波分复用无源光网络的研究

波分复用无源光网络的研究

1wm-pon接入网技术的发展历程目前的pon技术主要包括apon、epon和epon，它们都是tdm-p。APON承载效率低,在ATM层上适配和提供业务复杂。EPON存在两大致命的缺陷,即带宽利用率低和难以支持以太网之外的业务,特别是承载话音/TDM业务时会引起QoS问题。GPON虽然能克服上述的缺点,但上下行均工作在单一波长,各用户通过时分的方式进行数据传输。这种在单一波长上为每用户分配时间片的机制,既限制了每用户的可用带宽,又大大浪费了光纤自身的可用带宽,不能满足不断出现的宽带网络应用业务的需求。在这种背景下,人们就提出了WDM-PON的技术构想。WDM-PON能克服上面所述的各种PON缺点。近年来,由于WDM器件价格的不断下降,WDM-PON技术本身的不断完善,WDM-PON接入网应用到通信网络中已成为可能。相信,随着时间的推移,把WDM技术引入接入网将是下一代接入网发展的必然趋势。WDM-PON有三种方案:第一种是每个ONU分配一对波长,分别用于上行和下行传输,从而提供了OLT到各ONU固定的虚拟点对点双向连接;第二种是ONU采用可调谐激光器,根据需要为ONU动态分配波长,各ONU能够共享波长,网络具有可重构性;第三种是采用无色ONU(colorlessONU),即ONU与波长无关方案。还有一种是下行使用WDM-PON,上行使用TDM-PON的混合PON。本文将介绍WDM-PON的有关技术问题及其进展。2多波长同时工作的接入网络构成波长固定WDM-PON是一种点对多点(PTM)系统,下行复用采用WDM方式,上行接入采用WDMA技术。它与功率分配PON(PS-PON)的根本区别在于,在ODN中用无源波长路由器取代了无源分路器,从而解除了ONU进行时域或频域解复用的负担。常见的WDM-PON结构如图1所示。它既支持单纤传输,也支持双纤传输。在这种WDM-PON接入网中,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,多个不同波长同时工作,如图1所示。在这种接入网中,每个用户的发送和接收信道分别使用单独的波长,因而不需要定时和网络同步。在TDM-PON中担当光功率分配的PON,在WDM-PON中,已由波长路由器WGR(波分复用/解复用器)替代;在OLT中,为了实现DWDM的功能,采用了能够产生多个波长输出的光发射机和接收机阵列。产生多波长输出的光发射机阵列是一个单片集成器件,DFB或DBR激光器阵列可与功分器集成在一起。另一种发射机阵列是多频激光器,它是在有源InP材料上集成了1×N的WGR、N个独立调制的后向SOA,以及置于输出端的公用SOA。这种器件的频率间距很精确,也不需要使用功分器。但是,这种WDM-PON网络,如果波长数越多,需要的光源种类也越多,需要价格昂贵而且数目众多的光器件,这对ONU尤其突出,初期建设投资非常大,因此,固定光源的解决方案难以应用于商用WDM-PON系统,它的应用要等到集成光学器件成熟并且成本降下来以后才有前景。波长路由器最好采用波导光栅路由器(WGR),也称作阵列波导光栅(AWG)。虽然共享馈线的单纤结构可以通过把DWDM的光谱均分成上行和下行两个部分来实现,但每个ONU需承担分别位于OLT和ONU的两个波长控制光源的成本。双纤波长固定WDM-PON在OLT有N个分立的激光器输出N个不同的波长光,复用后进入馈线光纤,而各ONU的激光器则有唯一的上行波长。3基于波长调谐的wsfdONU波长可调WDM-PON,其下行传输与固定波长方案相同,但上行方案不同,它是根据需要为ONU动态分配波长,各ONU能够波长共享,网络具有可重构性。上行传输时,ONU先使用控制信道向OLT发送传输申请,OLT调度为ONU分配波长和时隙,并在下行帧中通知ONU,ONU收到分配信息后,调谐到分配给的波长上,在给定的时隙发送数据。在这种方案中,ONU需要配置一个用于控制信道的固定发射机和一个用于发送数据的可调波长发射机。其优点是上行波长动态分配,能够支持更多的ONU,提高了波长信道的利用率。图2表示ONU采用波长可调LD的WDM-PON系统结构,为了清晰起见,图中只给出了信号的上行部分。波长可调LD使ONU工作在不同的波长,可调激光器工作在特定波长,但可通过电调谐、温度调谐或机械调谐使其改变波长。如果网络中的分路器只是WDM器件,例如AWG,WDM器件的通道间隔和LD的调谐范围将决定系统可支持的ONU数量。如果在分配节点中采用宽带分路器/合路器,在OLT中心局采用更多波长选择的滤波器,则可以有比较多的接入通道,但是必须考虑可能的功率预算。另外,可调激光器系统比传统PON系统更复杂,价格也较为高昂,因此在目前的WDM-PON系统中一般不采用。4宽谱光栅分割说基于无色ONU的技术方案是WDM-PON系统的主流,根据使用器件的不同,可分为宽谱光源ONU和无光源ONU。图3(a)表示ONU中采用宽谱光源的WDM-PON系统。在这种系统中,ONU内有一个宽谱光源,例如超发光二极管(SLED),它发出的光进入WDM器件(薄膜滤波器或者AWG)的一个端口,该器件对信号进行谱分割,只允许特定波长的光信号通过并传输到位于中心局的OLT。尽管所有ONU都采用同一个光源,但由于它们接在AWGWDM合波器的不同端口上,所以每个ONU分切到的是同一个光源的不同光谱,即每个通道(ONU)得到的是不同的波长信号。宽谱光源可采用SLED、ASE-EDFA和ASE-RSOA(自发辐射反射半导体光放大器)等。图3(b)表示一个双纤的ODN。如果采用普通的定向复用器,在单纤系统上亦能实现频谱分割,例如下行使用1550nm频带的DWDM和上行使用1310nm频带的频谱分割。由于使用相对便宜的LED作为宽谱光源,频谱分割技术非常吸引人。如果波长路由器是一只WGR,它的周期特性可以放宽对光源中心波长的要求。在采用宽谱光源的WDM-PON系统中,宽谱光源发出的光中只有很窄的一部分谱线被用作承载上行信号上,而其他大量的能量都被浪费了。因此,这种光谱分割的损耗非常大,甚至比1/N分路器的损耗还要大,特别是在未完全调准时,路由器和OLT接收机中的波长解复用器会造成联合通带滤波效应。如果系统要达到较高的比特率,传统的LED提供的功率是不够的,所以要采用昂贵的大功率LED或者在ONU使用光放大,使光源提供足够强的光功率。此外,频谱分割会引起较大的线性串扰,限制了系统的动态范围,因为每个ONU光源都覆盖了整个复用/解复用路由器的光谱范围,光串扰将成为光谱分割WDMA方案的一个严重问题。这个问题只有通过采用低串扰的器件、适当选择复用器和解复用器的通带谱宽以及信道间隔、精确校准复用/解复用器的波长并控制ONU光源来均衡OLT接收机的接收功率来解决。或许光谱分割技术更实际的用途在于,通过WDM-PON广播下行信号的能力。5无光照系统的环回wgr另一种方案是在ONU处无光源,系统中所有的ONU共用的宽谱光源置于OLT处,并通过WGR进行光谱分割,然后向每个ONU提供波长互不相同的光信号,而ONU直接对此光信号进行调制,以产生上行信号,如图4(a)所示。根据上行光信号的路径,该方案也叫基于反射的无色ONU。在这种方案中,OLT宽谱光源发出的光经WGR分波后提供给不同的ONU作为上行光源,因此没有光信号的浪费。宽谱光源仍可选用SLED、ASE-EDFA和ASE-RSOA等,被称作种子光源。根据所采用的反射器件的不同,又有多种技术方案。常用的反射调制器有注入锁定的FP-LD、RSOA以及电吸收波导调制器(EAM,ElectroAbsorptionModulator)和M-ZSOA等,它们工作的光谱范围较宽,器件性能与输入光信号的波长基本无关,从而可在所有ONU中使用相同的器件,实现ONU的无色。无光源ONU中作为反射器的调制器,要求价格低廉,工作温度范围宽,不受偏振影响,光带宽大,插入损耗小,噪声低。在ONU接收机的前端分离出部分下行光,用上行数据对其调制,然后环回到上行通道中,如图4(b)所示。这样波长控制和ONU光源都可以省掉。有多种可行的收发一体机环回配置结构,(b)图只是其中的一种。这种方案成功地解决了在ONU进行波长控制的问题,如果调制器的售价与FP激光器相当或更低,这将是一种很吸引人的方案。另外,光环回技术还有一个优点,就是OLT能够分辨出下行光纤断裂和ONU断电的情况,假设调制器被设计成在“开”的位置失效,这种特性可用于维修。还有环回的光功率可以用于下行光源到WGR的波长跟踪。然而,光环回的最大缺点是增加了下行光源的负担,因为现在下行光源不仅要提供足够的功率驱动下行路径传输,而且还要提供足够强的功率驱动上行环回路径传输。其次,光环回需要采用某种时间压缩复用(TCM)机制,把下行光分为下行及上行两部分;或者采用某种叠加调制技术,但这会带来其他的代价;或者提供一个独立的下行波长专门用于上行调制,但这会使波长数目又成倍增加。总而言之,如果在OLT及ONU处没有光放大器的话,在OLT处便不能得到维持较高比特率所必需的功率。这个方案的另一个缺点是上行和下行采用了相同的梳状波,除非OLT的光源是非相干的,否则便要使用不同的上行和下行光纤,以避免由相干瑞利反向散射所带来的不可接收的干扰。图5表示ONU反射光WDM-PON系统,该图中,ONU有一个反射光的调制器,图中除表示出系统的上行结构外,也画出系统的下行结构。6wgr和tdma即使完善地解决了ONU的波长控制问题,但是由于WDM-PON的高损耗及串扰,光环回和光谱分割WDMA技术仍然受到很大的使用限制。克服这些限制的唯一办法就是下行传输采用WDM-PON,上行传输采用功率分配(PS)的TDMA-PON,如图6所示。这种方案称为混合无源光网络(CPON)。WDM/TDM混合无源光网络结合了波分无源光网络和时分无源光网络的优点,非常适合从时分无源光网络到波分无源光网络过渡的部署。这种混合网络实际上在网络容量和实现成本两个方面进行了折衷,既具有TDM-PON中无源光功率分配所带来的优点,又具有WDM-PON波长路由所带来的优点,实现了相对较低的用户成本,并在维持较高用户使用带宽的前提下,增加了网络容量扩展的弹性。图6是一种双纤的结构,下行采用1550nm的DWDM,用AWG波长路由器(WGR)对各个用户波长解复用,然后分别馈送各波长信号到相应的ONU。上行采用1310nm的TDMA,所以OLT接收机要采用突发式光接收机。文献介绍了单片集成WGR、功分器和N+1个CWDM器件的实验样品。文献则介绍了能与CWDM适配的WGR和分路器。如果这个器件能够商用,将会极大地推动CPON成为一种可用的PON结构。也可以采用单纤结构,因为CPON采用专用的下行波长及共享的上行带宽,它特别适用于满足住宅区典型的非对称带宽要求。另外,在下行使用波长路由,不仅解决了PS-PON的私密问题,而且还可以采用波长可选OTDR来远程定位分支光纤的故障状况。在CPON中,波长跟踪被简化了,只有OLT的光源需要调谐,而从远端节点的功率环回则被ONU端的功率监测所取代。一个可能的协议如下:OLT每次发送其中的一个下行波长,直至某个ONU发出一个确认响应,接着OLT改变光源频率直至功率最大。如果OLT没有收到任何信道的响应,OLT会得出信道失谐最大的结论,并把光源波长节点移动半个信道间距,再重新开始整个过程。下面介绍一个WDM/TDMA混合无源光网络,它由反射式半导体光放大器(RSOA)构成无色ONU突发模式发射机,如图7所示。该网络OLT使用1.25Gbit/s商用器件作为突发模式接收机,ONU使用中心波长1550nm、带宽40nm的RSOA作为无色ONU的光发射机。RSOA的最大增益19dB,噪声指数为9dB。RSOA光放大器调制并反射从OLT分布反馈激光器(DFB)发送来的连续光波。在PON的馈线上距OLT20km处使用一个32信道的阵列波导光栅(AWG),用来对OLT的WDM信号解复用,解复用后的单波长信号又经一个1:N分路器分光,送给各个ONU。在上行方向,1:N分路器使用TDMA技术复用N个ONU的突发信号。该AWG的频率间距为0.8nm,插入损耗为4dB。在实验中使用粗波分复用器对上行和下行信号分开。在实验中进行了两种情况演示,一种是N=4(6dB),馈线长50km(10dB),可接用户(ONU)128个;另一种是N=32(15dB),馈线长5km(1dB),可接用户1024个。系统线路功率预算为13~28dB,这与GPON的B类功率预算相同。功率代价包括瑞利后向散射1.5dB,单纤系统20dB,双纤系统22dB,32信道的AWG4dB。这些结果表明,这种由RSOA构成无色ONU的WDM-TDMA混合无源光网络是很有吸引力的候选方案。7wm-pon的特点与TDM-PON相比,WDM-PON系统具有以下的一些优点:第一,W