（通信与信息系统专业论文）基于fpld的wdmpon无色化技术研究.pdf

中文摘要 w d m p o n 是一种很有潜力的宽带接入网，但降低成本是w d m p o n 走出 商业化困境的唯一途径。利用低成本的器件、简化的拓扑结构和采用无色化设计 是降低成本的有效技术途径。 文中分析了w d m p o n 的结构与成本的关系，最终选择了拓扑结构为双星 形结构、通道分配方案为单纤双向同波长的w d m p o n 为研究目标。 无色化技术是最有可能大幅降低、d m p o n 成本的技术。文中从本质上归 纳和分析了各种无色化方案所采取的技术，同时讨论了它们的成本问题。随后， 研究了影响无色化效果的无色光源及其调制技术，分析了低成本的无色光源及其 调制技术所带来的系统性能效益。 文中经过理论分析，得出了f p l d 注入锁定输出光的相干性取决于注入光 的相干性的理论，填补了原有注入锁定理论中关于非相干光注入锁定的理论空 白。通过不同线宽的光源的注入锁定实验，证明了该理论的正确性。 基于f p l d 的无色化方案是目前成本最低的无色化方案。本文采用了具有 最大成本优势的基于f p l d 的数据擦除式无色化方案，并在此基础上提出了基 于注入f p l d 非线性效应的数据擦除式无色化理论解释。通过无色化实验，证 明了本文所提出的基于注入f p l d 非线性效应的数据擦除式无色化理论解释的 正确性，在注入光消光比大于1 0d b 的情况下仍然实现了注入数据光的良好擦 除，远高于目前国际上报道的3 4d b 的注入光消光比的指标，对基于f p l d 的无色化技术具有重要意义。 关键词：w d m p o n 、f p l d 、无色化、成本、注入锁定、非线性效应、线宽 a b s t r a c t w d m p o ni s0 北0 ft h em o s tp o t e m i a lb r o a d b 姐da c c e 8 sn 哪0 r l ( s ，b u tt l l e0 n l y w a yf o rw d m - p o n t og e ta w a y 舶mt h ed i s 觚i v 肌t a g e o u ss i t u a t i o no fu n s u c c e s s m l c o n m l e r c i a l i z a t i o ni st 0n 翊u c ei t sc o s t s i ti s 锄e f f & t i v em e t h o dt o 刚u c et h ec o s t w i 也l o w c o s te l 锄衄t s ，s i l n p l i f i c dt o p o l o g i c a ls 饥l c t u 陀锄dc o l o r l e s sd e s i g n t h er e l a t i o 璐h i pb e 觚e 髓也es 仃u c t u r e 锄d 也ec o s to fw d m - p o n w 豁觚a l y z c d ， a n df j m a l l yt h er e s e a r c h 嘲e tw 弱f o c u s c do n 也ew d m - p o nw i t ht o p o l o 百c a l 酏n l c t u 阳o fd o u b l e - s t 缸a n dw i t l l p a t h s d i s t r i b u t e ds c h e m eo fb i d 砌i o n a l 仇n s m i s s i o no no n ew a v e l 锄g 也i l ls i n g l e 肋既 t h em o s tp o s s i b l et e c h n o l o g yt 0g r c a t l y 托d u c et 1 1 ec o s t so fw d m - p o ni s c 0 l o d e s st e c h n o l o g y t 托h n o l o 昏e so fc o l o r l e s ss c h 锄e sw e r ei 1 1 d u c e da n da n a l y z e d 蛐s i c a l l y ，锄dc 0 s t so fm et e c h n o l o g i e sw e 他d i s c u s s e da tt l l es 眦e 缸e a n dt l l 吼， 印l o r l e s sl i g h ts o u r c e sa n dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，w h i c hh a di n n u e n c eo nt 1 1 ee 行i e c t o fc o l o r l e 鼹，w e 心r e s e a r c h e d b e n e f i t so fs y s t e m a t i cp e r f b m 锄c el e db yl o wc o s t c o l o d e s s1 i g h t u r c 懿姐dm o d u l a t i o nt c c h n o l o g 斌w e 托髓a 1 ) ，z e d t h et l l e 0 巧t h a tm ec o h e i i 朗tp r o p e r c ) ro ft 1 1 e0 u t p u to f 画6 0 n l o c k e df p - l di s d e t e n n i n e db yt h e 画e c 硼l i g h tw 鹤p r o p o s e di nt h j sp a p 锄dt h e 也e o r e t i c a l v a c 舳c yo ft l l eo r i g i n a l 坷e c 6 0 n - l o c k 酣m 巧a _ b o u t 狮e c t i o n - l o c k e db yi l l c o h 嗍t l i g h tw 弱f i l l c d t l h et h c 0 巧w 船p r 0 v e dt 1 1 r o u g h 硒e c t i o n l o c k e de x p e r i t n e n t sw i m 岫c c 伽l i g h t so fd i 腩啪tl i n e w i d t l l c o l o r l e s ss c h e m 骼b 缎e0 nf p - l da 托o fm e1 0 w e s tc o s t 锄o n ga l lt h ec o l o r l e s s h 锄髓t h ec o l o r l e s ss c h 锄eo fd a 协e 瑚e db 嬲e do nf p l di sm o s ta d v 绷g c o u s i nc o s t s ，觚do nt 1 1 es c h 锄ean e w m c o r 瓯i c a l 麟p l a i l l a t i o nw 嬲p r o p o s e d ，w l l i c hi j s c o l o r l 姻sb yd a 妇- e r 鹪e db 觞e do nn o n l i n e 盯e f 】t si i l 侧e c t c df p - l d t h e e x p l a i n a t i o nw a sp r o v e d t ob ec 0 1 1 f e c tb yc o l o r l e s se x l ) 池铋t s e x c e l l e n t l y d a t a e r a s c dt 0i i 巧e c t 酣i i g h tw 鹤a c h i e v c da tt 1 1 ee x t i n c t 阳t i oe v e n 掣r c a tt h a nl0d b ， m u c hg r e 叭t h 趾t h a to f3 4d br c p o r t e dp r e v i o u s l y t h en e w e ) 【p l a i n a t i o ni so fg r e a t s i g n i f i c 锄c et 0t h ec 0 l o r l e s st c c h n o l o g i e sb 嬲e do nf p - l d k e yw o r d s ：w d m - p o n ，f p - l d ，c o l o r l e s s ，c o s t s ，i n j e c t i o n - l o c k e d n o i l l i n e 盯 e 妇陀c t ，l i n e w i d t h 第一章绪论 1 1 通信网络的普及 第一章绪论 教父母上网，让亲情再无距离。2 0 1 0 年春节，国内搜索引擎巨头百度公司 打出了这样的宣传广告，如图1 1 。 百度的宣传广告自有其商业目的。暂搁置其创意和效应不谈，去表及里，这 则广告背后悄无声息地所折射出的却是通信网络的迅猛发展，日新月异。 通信技术的革新推动着通信网络的发展和普及，尤其是2 0 世纪后半叶其速 度更为惊人。相对于模拟通信，性能更强的数字通信占据了通信的主流。计算机 及计算机网络的诞生，逐渐形成电信网、有线电视网和计算机网三大类型的通信 网络，分别对应语音、图像和数据三种主要的通信业务。多种类型通信业务的出 现，需要大量的带宽支持，因而促成传输媒质由铜缆和微波向更大带宽的光纤发 展。1 9 8 8 年至1 9 9 8 年，历时十年，耗资7 0 亿人民币，建成国内“八横八纵” 大容量光纤通信骨干网络，保证大容量通信的需求。人类社会的信息化使人们更 容易也更加需要获取信息，宽带通信网络可为人们提供更为畅通的信息传播和沟 通渠道，它正在逐渐进入人们生活的方方面面。 1 2 接入网的地位 按照地理分布划分，通信网由三部分组成：核心网( c n ：c o 陀n e 铆o r k ) 、 接入网( a n ：a c c e s s n e 似o r k ) 及用户驻地网( c p n ：c u s t o m e r p 崩n i s e s n e 射o r k ) ， 如图l - 2 所示。核心网包括为人所熟知的长途网和中继网，其中长途网是指电信 网的长途端局以上部分，中继网是指长途端局与市话局之间以及市话局之间的部 分，它们均属于电信运营商所有。用户驻地网由用户的各种终端设备组成，例如 电视、电话、计算机及其局域网等，属于用户所有。 第一章绪论 s n i i 图1 2 通信网的基本组成 u 】m ：u s 盯n e “协r k i n t e 嘞c c ，用户网络接口 s n i ：s e r v i c en o d ei n t c r f a ，业务节点接口 依据国际电信联盟( i t u t ) g 9 0 2 的定义，接入网是由业务节点接口( s n i ) 和用户网络接口( 切m ) 之间的一系列传送实体组成，是一个为电信业务提供所 需传送承载能力的实施系统，并可经由管理接口( q 3 ) 配置和管理。 接入网是通信网中连接用户驻地网和核心网的部分，简单地讲就是用户入网 的途径，与用户所享受的网络服务质量有最为直接关系的部分。接入网也属于电 信运营商所有，资产比重约占通信网总资产的5 0 7 0 ，其分量和重要性决不 低于核心网。身处核心网和用户端之间的接入网部分显得极为重要，它是通信网 实现宽带化的瓶颈，也是电信运营商能否盈利的关键。核心网作为前期投资，早 已在大范围内铺就，耗费巨资，例如我国的“八横八纵”大容量光纤通信骨干 网络。核心网是宽带的，用户的需求也是宽带的，如果入网途径无法支持宽带， 那么用户的宽带需求则无法满足，同时将造成核心网带宽的大量空闲，是电信运 营商最不愿意看到的。因此，接入网的研究和开发现已成为通信业界的热点之一。 1 3 宽带接入网的w d h 洲解决方案 1 3 1 宽带接入网的发展现状 1 国际宽带接入网的发展现状 截至2 0 0 9 年3 月份公布的数据，全球宽带用户总数4 2 9 亿，其中占据全球 宽带市场主导地位的仍然是数字用户线( d s l ) ，比重为“6 ：电缆调制解调 器( c a b l em 0 d e m ) 拥有2 0 7 的用户：宽带光接入( f t t x ) 用户总数达到5 3 4 0 万，比重是1 2 4 。其中f 1 丌x 用户增长率最高，为5 6 9 ，x d s l 、c a b l em 0 d e m 的增长率分别为3 7 、3 8 。 当前光纤宽带接入部署进度的总体特点是“日韩激进、北美积极、欧洲起步”， 2 第一章绪论 其中韩国的光纤入户普及率最高，为4 4 ，大幅领先于世界其他国家和地区，香 港、日本和台湾分别以2 8 、2 7 和1 2 紧随其后。从建设模式来看，日本采取 的方案以一步到位的f t t h ( 光纤到户) 为主，辅以f t t b c ( 光纤到楼路边) ， 而北美则注重兼容和过渡，f t t h 和f t t b c 共存。美日的技术取向互不相同， 日本和韩国以e p o n 为主，而北美和欧洲以g p o n 为主。 2 国内宽带接入网的发展现状 据中国互联网络信息中心( c n n i c ) 2 0 1 0 年1 月1 5 日发布的第2 5 次中 国互联网络发展统计报告，截至2 0 0 9 年1 2 月3 1 日，我国网民规模达到3 8 4 亿人，互联网普及率进一步上升，达到2 8 9 ，其中使用宽带有线接入的网民达 到3 4 6 亿人，共计1 0 2 0 5 5 万户，占整体网民的9 0 1 ，占总人口的2 6 。中国 宽带接入用户规模庞大居世界第一，家庭普及率略高于世界平均水平。然而与发 达国家相比还有不小的差距，例如世界前1 0 位的国家和地区的平均水平为8 6 左右，而中国还不到8 。 从可提供的带宽来看，虽然国内的宽带普及率较高，但是接入速率却远远低 于宽带网络发达国家。目前我国宽带接入网可提供的带宽平均约4 m b i t s ，实际 使用不到l m b i 讹，与韩国和日本的5 0 m b i 低相去甚远。 从宽带接入技术来看，如s l 仍是市场的主流，拥有用户8 3 1 5 1 万户，占宽 带总用户数的8 1 5 。由于国内电信运营商大力推动接入网光纤化战略，采用无 源光网络( 】p o n ) 技术的光接入网进入规模发展期，光纤下移的步伐加快，接入 带宽增加，覆盖范围增广，市场前景良好。 1 3 2 宽带接入技术的分类 宽带接入技术通常按照所用接入媒质的类型进行归类。以金属线缆为传输媒 质的金属线缆接入技术和以光纤为传输媒质的光纤接入技术属有线通信的范畴， 是有线接入技术的主要内容：另一类接入技术则是以电磁波为信息载体的无线接 入技术。 1 金属线缆接入技术 目前主流的金属线缆接入技术包括数字用户线( d s l ：d i g i t a ls u b s c m 盯 l i i l e ) 技术和电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 技术。这些宽带接入技术充分利 用了早期架设的金属线缆网络，原有网络的结构基本保持不变，稍加变更即可改 造成为宽带接入网，投资少、见效快，深受电信运营商和广大用户的青睐。a d s l 正是凭借自身的优势，迅速占领宽带接入市场，一举成为多数用户宽带接入的首 选。几种金属线缆宽带接入技术的带宽和无中继传输距离如表1 1 所示。 第一章绪论 表1 1几种宽带接入技术的带宽和传输距离 下行速率上行速率 每用户典望薄率 无中继传输距离 接入类型 m b i t sm b i t sn f b i t s u s e rk m a d s l1 5 90 0 1 6 0 6 423 5 v d s l1 3 5 21 5 2 32 0l c a b l em o d e m1 0 3 00 7 3 020 5 2 光纤接入技术 可用传输带宽大是光纤通信与生俱来的优势，就可提供的总带宽而言，目前 尚无其它任何通信方式可与之匹敌。因此，光纤接入网是固网宽带接入发展的必 然选择。此外，光纤损耗小、无中继传输距离远、抗电磁干扰强等优点简化了接 入网的汇聚层次结构且大大提高了光纤接入的适应能力，种种因素加快了光纤向 用户靠近的步伐。 光接入网( o a n ：叫i c a la c c e s sn e 附o r k ) 是采用光纤传输技术的接入网， 泛指本地交换机模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。光接 入网进一步可分有源光网络( a o n ：a c t i v eo p t i c a ln 咖o r k ) 和无源光网络( p o n ： p a s s i v eo p t i c a ln 咖o r k ) ，二者的主要区别在于分路方式不同。 a o n 的分路方式为电复用解复用，其核心技术是s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e 础r c h y ) 。虽然s d h 技术已经很成熟，并且广泛地应用于组建核心网，但是 s d h 应用于接入网却远不如核心网成熟，其根源在于s d h 是一套专为核心网所 设计的传输体制，s d h 完备的传输体系对于接入网而言显得过于复杂，成本高 昂不切实用。 p o n 采用无源光器件进行分路合路。根据无源光器件的类别，p ( ) n 可分为 两大类：功率分配型p o n ( p s p o n ：p o w e r - s p l i t t i n gp o n ) 和波分复用型p o n ( w a v e l g m d i v i s i o n m u l 邱l e x e dp o n ，w d m p o n ) 。p s p o n 采用光耦合器作 为分路合路器，分路比主要取决于发射机功率与接收机灵敏度，典型的代表是 e p o n ( e 也锄e tp o n ) 和g p o n ( g i g a b i tp o n ) ；w d m p o n 采用波分复用器 ( w d m ：w 撕e l g 也d i v i s i o nm u l 邱l e x 盯) 或其它具有波长复用解复用功能的 光无源器件如阵列波导光栅( a w g ：姗e dw a v e g u i d eg r a t 迦) 作为分路合路 器，分路比主要取决于波段内的波长间隔，也称作波长路由型p c n 。为了简便， 有些研究人员将w d m p c ) n 简称为w p o n ，在本文使用全称w d m p c i n 。与 a o n 相比较，p o n 的优势在于网络结构简单，运营维护管理方便，网络建设成 本低，是目前宽带光接入网的研究热点和重点，因此通信业界内讨论宽带光接入 网时通常是指p o n 。 光接入网有多种应用形式，其中主要的三种形式为盯m ( f i b e r 幻t h eh o m e ： 光纤到户) 、m c ( f i b 盯l om e q 曲：光纤到路边) 及f 丌b ( f i b e r t 0 也eb u i l d 她： 4 第一章绪论 光纤到大楼) ，通常将之统称为f t t x ，以“x ”代表光接入网的各种应用形式。 f t t h 是固网宽带接入网发展的终极目标，但较高的成本使得f t t h 的普及还需 假以时日。 3 无线接入技术 无线接入网是以无线电技术为传输手段代替接入网的部分或全部线路，连接 端局至用户的通信网络。无线宽带接入成本低廉、受地理环境约束小、移动性强， 将成为光纤接入的重要补充。 1 3 3 宽带接入网的帅l 卜p 洲解决方案 p o n 作为不远的将来固网宽带接入网的必然选择，受到世界各国电信运营 商、通信设备制造商和通信研究人员的广泛关注。1 9 8 8 年英国电信研究人员j r s t 锄等人发表了名为“t p o n 一ap 嬲s i v eo p t i c a ln 咖o r kf o rt e l e p h o n e ”的论 文，这是可查找到的关于p o n 技术的最早文献资料。进入2 0 世纪9 0 年代以来， p o n 技术不断地改进创新，逐渐形成e p o n 、g p o n 和w d m p o n 三个系列的 p o n 技术。 e p o n 标准由m e e8 0 2 工作组制定，其规范可参考i e e e8 0 2 3a h 标准。经 过几年的发展，到目前为止，e p o n 已经基本成熟，其最大特点是协议简单。尽 管还有少许的不完善之处，但商用e p o n 系统早已出现，在日本和韩国普及率 很高，我国也有少量的商用e p o n 系统部署。 g p o n 的标准化可谓是万众瞩目，先后受到全业务接入网( f s a n ：f u l l s e n ，i c e 肖心c e s sn 咖o r k ) 组织的提倡、传统电信运营商的推动、i t u t 的批准， 相关规范可参考g 9 8 4 建议书。g p o n 号称具有最完善的体系结构，可提供更大 且可变的上下行带宽，支持全业务接入，覆盖范围更广等优点。不过g p o n 相 对较高的成本却很少被g p o n 的拥趸们所提及。欧美国家更倾向于采用g p o n ， 而我国则在e p o n 和g p o n 之间持观望态度。 至于w d m p o n ，虽然它与e p o n 、g p o n 大致都是同一时期提出的p o n 技术，甚至比e p o n 、g p o n 的提出还要早几年，而且上世纪9 0 年代有过不少 关于w d m p o i n 的研究，但是e p o n 和g p o n 早已在宽带接入市场摩拳擦掌， 而、粕m p o n 却迟迟无法打开市场商用的局面，其根本原因如下分析： 就性能来说，g p o n 所拥有的优点w d m p o n 基本都能做到，并且能够做 得更好；尽管e p o n 的网络协议简单，但是w d m p o n 的网络协议更为简单； 此外，、d m p o n 还具有不少独到的优势，这些优势是e p o n 和g p o n 难以达 到甚至是根本无法达到的，例如更大的带宽、用户信息的私密性、网络升级的平 滑性等。具备如此多优点的w d m p o n ，如若仅从性能方面考虑，它可以算是 5 第一章绪论 最完美的f t t x 解决方案了。一旦w d m p o n 走出实验室，将之付诸商用，很 快便会发现它的运营安装费用高昂，只有少数高端用户能够接受，大众用户不愿 意接受高昂的费用。没有用户需求，商用计划便无法推广，w d m p o n 就没有 生存空间。归根到底，过高的成本是阻碍w d m p o n 商用的根本原因，降低成 本是打开市场商用局面的关键。 w d m p o n 迫切需要解决的问题是如何降低居高不下的成本，那么降低到什 么样的水平才能为广大用户所接受? 当光纤开始应用于接入网时，一个称为“铜 线对等”的原则被用于成本的估算，铜线对等是指含有光纤段的接入网的成本应 该不高于铜线接入网的成本。后来有人把铜线对等原则应用到p o n ，其含义稍有 变化，更倾向于表达p o n 的性价比相对于铜线接入网所达到的水平，是电信运营 商部署p o n 时所必须考虑的一个原则。现以2 0 0 9 年第四季度国内的经济水平为 参考，比较国内几种宽带接入方式的成本，如表1 2 所示。e p o n 最接近于铜线 对等，g p o n 的成本较e p o n 至少高出一倍，与铜线对等相差较大。w d m p o n 的设备成本高昂，估计高达g p o n 的数倍，与铜线对等相去甚远，难以为大众用 户接受。 表l 一2几种宽带接入方式的成本分析 典型带宽 无中继传 初装成本用户设备成本用户平均成本用 运营 接入f 甩户 输距离 ( i 蝴b u 圈盯)( r m b 璐盯)户( r m b 腑) 维护 类型 ( m b i t s ( i m )成本 u s e r ) a d s l23 5 无 2 0 0 v i ；一入。| v 和 一 ： 屯 图3 2 反射式无色化示意图 r s o a ：r e n 矗v cs 钮l i c o n d u c “) ro p d c a la m p l i 6 盯，反射式半导体光放大器 下行 数据 上行 数据 图3 2 是目前最受关注的反射式o n u 方案，该类方案的特征是以r s o a 为核 心器件实现反射并且同时完成上行调制。r s o a 也是一种半导体光放大器 第三章无色化技术研究 ( s o a ) ，它的有源层材料与s o a 相同，均是g a i l 认s p i n p 掺杂的半导体材料。 r s o a 与s o a 的主要区别在于它们的物理结构上。有源层由于制作工艺的原因， 呈扁平的长条状，如图3 3 中灰色区域所示，前后两个端面是晶体材料的天然 图3 3 有源层形状示意圈 i 甲 l 图3 4s o a 光放大示意图 解理面，存在一定的反射率，形成腔结构，如图3 4 所示。根据端面的反射率及 工作电流偏置情况，s o a 可分为f p s o a ( f a b 哕p e r o ts o a ，法布里珀罗腔半导 体光放大器) 和t w 二s o a ( 1 h v e l i n g w 打es o a ，行波腔半导体光放大器) 。最早 的s o a 是f p s o a ，因端面反射率r l 、恐较高，构成f p 腔，所以f p s o a 的放大 带宽是周期性重复的窄通带，如图3 5 所示。为了增加光放大的带宽， ( a ) f - p 腔结构 e i f l f 2 墨r f l 互p - 3 ，工s ， ； 图3 5f p s o a 的放大通带 | 、l t k ( b ) 周期性重复的通带 t w 二s o a 出现了。t w 二s o a 采用倾斜条形有源区或弯曲有源波导等方法处理有 源区的两个端面，尽可能避免光在有源区的多次反射，消除f p 腔结构，从而拓 宽了光放大器的带宽。r s o a 则是介于f p s o a 和t w 二s o a 之间的一种s o a ， 一方面，它保留了f p 腔的一个端面的反射特性，而降低另一个端面的反射，大 部分的入射光将从原路返回：另一方面，r s 0 a 具备较好的行波特性，放大带宽 第三章无色化技术研究 较大，可对较大光谱范围内的入射光进行放大。r s o a 可同时完成对上行信号的 调制和放大，一个器件同时具备光调制器和光放大器的功能，具有大幅降低o n u 成本的潜力，因此采用r s o a 的无色o m ，是富有竞争力的无色化方案之一。 根据入u 和入d 的关系，反射式o mt 又有若干种可选方案。如果入u 和入d 相同， 即上行下行为同一波长【1 】制，那么图3 2 中的o b d 可用无源的光耦合器，种子 光携带有下行数据，上行下行光信号通常采用不同的调制技术。如果入u 和入d 不同，即上下行为不同波长【5 1 ，那么图3 2 中o b d 是一个波长路由器件，它将入 u 从下行光中分离出来送给r s o a ，这类方案的种子光通常是未调制的光载波，上 行下行光信号采用的调制技术可以相同也可以不同。调制有上行数据的光信号 入u 可沿原路传送至o l t ，是单纤接入：也可由另一根光纤传送至0 l t ，属于双纤 接入，主要目的是消除反射和后向散射的影响【6 】【7 】，改善上行信号的质量。 2 ) 环回式 环回式o m7 与反射式o m ，颇有相似之处。所不同的是，反射式o n u 的上行 光信号通过直接调制r s o a 得到，是内调制，如图3 2 所示；而环回式0 n u 的无 色化过程是，种子光入u 从下行方向传输光入d + 入u 中分得后，进入一个光调制器 并受到上行数据的调制，最后将受调制的上行光信号传送至o l t ，是外调制，如 图3 6 所示。 图3 6 环回式无色化示意图 o c ：o p d c a lc i r c l i l a t o r ，光环行器 下行 数据 上行 数据 环回式无色化方案通常会在o m ，引入一个光环行器，如图3 6 中所示，其作 用一是下载种子光同时将己调制的上行光信号耦合至上行链路，二是降低光调制 器前后的反射，使光单向传输，提高调制信号的质量。环回式无色化算得上是最 简单直接的无色化方案，需要调控的o m7 参数少，有利于单一规格o n u 的大量 生产。但是，外调制器的成本一般较高，与p d 单片集成的难度较大，这对环回 式o n u 的实用化是不小的考验。 第三章无色化技术研究 同样，环回式无色化方案的上行下波长入u 和入d 可以相同【8 h 1 4 1 ，也可以不 同15 】【1 6 】；接入链路可以采用单纤接入，也可以采用双纤接入。由于环回式的上 行光信号实际上经历了双倍距离的传输并且在此过程中未经过任何有源光器件 的放大，出于对传输距离和信号质量的考虑，环回式无色化较多地采用如图3 7 所示的双纤接入方梨9 】【1 o 】【1 2 】【13 1 。 入d + 入u 圊? ，刖 入d + 入i 刨号 w d m u 。入。l币u 丽i _ _ _ 一 ： 图3 7 双纤接入的环回式无色化 下行 数据 上行 数据 3 ) 注入锁定式 无色化方案之注入锁定式，通常将下行方向传输光入d + 入u 中分得的一部分 作为种子光，注入自由运行的f p l d ( f a b 眄p e r o tl 嬲e rd i o d e ，法布里珀罗激光 二极管) ，由种子光锁定f p l d 多个纵模当中的一个，锁定后的那个纵模即f p l d 的输出光，其波长与种子光接近，将作为上行光载波用于上行数据的调制，如图 3 8 所示。 o d n o n u ，1 “” l 叫 w d h l d + h - ，o 、7 入i | n m k 、1 肿加i 图3 8 注入锁定式无色化示意图 下行 数据 上行 数据 关于注入锁定及f p l d ，后续章节将有详细论述，此处暂不讨论。注入锁定 式无色化的核心光器件是具备多纵模工作能力的激光振荡器。最为常见的是 f p l d ，如图3 8 中所示。前面介绍过的f p s o a ，见图3 3 至图3 - 5 ，其结构和 工作原理与f p l d 基本相同，所以f p s o a 也可应用于注入锁定式无色化。f p l d 是最早出现的半导体激光器，大多数常见的有源半导体光器件都是由f p l d 改进 2 7 第三章无色化技术研究 发展而来，例如s o a 、d f b l d ( d i 鲥b u t c df e o d b a c kl 嬲e rd i o d e ，分布反馈激 光器) 等。作为基本的有源半导体光器件，f p l d 制作工艺成熟，生产成本低廉， 其造价还不及r s o a 、外调制器的十分之一，因此，基于f p l d 的无色化方案是 当前最具竞争力的低成本w d m p o n 解决方案。 图3 8 中f p l d 所完成的功能主要包括三个方面。第一，根据种子光生成上 行光信号；第二，调制上行数据；第三，放大上行光信号。从功能上来讲，f p l d 所实现的功能与前述的r s o a 大致相同，但是实现过程的机理却有很大的不同， 详见后续章节。在有的方案中，f p l d 仅用于完成第一和第三个功能，调制功能 另由一个外调制器单独完成，如图3 9 所示。虽然图3 9 有利于上行光信号获得 更好的质量，从而降低系统其余部件的要求或者延长接入距离，但是缺点与环回 式无色化相同，外调制器的成本问题无法避免。 图3 - 9 外调制的注入锁定式无色化 ： 下行 数据 上行 数据 当上行波长和下行波长入。和入d 互不相同时【1 7 】【1 8 】，下行方向传输的入u 通常 是无调制的光载波，入u 专为上行光载波的生成而由o l t 发送。若上行波长和下 行波长入u 和入d 相同时，可有两种选择：其一，上行光信号入u 采用强度调制 ( i n t e l l s 蛔m o d u l a t i o n ) ，而下行光信号入d 其它调制方式【1 9 1 ，如f s k 、p s k 等；其 二，上下行光信号皆采用相同的调制方式，这就是下面将要讨论的数据擦除式 无色化方案。关于接入链路的选择，注入锁定式无色化较多采用单纤接入。 4 ) 数据擦除式 前面已经引出无色化方案之数据擦除式。当上行和下行光信号的波长入n 和 入d 相同且采用相同的数据调制格式时，数据擦除便显得很重要。这是因为种子 光调制有o l t 传送给0 n u 的下行数据，如若直接将其作为上行信号的载波，由 于种子光不是纯净的无调制光载波，上行数据将会受到下行数据的严重干扰，以 致于o l t 根本无法识别o m7 发送的上行数据。如果能够将种子光所携带的下行 数据“擦除 ，提取出纯净的或者基本纯净的光载波，那么下行数据对上行数据 的影响可以减小到最小程度，这就是数据擦除式无色化。 第三章无色化技术研究 根据前面数据擦除式的描述，实现数据擦除式无色化有两条基本的技术路线 可选：其一，基于s o a 或r s o a 增益饱和效应的数据擦除，如图3 1 0 所示：其二， 基于注入f p l d 非线性效应的数据擦除，如图3 1 1 所示。强度调制实现简单，应 用广泛，数据擦除式无色化将以强度调制为基础展开讨论。 ( a ) 基于饱和s o a o d no n u r l o l t i w d m 二 念v 夕 入； lj _ - 、， 7 ， 一一、， _ i 入l 一心 ： 、 一 0 一 ( b ) 基于饱和r s o a 图3 1 0 饱和效应数据擦除式无色化 o d n o n u 入 ! d 阳l 习 d h i ；。入| 一闷限l 。l _ _ ： 。 图3 1 l 基于注入f p l d 数据擦除式无色化 下行 数据 上行 数据 下行 数据 上行 数据 下行 数据 上行 数据 s o r s o a 工作在增益饱和区时，对强信号提供的增益较小，而对弱信号提 供的增益较大，对于一串由“o 和“l 数据组成光码流，“0 ”码将获得较大 的增益，“1 码获得的增益很小，因而该调制有一串数据的光信号经过饱和 s o 刖r s o a 后，“0 ”、“l ”光码元之间光强的差别将变得很小，输出光接近于直 流光，所携带的数据信息基本被擦除，如图3 1 2 所示。基于饱和s o a r s o a 的 第三章无色化技术研究 数据擦除式无色化在成本方面也是有一定竞争力的，但该方案为人所诟病之处在 于它要求下行光信号的消光比( e r ：e x 血c t i o nr a d o ) 较小，下行数据的光信号 需要较大的直流分量才能再生为基本纯净的直流光。 增益饱和s o a l 图3 1 2 基于增益饱和效应的数据擦除原理 基于注入f p l d 非线性效应的数据擦除式无色化是本文的研究重点，详见后 续章节，此处进行一些概述。类似的方案曾有人提出过，但是他们将基于f p l d 的数据擦除式无色化解释为f p l d 的注入锁定的结果，并且认为只有在消光比较 小( 3 4d b 以下) 即直流分量较大的情况下才有可能再生为基本纯净的直流光 【2 0 】【2 l 】。其实不然。经本人的深入研究发现，如果将这种数据擦除式无色化解释 为由于注入f p l d 的非线性效应所造成的，不仅在原理上更为合理，而且实验结 果也表明这种解释的合理性，并且可以在较大消光比( 1 0d b 以上) 的情况下再 生为较理想的直流光。 数据擦除式无色化方案中关于接入链路的选择，双纤接入被较多地采用，这 是因为单纤接入对反射和后向散射较为敏感。如果适当增加下行光信号和上行光 信号的频谱宽度，那么反射和后向散射的影响能够控制在可接受水平之下( 详细 分析见第3 2 2 小节) ，单纤接入可以作为数据擦除式无色化方案的接入链路。 2 本地种子光方案 前面较大篇幅地讨论了远端种子光方案，远端种子光方案是目前无色化方案 中的主流。o n u 的种子光来自于远端的o l t ，使得o l t 能够对o m7 的上下行 波长进行集中控制，便于统一管理，并且简化了o n u 的结构和功能，这有利于 进一步降低w d m p o n 的成本。然而，来自于远端的种子光经历了从o l t 到 o n u 下行链路的各种损耗( 主要是分路损耗和光纤损耗) ，并且沿途叠加噪声， 系统的功率预算势必要增加：同时，w d m p o n 是基于、粕m 愚m m a 的光接入 系统，w d m 系统对波长稳定度的要求较高，由于无源光器件受环境温度及器件 老化的影响，w d m 通道将发生一定程度的漂移，对o n u 稳定地无色化工作也 是不小的考验。鉴于远端种子光方案以上的不足之处，有人提出将种子光源下移 到o n u 本地，从而可以避免上述的各种问题，这就是本地种子光方案。 本地种子光方案中o l t 将不再控制o n u 的上行波长，因此由w d m a 区分 3 0 第三章无色化技术研究 不同o n u 的功能就需要o d n 处的w d m 参与才能完成。据此，本地种子光方 案主要包括以下两类： 1 ) 分割调制光源 受调制的宽谱光源( b l s ：b r o a d b a n dl i g h ts o u r c e ) 或多波长光源( m 、s ： m u l t i - w a v e l 锄g t h “g h ts o u r c e ) 输出光信号的波形将根据调制信号的变化而变 化。如果使用滤波器滤出宽谱中的一部分或其中一个波长，这一部分光信号的变 化形式与整体光信号的变化形式基本相同。应用到w d m p o n 分割调制光源无色 化方案中，其o m ，结构如图3 1 3 所示，上行数据调制b l s 或m w l s ，上行光信 号传送至o d n ，与该州相连的a w g 端口其通带窗口起到带通滤波器的作用， 属于该o n u 的上行波长便经由该窗口滤出，与其它o n u 的上行光信号合路后， 最后传送至o l t 。 图3 1 3 本地种子光无色化方案之分割调制光源 下行 数据 上行 数据 尽管该方案克服了远端种子光方案的不足之处，但如此一来就丧失了光源集 中管理的便利性，而且分割光谱所导致的a ：w g 通道之间的干扰以及上行光信号 的功率预算也必须予以考虑。此外，下行信道和上行信道一般分配不同波段的波 长，下行上行信道波段通常为1 5 5 0 1 3 l o n m 。 2 ) o d n 分割宽带光源 上面所介绍的本地种子光无色化方案是基于分割调制有上行数据的b l s 或 m 、s ，而此处介绍的分割宽带光源方案所分割的是无调制的宽带光源b l s 或 肌s ，如图3 一1 4 所示。按照地理分布来讲，一般情况下由于o d n 与o n u 的距 离较为接近，所以有人提出将种子光源置于o d n 处，经由2 n 的a w g 将种子光 分配给各个研盯7 ，如此则种子光的功率损耗大为减小，链路功率预算可以获得 较大的改善。该方案下行信道和上行信道的波长一般分别位于不同的波段，在 o n u 采用c w d m 即可分离不同波长。 第三章无色化技术研究 毳k 。蠢 图3 1 4 本地种子光无色化方案之o d n 分割宽带光源 c w d m ：c o a 璐ew 西v c l 饥g i hd i v i s i o nh 厦u l 卸l 盟盯，粗波分复用器 下行 数据 上行 数据 准确地说，图3 1 4 所示无色化方案仅可称得上是“准本地种子光无色化方 案”，因为种子光并非在o m7 本地产生的，而是在距离o n u 不远处的o d n 处产生 的；此类型的光接入网也并非严格的无源光网络，因为在o d n 处存在有源光器 件b l s 或m 、m ，s ，严格地讲应该称为“波长路由型准无源光网络”。该方案是远 端种子光无色化方案和本地种子光无色化方案的折中考虑。 3 2 无色光源及其调制技术 在上一节，简要讨论和分析了当前主流的无色化方案，并且对本文的无色化 工作重点和工作方向作了一定的介绍。从上一节的讨论和分析中可以看到，无论 采取何种形式的无色化方案，无色光源及其调制技术都占着举足轻重的地位。无 色光源及其调制技术的任何变更，都将对o n u 的无色化提出新的要求。本节将 讨论无色光源及其调制技术，分析它们对o n u 的无色化所起到的决定性作用。 本文曾对无色化技术下过定义，无色化技术是指能够使光收发机可工作在任 一波长的技术。将无色化的概念引申到w d m p o n 的光源部分，无色光源是指 可工作在任一波长的w d m p o n 光源，种子光源即应该是这种无色光源。无色 光源分为相干光源和非相干光源，它们对系统性能有不同程度的影响。理论和实 践都表明，一般情况下，相干光源具有性能上的优势，而非相干光源则具有成本 上的优势。衡量光源的几个特性分别是单色性、方向性及相干性，这几个特性之 间彼此是相互关联的。光源的单色性即其谱线宽度，谱线宽度越小则时间相干性 越好；空间相干性由方向性度量，这与光源的内部结构有关，本文不予讨论。下 面将根据无色化对光源谱线宽度的要求，讨论如何选择性能可靠、价格低廉的无 色光源及其调制技术。 第三章无色化技术研究 3 2 1谱线宽度及测量 1 谱线宽度 谱线宽度又称为线宽( l i n ew i d t h ) ，既可用于描述相干光源，也可用于描述 非相干光源。线宽应用的对象是光