更加辉煌! 浙江大学光及电磁波研究中心谭立 2 0 0 9 1 2 3 0 浙江大学硕十论文 1 1 接入网技术简介 第一章绪论帚一早珀t 匕 当今，互联网的发展势头迅猛，网上新业务层出不穷：i p 电视，i p 电话， 视频点播，视频会议，远程教育，远程监控，网上购物，网上书籍等等业务由于 互联网的广泛普及都得到了很大程度的应用，大量的音频，视频流对网络接入带 宽的需求也在持续增加。高速上网是互联网未来发展的主要导向。 目前，主干网带宽可达到1 0 g ，作为骨干网的重要构成，它的主干线已经基 本实现光纤化，传输速度极快。接入网是连接骨干网和用户之间的桥梁，直接决 定了用户的通信质量和速度。接入网技术常用的主要有以下几种：d i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ( 数字传输线路) ，w i - f i ( 无线宽带) ，h y b r i df i b e r c o a x ( 双 向混合光纤同轴电缆接入传输系统) ，以及光纤接入技术f i b e rt ot h eh o m e ( 光 纤到户) 。 x d s l 技术是目前应用最为广泛的接入网技术：它又可分为r a d s l ( 速率自适 应数字用户环路) ，s d s l ( 双向对称数字用户环路) 、h d s l ( 高速数字用户环路) 、 v d s l ( 超高速数字用户环路) 、a d s l ( 非对称数字用户环路) ，上述系统均使用点到 点的拓扑结构，传输速率和传输距离呈反比。 w l f i 是无线网络，使用8 0 2 1 l a b g 的协议，它的最大特点是灵活性强， 只要在无线网络覆盖的地区即可随时随地登陆互联网，方便快捷，但是速度不及 有线网络，带宽也很有限，目前仅在人口密集的城市中推广应用。 h f c 通常由光纤主干线、同轴电缆支线和用户网络三部分构成，是光纤和同 轴电缆混合使用的一种网络，广泛应用在c a t v ( 有线电视) 中【1 】。下行信号在光 纤主干线上传输到用户端后，再进过光电转换成电信号通过同轴电缆传送到用户 家中，用户最终接收的是电信号。h f c 的主要特点是：传输容量大，光纤传输的 带宽远远大于同轴电缆；频率特性好，无需带宽均衡；传输损耗小，传输距离可 达2 5 公里；抗干扰能力强，能确保信号的传输质量。结构上，光纤干线部分采 用星形或环状结构；同轴电缆( 既支线和用户网络的部分) 采用树状或总线式结 浙江大学硕士论文 构，为用户提供可选择业务服务【2 】。 光纤接入技术是指接入网中采用光纤作为传输媒质，实现整个骨干网络的全 光化。光纤是宽带网络中多种传输媒介中最理想的一种，它具有传输容量大，抗 干扰能力强，传输质量好，损耗小，中继距离长等特点，是解决高带宽需求的最 佳方案。 根据光纤到用户的距离，我们将光纤接入网分为f 1 t h ( 光纤到户) 、f t t b ( 光纤到大楼) 、f t t c ( 光纤到路边) 、和f t t z ( 光纤到小区) ，它们统称为 f t t x 。f t t x 不是具体的接入技术，而是光纤在接入网中的推进程度或使用策略。 从技术上来看，光纤接入技术可分为a o n ( 有源光网络) 和p o n ( 无源光网络) 两大类，如图1 1 所示，其区别在于在用户节点端是否使用了有源器件。有源光 网络又可分为基于s d h ( 同步数字系列) 技术的a o n 和基于p d h ( 准同步数字系 列) 技术的a o n ；无源光网络可分为窄带p o n 和宽带p o n 。拓扑结构也多样化， 既有环型、总线型、星型及其混合型，也有点对点的应用。 图1 1 光纤接入网分类 从上述4 种常见的接入网方式看来，与其他有线、无线通信技术相比，光纤 通信无疑具有更优越的性能，是最理想的接入网解决方案。但在国内，受到设备 和费用的限制，光纤通信在接入网领域还未能广泛普及，目前国内宽带用户中绝 大部分接入网采用铜线x d s l 方式接入，f 1 t h 的市场还只能占据很少的比例，与 国外发达国家之间( 美国、欧洲、韩国和t 3 本) 还存在着很大的差距。而随着光纤 本身的成本，光收发模块，o l t ( 光线路终端) 和o n u ( 光网络结点) 的设备成 本以及相关配套成本不断下降，f t t h 的发展成为平民化的网络技术服务已不再 是遥不可及。光纤到户建设在我国已经开始启动，部分运营商已经进行试点工程 的建设，未来一段时间内，运营商将会进行区域试点，进行小批量的建设。随着 2 浙江大学硕十论文 建设量的逐步加大，预计f t t h 在几年内将有望成为主要的接入手段。 1 2 光纤接入网f t t h 国内外现状 日本是目前推行和运营f t t h 技术的领先者，多家日本运营商在政府的大力 扶持下加速发展f t t h 的相关建设，f t t h 在日本的消费人数远远高于同期其他 国家。据相关资料显示，2 0 0 6 年f t t h 在日本的市场占有率由2 0 0 5 年的2 0 7 增长至2 3 4 ，稳居日本第二大宽带接入市场。在最新的“新一代宽带战略2 0 1 0 ” 中，日本总务省提出两个目标，首要目标是全面发展宽带网络，到2 0 1 0 年底时， 日本所有地区都可使用a d s l ，f t t h 与c a t v 等宽带网络，全国带宽普及率要 达到1 0 0 。第二个目标则是让超高速宽带( 传输速度达3 0 m b i t s ) 的家庭普及 率在九成以上【3 1 4 1 。 美国成为继日本之后的全球第二大市场，其宽带业务的迅速增加推动了 f t t h 的快速发展。2 0 0 6 年6 月，美国f t t h 用户数已达到4 6 万，其中绝大部 分是v e r i z o n 的用户，目前美国f t t h 用户数位居世界第二，仅次于日本【3 1 。 与日本的宽带用户数目第一相比，韩国则是世界上宽带普及率最高的国家。 政府的政策引导和市场宽带需求的共同作用下，韩国的f t t h 技术发展已经逐渐 进入了成熟阶段。2 0 0 4 时k t ，h a n o r o 等韩国宽带服务企业放弃了1 0 0m b i t s 的v d s l ，直接投入f t t h 市场的开发，通信设备企业的新项目研发也大多集中 在f t t h 上。据预计，韩国在2 0 1 0 年f t t h 的家庭普及率超过七成【5 1 。 受国外的影响，我国在一些地区也开始了小规模的f t t h 试验，中国网通、 中国电信两大固网运营商正在积极与各f t t h 方案提供商合作，计划在北京、上 海、杭州、武汉等大中城市中推广应用，并逐步覆盖全国范围，国内p o n 的部 署已经踏出了第一步【5 】。 1 3p o n ( 无源光网络) 技术简介 p o n ( 无源光网络) 系统结构包括o l t ( 光线路终端) 、传输光纤、o d n ( 光 分配网络) 和o n u ( 光网络终端) 四个部分【6 】，如图1 2 所示。o l t 提供o a n 网 络侧接口，负责c o 端与一个或多个o d n 的连接；o d n 是连接o l t 和o n u 之 间的光传输媒质，由无源器件组成；o n u 提供o n a 用户侧接1 2 ，是用户与接 浙江大学硕士论文 入网的桥梁；无源光网络是指o d n ( 光分配网络) 中不含有任何有源电子器件， 仅依靠无源器件，例如光分路器，光连接器，光耦合器，光隔离器，光开关等等。 相比a o n ( 有源光网络) ，p o n ( 无源光网络) 最大的优点是建设成本低，使用 年限长，升级和维护非常方便，是光纤接入网的重要研究方向。 图1 2 无源光网络配置图 p o n 按信号分配方式可以分为p s p o n ( 功率分割型无源光网络) 和 w d m p o n ( 波分复用型无源光网络) 。目前的a p o n 、b p o n 、e p o n 和g p o n 均属于p s p o n ，上下行分别采用t d m a t d m ( 时分多址接入时分复用技术) 并且分别使用不同的固定波长进行数据传输。而w d m p o n 采用波分复用技术， 每个用户独享信息通道，能提供更高的带宽和安全性【7 】。 f t t h 是光纤接入网发展理论的最终形式，而p o n 技术无疑为这一目标的 实现提供了很好的平台和契机。p o n 技术性能好，器件费用低，使用寿命长， 维护简单等优点使得它具有很高的实用性，目前p o n 的e p o n ，g p o n 技术已 经投入运营，w d m p o n 技术也成功的进行了区域试点，随着p o n 相关器件的 开发和技术支持上的不断完善，吉比特接入网不再是梦想。 1 3 1 点到点( p 2 p ) 光接入技术 所谓点到点光接入技术是指将电信号通过光电转换进行长距离的传输，从中 心局到每个用户均使用一对( 或一根) 光纤。由于点对点技术每个用户使用独立的 线路，所以上下行速率都可以达到1 0 0m b i t s 甚至1 0 0 0m b i t s 以上。点到点( p 2 p ) 光接入技术结构简单，产品成熟，安全性较好的特点。但该技术的缺点是需要铺 设大量光纤和光收发器，在大规模应用会造成大量光纤资源的消耗和运营维护难 度的增加。作为f 刑开发初期的技术，点到点技术只适合于小地区范围的使用。 4 新江 学硬论文 毋墙 ，卜羔二二专i 巫 3 l _ j 一 - | i i _ 曼l _ ，黑、 、 、。 、：气、一! 一- ，! t 。：嚣。， 图1 3 t d m - i a o n 技术原理图嗍 132t o m p o n 技术( e p o n 技术和g p o n 技术) t d m - p o n 技术原理是将信号传输时闻分为若干时隙，每个单位时隙只能有 一个用户进行适信。下行时候c o 向所有o n u 广播下行传输数据，每个o n u 根据时钟控制对下行信号提取，上行时候o l t 通过时钟控制，每个用户使用单 独的时隙发送数据。t d m p o n 所有o n u 用户均使用同一工作波长，通过严格 的时间同步控制来区分不同o n u 的信息，所以o l t 只需要一个收发器，所有 o n u 的结构也都是相同的，这样可以降低t d m p o n 技术的建设成本和维护费 用，如图1 3 所示。目前基于t d m p o n 技术和以太网协议，人们开发了a p o n ， b p o n ，e p o n ，g p o n 。a p o n 和b p o n 是t d m - p o n 技术的过渡产物，由于 传输速率的限制已经基本被后两种取代，而e p o n ，o p o n 可以提供吉比特以上 的传输速率，目前最高的传输速率可达1 0 g b s ，是t d m - p o n 研究的主要方向。 剧 ie “l 臣主产 困 忑瓦 一”w ”“ 图1 4t d m - p o n 传输发展状况 gldllt-ce_ 浙江大学硕十论文 e p o n 是一种以千兆e t h e m e t 为基础开发的宽带接入技术，它采用 t d m a t d m 复用技术，用户共用同一根光纤线路，实现数据、语音及视频的综 合业务接入。e p o n 结合了p o n 和以太网的特点，采用e t h e m e t 封装方式，传 输方式有s d h ( 数字同步体系) 传输和p d h ( 准数字同步体系) 两种，所以非 常适于承载口业务，可提供上下行对称1 2 5 g b i t s 线路传输速率。由于另外， e p o n 也提供一定的运行维护和管理( o a m ) 功能【4 】。具体来说，e p o n 接入系 统具有如下特点： 低成本：对于p o n 系统来说，构建传输线路仅需要光无源器件，不需要电 源或者昂贵的有源器件，维护简单，使用寿命长，能有效降低系统的成本。e p o n 采用单纤单波长传输，传输距离最长可达2 0 公里，新用户只需在o n u 端添加， 而不影响中心控制室到o n u 端的结构，升级成本远远低于点对点技术。 高带宽：e p o n 下行传输波长1 4 9 0 n m ，上行传输波长1 3 1 0 n m ，上下行均为 1 2 5 g b i t s ，下行采用加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用( t d m a ) 共享带宽，还可根据用户需求的变化动态分配带宽，灵活性高。 兼容性好：e p o n 采用目前以太网的传输协议，既可以有效的兼容多种传输 协议，又可以利用现有的网络设备，大大降低了系统转换的复杂程度。 g p o n 最早是由f s a n ( 全业务接入网联盟) 提出，i t u ( i 萤际电信联盟) 在 此基础上修订的最新一代宽带无源光网络接入技术，是a p o n ( 基于a t m 技术) 的升级版。g p o n 上下行采用单光纤复用技术，下行最大传输速率可高达 2 4 8 8 g b i t s ，上行最大传输速率达1 2 4 4 g b i t s ，适应目前下行传输带宽高于上行 传输带宽的需要，传输距离至少达2 0 公里，传输性能上较p 2 p ，e p o n 有了很 大的提升，具有高速高效传输的特点。g p o n 具有全业务接入能力，既支持目前 的以太网数据业务，也能高质量的支持p s t n 业务( p o t s 、i s d n 业务等) ，视 频业务( 数字视频等) 和专用线( t i 、e 1 ，d s 3 、e 3 和删业务等) 1 4 。 e p o n 和g p o n 在系统结构和原理上有很多共同点，例如均使用符合g 6 5 2 标准的光纤，系统都为单纤双向系统，上下行传送都是采用t d m a t d m 方式 来实现信道带宽共享，上下行使用不同的波长。未来c a t v 业务承载计划在 1 5 4 0 1 5 6 0 n m 波长上实现【9 】。 6 浙江大学硕十论文 o n u l 1 3 3w d m - p o n 技术 图1 5w d m p o n 系统原理图 随着带宽需求量和用户数的不断增加，w d m 技术被逐渐引入接入网并和 p o n 相结合，形成所谓w d m p o n 网络。同其它p o n 系统一样，w d m p o n 系统由o l t ，o n u 和o d n 组成。o d n 中采用a w g ( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ， 阵列波导光栅) 作为波分复用解复用器，对接入a w g 的每一个o n u 分配一个 特定独占的波长。o l t 在下传数据时发射多波长信号，当信号到达a w g 时进行 分路解复用，最后每个波长被相应的o n u 接收端接收。而o n u 端上传数据时 分别占用某个波长，并通过w d m 将多波长信号合路到一根光纤传到o l t 接收 端，经a w g 合路后复用，由接收机阵列最后完成接收【1 0 】，如图1 5 所示。 与t d m p o n 相比，w d m p o n 系统具有以下优点：第一，w d m p o n 中 给每个o n u 分配唯一的波长，各信道间不重叠互不干扰，而t d m p o n 中所有 的o n u 都使用同一波长信道，保密性较w d m p o n 差；第二，无需定时和网络 同步，降低了接收系统的复杂度，提高了传输效率，而t d m p o n 需要有严格的 时钟同步；第三，t d m 时分即意味着单位时间内只能有一个用户通信，资源利 用率不高，随着用户数的增加，每个用户的带宽将被限制，而w d m p o n 可以 满足多用户数据同步传输，保证了传输速率；第四，波分复用解复用器的插入 7 浙江大学硕上论文 损耗要比光分配器的小，传输的距离更远，网络覆盖的范围更大。目前w d m p o n 的瓶颈是光电器件成本太高，技术还处于开发阶段，尚不成熟，目前距离大规模 的产业化商业化的实现还有很长的路【l 。但同时可喜的是w d m p o n 已成为目 前光通信领域的研究热点，已经有多家大型通信设备公司开展了w d m 相关器件 的研发，目前如何提高系统性能和如何降低系统成本，实现w d m p o n 市场化 是w d m p o n 技术研究的主导方向。w d m p o n 技术是本论文的研究基础。 1 4 本论文的结构安排 本论文主要围绕基于偏振复用技术在w d m p o n 系统的设计和实验演示系 统的搭建，基于r s o a 的w d m p o n 长距离传输系统设计和实验演示系统的搭 建两部分进行了深入的分析，并对于w d m p o n 调制，复用，传输等相关技术 进行了探索。论文具体各章节安排如下： 第一章，介绍p o n 结构，发展现状和分类。 第二章，简要介绍w d m p o n 技术的相关原理，技术优势，w d m p o n 系 统器件，w d m p o n 与其它复用技术的结合。 第三章，介绍w d m p o n 中无色0 n u 结构的特点，提出一种新颖的基于偏 振复用技术实现无色o n u 的系统，内容包括技术要点，器件选择，实验系统的 搭建和系统性能测试及其结果分析。 第四章，分析r s o a 器件的性能，着重论述r s o a 放大原理和调制原理， 从功率增益，调制带宽，温度特性，a s e 噪声等方面对r s o a 的调制性能进行 了多角度的分析，设计新型的基于r s o a 上行调制的w d m p o n 长距离传输演 示系统设计方案，并进行了系统性能测试和实验结果分析。 第五章，总结与展望。 8 浙江大学硕士论文 第二章w d m - p o n 技术简介 2 1w d m - p o n 工作原理 w d m p o n 技术接入网部分通过光纤接入，其在远端节点不需要电源和任 何有源器件，具有高带宽，低插损，使用寿命长等优势，光载波通过无源光分束 器，光解复用器分配给多个用户，单个o l t 端用户的数目取决于c o 的发射信 号的传输速率和信号分束的衰减，w d m p o n 每个用户使用固定的波长，互不 重叠，目前，w d m p o n 在3 2 用户下最大传输距离2 0 公里，6 4 用户下最大传 输距离1 0 公里。 r 。! 图2 1w d m p o n 系统结构 作为p o n 结构的一种，w d m p o n 的结构也大致分为o l t ( 光线路终端) 、 o n u ( 光网络单元) 和o d n ( 光分配网) 三个部分，如图2 1 所示。o l t 是主 干网和接入网的中转站，一方面将c o 发送的下行信号按照协议发送到o n u 端， 另一方面将o n u 端反馈的上行信号一并传往c o 。o d n 主要功能是为w d m 系 统提供复用和解复用技术，是w d m 技术运行的关键要素。o n u 的作用是负责 用户端的连接，对传输信号进行调制和解调，为用户端提供双向的业务支持。 下行传输时，主干网部分，c o 根据用户的需要发送加密的分配波长的调制 信号，多个波长的信号通过一根光纤传送到o l t 端，此时便进入了接入网部分， 信号传到o d n 后，o d n 中的a w g ( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ，阵列波导光栅) 是一种波分无源器件，即可将一根光纤中的不同波长的信号分离，也可将不同波 9 浙江人学硕上论文 长的信号耦合进一根光纤传输，不同波长的调制信号被a w g 分离后，分别通过 不同的线路传送给相对应的用户。o n u 端匹配特定波长的解调器，将加密信号 解调还原出来。 上行传输时，o d n 同样使用a w g 作为光无源复用器件，每个o n u 端都配 备了指定波长的光发射机和光接收机，分别用于下行信号的接收和上行信号的发 送。发射的上行调制信号在a w g 中耦合进主干网光纤，通过单线传回到c o t l 2 。14 1 。 2 2w d m - p o n 性能分析 p o n 按信号分配方式可以分为p s p o n ( 功率分割型无源光网络) 和 w d m p o n ( 波分复用型无源光网络) 。目前的a p o n 、b p o n 、e p o n 和g p o n 均属于p s p o n ，上下行分别采用t d m a t d m ( 时分多址接入时分复用技术) 并且分别使用不同的固定波长进行数据传输。随着宽带用户数量的不断提高， t d m 的带宽瓶颈终究将无法满足市场的需求，而w d m p o n 采用波分复用技术， 每个用户独享信息通道，能提供更高的带宽和安全性。可以按照下列几方面具体 分析f 1 5 - 1 r l ： 1 ) 带宽分配：t d m p o n 中的用户共享带宽，单位时间内只能有一个用户进行 通信，其它用户均处于等待状态，当用户数目上升后，在保持传输速率不变的前 提下，每个用户等待的时间延长，相当于带宽减小。在w d m p o n 中，每个用 户使用特定的波长，独享带宽，所以无需带宽分配，当用户数日上升时候，只需 为新的用户分配新的波长，而不影响原有用户的通信带宽，所以在用户相同速率 的前提下，w d m p o n 中的o l t 和o n u 器件工作速率要远远低于t d m p o n 的器件，不仅大大降低了器件的成本，而且为进一步开发提供了设备上的可能。 2 ) 技术需求：基于t d m p o n 技术的e p o n ，g p o n 融合了现有的以太网 技术，发展相对成熟，但是t d m 技术对同步性有严格的要求，器件技术复杂。 w d m p o n 采用波分复用，无需时钟同步，器件无需复杂的控制，但波分复用 器件同样价格昂贵，如何降低成本也是未来的主要问题。此外，t d m p o n 器件 只能匹配相应的传输速率，速率的改变必须更换整个系统的设备和修订新的传输 协议，非常繁琐，w d m p o n 的器件可以匹配不同的传输速率，系统升级无需 改变和更换底层设备，开发性好。 1 0 浙江大学硕十论文 3 ) 功率损耗：在t d m p o n 中，o l t 和o n u 中光器件工作速率较高，光功率 损耗大。随着o n u 数量的增加，光器件工作速率的提升意味着损耗也在进一步 加大。而w d m p o n 用的是高效的波分复用解复用器，工作速率低于同等条件 t d m p o n ，传输损耗和插入损耗远远小于t d m p o n 中的光耦合器件，o n u 数 量的增加不会改变光器件的工作速率，因此具有极高的灵敏度。所以，w d m p o n 较t d m p o n 而言传输距离更远，覆盖面积更大。 4 ) 安全性：在t d m p o n 中，下行信号采用广播方式，所有的o n u 工作在相 同的波长下，这就意味无论是不是需要，每个o n u 都能收到来自c o 的下行数 据，信息很容易被窃听，保密性存在隐患，所以t d m 传输必须采用加密。在 w d m p o n 中，o n u 工作波长不相同，发送给指定的o n u 中的下行数据在路 径上无法到达其他o n u ，有效的保障了信息的安全【1 5 7 1 。 由于用户对带宽的需求不断提高，w d m 正从网络核心向接入网迈进， w d m p o n 在带宽，功率损耗，开发性，安全性等多方面上具有优势，是接入 网发展的重要的方向。目前，w d m p o n 是研究的一个热点，围扰着如何降低 成本、提高带宽和传输速率以及从t d m p o n 到w d m p o n 的升级等问题展开。 w d m p o n 在底层设备和协议等方面比传统的t d m p o n 有明显优势，但 w d m p o n 最大的缺点在于系统造价昂贵。前几种系统( p 2 p ，e p o n ，g p o n ) 都 不需要太多的光器件，虽然近几年来光器件的价格下滑的很厉害，但是光器件 的价格仍然停留在一个比较昂贵的水平。w d m p o n 系统需要数目众多的光器 件，部分光器件的尚处于发展初期，初期建设投资大，回报低，这对很多电信运 营商来说是很难接受的。但是从长远来看，一方面w d m 、d w d m 技术在骨干 网及城域网中已经得到了广泛的应用，w d m 器件相关的技术也在不断完善， 建设w d m p o n 的成本有望降低；另一方面，用户的带宽需求在逐年攀升，引 入光接入网和w d m 技术也是必然的趋势，w d m 技术将成为宽带接入最理想的 解决方梨1 1 】。 w d m - p o n 又有两种技术方向：固定分配波长方式和动态分配波长方式， 动态分配波长方式技术难度更大，涉及的关键技术包括多波长光源、波分复用器、 w d m 接收机、波长监控、o n u 光源等【1 8 】。 浙江大学硕士论文 2 3w d m - p o n 系统性能和器件分析 图2 2 所示的是一个w d m p o n 系统下行传输时的器件链路图。发射机中 配置了一系列不同波长的激光光源，每个激光光源设置固定的波长，光发射机中 的调制器将下行信号调制到载波光源上，在光复用器中复用进入一根光纤，在传 输过程中，有三部分放大器( 前置放大器，中继放大器，用户放大器) 对信号进 行放大，以保证用户接收的信号功率。信号传输到用户端后，先通过光解复用器 分离，进入对应波长的接收机中，最终通过接收机中的解调器解调发送到用户手 中。 2 3 1 发射机光源 图2 2w d m p o n 器件链路图 发射机光源最佳选择是激光器，作为波分复用系统的光源，激光器必须具备 下列特点：输出功率高，保证调制信号能够支持长距离传输；谱宽窄，保证各用 户载波的谱宽低于滤波器窗口；稳定性好，波长不飘移。根据产生波长的方式， 光源可以分为四类：单波长光源、多波长光源、波长自由选择光源，共享光源。 单波长光源 单波长光源顾名思义是发出特定的单一波长的光源，这种光源通常谱宽非常 窄，输出功率高，性能优异，适合密集波分复用系统。常用的单波长激光器有： 分布反馈式激光器( d f b ：d i s t r i b u t e df e e db a c k ) 、分布布拉格反射式激光器( d b r ： d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t i o n ) 、垂直腔表面发射激光器( v c s e l ：v e r t i c a lc a v i t y s u r f a c ee m i t i n gl a s e r ) 和可调谐激光器。w d m 系统可以为每个用户配置一个单 1 2 浙江大学硕士论文 波长光源，组成单波长光源阵列，每个光源需要加温控模块来保证波长不飘移。 d f b 激光器：d f b 激光器是目前最具代表性的单模激光器，它内部集成了 分布式布拉格光栅，外加温控模块和波长锁定模块以防止波长飘移，光源的单纵 模特性非常好，线宽仅有兆赫兹数量级，传输距离可达2 0 公里以上，适合应用 在高速率w d m 系统中，但d f b 的价格昂贵，多用户使用会带来成本的大幅提 高【1 9 1 。 v c s e l 激光器：v c s e l 激光器价格较d f b 激光器要低很多，技术实现容 易。8 5 0 n m 和1 3 1 0 r i m 的v c s e l 激光器已经广泛应用在t d m 局域网，1 5 5 0 r i m 的v c s e l 激光器也正在研发的进程中。如果1 5 5 0 n m 的v c s e l 激光器技术上 能达到高速w d m 系统的需求，它将会有助于w d m 网络的早日实现【2 0 1 。 可调激光器：d f b 激光器价格昂贵，对每个用户配置一个d f b 光源会大大 增加系统的成本。可调激光器输出波长可在一定波长范围内变换，输出波长可选 择的单纵模激光，如果一个可调激光器可以满足若干个信道的波长要求，对于速 率要求不高的w d m 系统，我们对可调激光器输出波长进行定时切换，用单个光 源实现多信道的光源时分复用，这样几个信道就可以共用一个光源，有效的降低 系统的成本。可调激光器实现技术主要有：机械控制技术，电流控制技术和温度 控制技术 2 1 - 2 2 】。 多波长光源 单波长光源虽然性能优异，但是器件费用昂贵，对于w d m 系统多波长的特 点，随着用户数目增加网络建设成本急剧增加。同时，大量单波长光源的使用会 使得系统包含大量光器件，复杂度增加，增加了运营的成本。为此，人们针对 w d m 系统多波长的需求开发了多波长光源。一个多波长光源就可以同时对多个 w d m 信道进行调谐，而且易于集成。常用多波长光源有一下几类：多频激光器 ( m f l ) ，增益耦合d f b 激光器阵列，啁啾脉冲w d m 激光器。 多频激光器( m f l ) 将阵列波导光栅( a w g ) 和光放大器阵列结合起来，a w g 中的每路通道对应相应波长的光放大器。光放大器和a w g 输出端组成一个光学 腔，光子在中间来回运动不断吸收能量直至释放。m f l 产生的激光波长间隔可 以通过a w g 来精确调节，此外每路激光器还可以单独调节，是非常理想的o l t 光源，但是调制速率受到光学腔长的限制。目前1 6 信道间隔2 0 0 g h z 和2 0 信道 间隔4 0 0 g h z 的m f l 已经实现，调制速率6 2 2 m b s r l 。 浙江大学硕士论文 另一种实现多个波长光源集成的方式就是增益耦合d f b 激光器阵列。在 d f b 激光阵列中加入增益耦合模块和温控模块，可以很好的实现波长监控。d f b 激光器阵列具有调制速率高等优点，但输出波长会随着光纤折射率变化而改变， 适用于信道较少的w d m 系统【7 1 。 啁啾脉冲w d m 激光器使用超短脉冲激光器，经过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，波长偏移和传输时间成正比，所以时域上 波长是一个渐变的过程。此时用a w g 等光复用器将波长分离，就可以得到时域 不同的多路w d m 光源【12 1 。 自由波长选择光源 自由选择波长光源的波长由外部因素决定，如窄带滤波器或注入信号，光源 本身只提供宽带光源。它的技术优点在于波长变换简单，灵活性强，技术难点在 于如何准确的锁定波长。自由选择波长光源可分为频谱切割激光器和注入锁频激 光器两种。 频谱切割是采用宽带光源，如l e d ，e d f a ，f p l d 等，通过窄带滤波器滤波， 产生线宽很窄的特定波长的光束，等同于一路w d m 光源。它的优势在于结构简 单，宽带光源价格便宜，系统容易实现。但是输出光功率很小，需要加光放大器 来补偿功率，此外调制速率也容易受到宽带光源本身各种噪声( 模式噪声，内噪 声，热噪声等等) 的影响【2 3 1 。 注入锁模激光器原理如下- 多模激光器和宽带光源在谱域上有很大的不同， 前者是由一系列纵模组成，谱域上类似梳状函数，当一个纵模注入到多模激光器 中时，会在注入的波长上产生反馈光信号，特别的是，如果注入的纵模和多模激 光器本身的某一模式重叠时，会产生很强的反馈信号，同时其他模式被抑制。只 要控制注入光的功率和调制系数，就可以得到理想的单波长光源。有实验表明， 注入锁模激光器性能较光谱切割激光器更优越。 共享光源 共享光源是一种新颖的设计方案，它的设计思想是不在o n u 单独设置光源， 而是利用相关技术从下行信号中分离出上行调制的载波光。这种设计一方面是为 了消除o n u 光源器件带来的噪声误差，另一方面可以降低w d m 系统的成本。 使用共享光源的w d m 系统所有光源都来自o l t ，下行传输信号中包含了下行 的调制信号和上行调制载波光，被一并传输到o n u 接收端。当上下行调制波长 1 4 浙江人学硕十论文 不固定时，我们称之为无色o n u ( c o l o r l e s so n u ) ，它对波长是透明的，使用非 常方便。目前共享型o n u 通常使用两种调制器：外部调制器和半导体光放大器 ( s o a ) 【2 4 】。 共享光源消除了o n u 光源器件的串扰，节省了w d m 系统的成本，但对共 享光源也提出了更高的要求，o l t 光源功率必须支持上下行两路传输，o n u 处 理能力和接收机