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波分复用无源光网络核心技术分析

2008-01-30 10:09
Minor昔年
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       随着互联网的持续快速发展,各种新业务层出不穷,使得人们对网络接入带宽的需求持续增加,特别是网络游戏、会议电视、视频点播等业务,使传统的接入方式不能满足带宽的需求。据相关数据分析,未来3年,用户的平均带宽需求将超过10M。与其它有线、无线接入技术相比,光纤接入在带宽容量和覆盖距离方面具有很大的优势。随着低成本PON技术的出现和迅速成熟,以及光纤光缆成本的快速下降,运营商接入网络光纤化的想法将逐步得以实现。

       目前,无源光网络(PON)是解决接入网“最后一公里”、实现FTTX的最具吸引力的技术。“无源”是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源,全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成。因此,其管理维护的成本较低,这是PON在接入网发展中最具优势的一面。

       PON按信号分配方式可以分为功率分割型无源光网络(PSPON)和波分复用型无源光网络(WDMPON)。目前,APON、BPON、EPON、GPON均属于PSPON。PSPON采用星型耦合器分路,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。WDMPON则是将波分复用技术运用在PON中,光分路器通过识别OLT发出各种波长,将信号分配到各路ONU。

       虽然PSPON较为成熟,特加是EPON、GPON在北美、日本已经有较大规模的部署,但PSPON仍然存在关键问题需要解决,比如快速比特同步、动态带宽分配、基线漂移、ONU的测距与延时补偿、突发模式光收发模块的设计等。虽然一些问题得到了解决,但成本较高。而基于波分复用技术的WDMPON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,能够提供较宽的工作带宽,可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时,还可以避免时分多址技术中ONU的测距、快速比特同步等诸多技术难点,并且在网络管理以及系统升级性能方面具有明显优势。随着技术的进步,波分复用光器件的成本尤其是无源光器件的成本大幅度下降,质优价廉的WDM器件不断出现,WDMPON技术将成为PON接入网一个可以预见的发展趋势。下面,对WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技术问题逐一进行分析。

       OLT光源的选择

       目前,有多种方法构造多波长光源。第一种方法是选择一组波长接近的、离散的、可调谐的DFB激光器(DFB激光器数组),利用温度调谐产生多波长的下行信号。DFB激光器数组输出光谱可以通过控制温度统一调谐,容易实现波长监控,但由于DFB激光器输出波长随波导有效折射率变化,很难精确控制输出光谱与波长路由器信道间隔匹配。

       第二种方法是采用多频激光器(MFL)。MFL是一种基于集成半导体放大器和WGR(Waveguide Grating Router)技术的新型WDM激光器,包含N个光放大器和一个1 N的数组波导光栅,数组波导光栅的每个输入端集成一个光放大器。在光放大器和数组波导光栅输出端之间形成一个光学腔,如果放大器的增益克服腔内的损耗,则有激光输出,输出波长由数组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的波长间隔由数组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,直接调制速率为622Mbit/s。

       第三种方法是比特交错光源。它使用了一个飞秒级(10-15)光纤激光器产生一个1.5um附近70nm谱宽的脉冲,这一脉冲被22KM长的标准单模光纤啁啾。随着脉冲的传输,数据可在高速调制器中以比特交错的方式被加以编码。

       光分路器的选择

       在WDM-PON中,波分复用器通常称为波长路由器,它解复用下行信号,并分配给指定的OUN,同时把上行信号复用到一根光纤,传输到OLT。波长分路器主要由数组波导光栅(AWG)构成。目前,在波长分路器实现中需要关注串扰、温度稳定性问题以及色散效应。

       针对AWG器件,由于隔离度不理想或者非线性光学效应的影响,其它光信道的信号会泄露到传输通道形成噪声,从而对系统性能造成影响。AWG由输入输出波导、平板波导和波导数组组成,都集成在同一衬底。聚焦模场和输出波导的场分布不是矩形结构,它是串扰的最直接来源。目前,已经有三种方法来抑制串扰,即激光束逐点扫描法、变迹相位模板法、均匀相位模板法。

       在WDMPON系统中,AWG器件一般都放在野外,环境温度变化比较大。由于AWG的主要材料是石英,而石英的折射率易随着温度的变化而变化,因此,AWG复用的信道波长容易受温度的影响。温度变化时,如何保证信道波长的稳定性是一个值得研究的问题。目前,人们已研究出多种方法增强AWG的温度稳定性。其中,有利用折射率随温度作反方向变化的波导或在陈列波导之间刻蚀不同长度的凹槽的方法来实现温度控制。此种方法可以让AWG的光谱响应在-20℃~80℃几乎没有变化。另外,也有利用聚合物材料制造数组波导光栅的,如丙稀盐酸和聚 树脂,这些材料可以减少热膨胀系数,使折射率得到控制。

       随着WDMPON系统接入距离的增加,光纤色散和数组波导的色散效应会导致系统误码率增加。目前认为能够比较好地解决色散效应的方法是色散补偿光纤光栅,通过在AWG中加入补偿光纤光栅改善色散特性。色散补偿是对频率的二次相移所造成的脉冲展宽进行压缩补偿。如果波导光栅输出的响应频率的二次相移特性比较平坦,频带较宽且幅度满足要求,则认为此波导光栅的色散补偿特性较好。

       ONU光源的选择

       ONU的光源选择原则是易于安装维护、成本低、光谱应工作于WDMPON的整个波长范围内。目前,有4种ONU光源。

1.单频激光器。目前,宽调谐单模DFB激光器数组可以满足要求,但由于价格昂贵、仍处于实验阶段,距市场化应用还有一定的距离。

2.回环。光回环技术是利用OLT发出的一部分下行光信号作为载波,在ONU中调制上行信号,再发送到OLT。光回环技术避免了使用ONU光源,但也存在一些缺点。它要求OLT光源输出功率很大,以支持上下行传输。如果没有高功率的OLT光,替代方法是放大上行信号。为了在OLT和ONU间保持无源设备,放大器必须放在ONU内,这样就导致了ONU成本的增加。回环的另一个缺点是,为了避免瑞利后向散射造成的较大干扰,必须将上下行信号分离在不同的光纤里进行传输,导致光纤数量、路由器端口数量成倍增加,设备安装维护的复杂度提高。

3.光谱分割。光谱分割的原理是WDM-PON利用宽带光源作为ONU的光源,发射光通过复用器AWG后,输出信号的频谱是原来宽带信号的一部分,其波长取决于与ONU相连的复用器端口,输出信号复用到一根光纤上,在OLT通过解复用器到达目的接收机。目前,WDM-PON系统中普遍采用窄带光滤波器对宽带谱的光源进行频谱分割,使每个WDM信道获得唯一光波作为上行光源。频谱分割WDM-PON系统采用宽带光源(如LED,发光二极管),与可调谐单频激光器相比,宽带光源简单,成本低,对成本敏感的接入网很有吸引力。光谱分割的主要缺点是频谱分割导致光功率损耗很大(18dB),而LED的入纤功率一般只有-10dBm,造成功率预算紧张;还会引起信道间的串扰,限制了系统的动态范围;同时,由于多模或宽带光源固有的几种噪声(模分散噪声、强度噪声、光差拍噪声)的存在,使得调制速率受限。

4?q波长锁定FP激光器。最近,基于波长锁定FP激光器的WDMPON系统被采纳并开始商用。该系统把FP激光器作为OLT和ONU的信号发射器。工作原理为掺铒光纤放大器产生光谱放大自发辐射(ASE)信号,ASE通过OLT到达AWG,并被AWG进行光谱分割,产生多个窄带信号。这些信号被注入到不同的ONU的同一类型的FP激光器中,迫使FP激光器产生单波长模式,抑制了多波长模式的产生。最近的产品可支持16个WDM信道,信道间隔为200GHz,每信道速率为1.25Gb/s,可支持大约21dB的ODN链路预算。

       自PON出现以来,经过多年的发展,形成了APON、EPON、GPON、WDM-PON等一系列技术概念,而WDM-PON结合了WDM技术和PON拓扑结构的优点,日益成为一种高性能的接入方式。目前,WDM-PON系统面临的最大困难是器件成本过高,多数仍处于实验室的理论研究阶段。但在光接入网方面表现突出的韩国,最近开始测试并小规模试商用WDM-PON系统,其最大的运营商KT与一家新兴器件公司Novera于2005年开始合作进行50000户、16波的WDM-PON实验。Novera的突破在于使局端设备不需要多个激光器,从而降低了系统成本,使用了波长锁定和温度稳定的AWG技术。同时,该公司预测,利用特殊的光学技术,有可能将每用户成本降低到目前EPON每用户成本的两倍以下,并且随着使用量的增长,价格还会降低。虽然WDM-PON技术还不稳定,但随着相关器件技术的成熟和用户带宽需求的增长,将推动业界和市场对WDM-PON技术的持续关注。

(作者单位:中国电信集团公司)

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