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波分復用無源光網絡核心技術分析

【發布時間：2018-04-10 16:02:31】

目前，無源光網絡（PON）是解決接入網“最后一公里”、實現FTTX的最具吸引力的技術。“無源”是指ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。因此，其管理維護的成本較低，這是PON在接入網發展中最具優勢的一面。

PON按信號分配方式可以分為功率分割型無源光網絡（PSPON）和波分復用型無源光網絡（WDMPON）。目前，APON、BPON、EPON、GPON均屬于PSPON。PSPON采用星型耦合器分路，上/下行傳送采用TDMA/TDM方式，實現共享信道帶寬，分路器通過功率分配將OLT發出的信號分配到各個ONU上。WDMPON則是將波分復用技術運用在PON中，光分路器通過識別OLT發出各種波長，將信號分配到各路ONU。

雖然PSPON較為成熟，特加是EPON、GPON在北美、日本已經有較大規模的部署，但PSPON仍然存在關鍵問題需要解決，比如快速比特同步、動態帶寬分配、基線漂移、ONU的測距與延時補償、突發模式光收發模塊的設計等。雖然一些問題得到了解決，但成本較高。而基于波分復用技術的WDMPON采用波長作為客戶端ONU的標識，利用波分復用技術實現上行接入，能夠提供較寬的工作帶寬，可以實現真正意義上的對稱寬帶接入。同時，還可以避免時分多址技術中ONU的測距、快速比特同步等諸多技術難點，并且在網絡管理以及系統升級性能方面具有明顯優勢。隨著技術的進步，波分復用光器件的成本尤其是無源光器件的成本大幅度下降，質優價廉的WDM器件不斷出現，WDMPON技術將成為PON接入網一個可以預見的發展趨勢。下面，對WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技術問題逐一進行分析。

OLT光源的選擇

目前，有多種方法構造多波長光源。第一種方法是選擇一組波長接近的、離散的、可調諧的DFB激光器（DFB激光器數組），利用溫度調諧產生多波長的下行信號。DFB激光器數組輸出光譜可以通過控制溫度統一調諧，容易實現波長監控，但由于DFB激光器輸出波長隨波導有效折射率變化，很難精確控制輸出光譜與波長路由器信道間隔匹配。

第二種方法是采用多頻激光器（MFL）。MFL是一種基于集成半導體放大器和WGR（Waveguide Grating Router）技術的新型WDM激光器，包含N個光放大器和一個1 N的數組波導光柵，數組波導光柵的每個輸入端集成一個光放大器。在光放大器和數組波導光柵輸出端之間形成一個光學腔，如果放大器的增益克服腔內的損耗，則有激光輸出，輸出波長由數組波導光柵的濾波特性決定。通過直接調制各個放大器的偏置電流，就可以產生多波長的下行信號。MFL的波長間隔由數組波導光柵中的波導長度差決定，可以精確控制，各波長可以通過控制同一個溫度統一調節，便于波長監控，是理想的OLT光源。目前已經開發出16信道間隔為200GHz和20信道間隔為400GHz的MFL的產品，直接調制速率為622Mbit/s。

第三種方法是比特交錯光源。它使用了一個飛秒級（10-15）光纖激光器產生一個1.5um附近70nm譜寬的脈沖，這一脈沖被22KM長的標準單模光纖啁啾。隨著脈沖的傳輸，數據可在高速調制器中以比特交錯的方式被加以編碼。

光分路器的選擇

在WDM－PON中，波分復用器通常稱為波長路由器，它解復用下行信號，并分配給指定的OUN，同時把上行信號復用到一根光纖，傳輸到OLT。波長分路器主要由數組波導光柵（AWG）構成。目前，在波長分路器實現中需要關注串擾、溫度穩定性問題以及色散效應。

針對AWG器件，由于隔離度不理想或者非線性光學效應的影響，其它光信道的信號會泄露到傳輸通道形成噪聲，從而對系統性能造成影響。AWG由輸入輸出波導、平板波導和波導數組組成，都集成在同一襯底。聚焦模場和輸出波導的場分布不是矩形結構，它是串擾的最直接來源。目前，已經有三種方法來抑制串擾，即激光束逐點掃描法、變跡相位模板法、均勻相位模板法。

在WDMPON系統中，AWG器件一般都放在野外，環境溫度變化比較大。由于AWG的主要材料是石英，而石英的折射率易隨著溫度的變化而變化，因此，AWG復用的信道波長容易受溫度的影響。溫度變化時，如何保證信道波長的穩定性是一個值得研究的問題。目前，人們已研究出多種方法增強AWG的溫度穩定性。其中，有利用折射率隨溫度作反方向變化的波導或在陳列波導之間刻蝕不同長度的凹槽的方法來實現溫度控制。此種方法可以讓AWG的光譜響應在-20℃～80℃幾乎沒有變化。另外，也有利用聚合物材料制造數組波導光柵的，如丙稀鹽酸和聚樹脂，這些材料可以減少熱膨脹系數，使折射率得到控制。

隨著WDMPON系統接入距離的增加，光纖色散和數組波導的色散效應會導致系統誤碼率增加。目前認為能夠比較好地解決色散效應的方法是色散補償光纖光柵，通過在AWG中加入補償光纖光柵改善色散特性。色散補償是對頻率的二次相移所造成的脈沖展寬進行壓縮補償。如果波導光柵輸出的響應頻率的二次相移特性比較平坦，頻帶較寬且幅度滿足要求，則認為此波導光柵的色散補償特性較好。

ONU光源的選擇

ONU的光源選擇原則是易于安裝維護、成本低、光譜應工作于WDMPON的整個波長范圍內。目前，有4種ONU光源。

1.單頻激光器。目前，寬調諧單模DFB激光器數組可以滿足要求，但由于價格昂貴、仍處于實驗階段，距市場化應用還有一定的距離。

2.回環。光回環技術是利用OLT發出的一部分下行光信號作為載波，在ONU中調制上行信號，再發送到OLT。光回環技術避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持上下行傳輸。如果沒有高功率的OLT光，替代方法是放大上行信號。為了在OLT和ONU間保持無源設備，放大器必須放在ONU內，這樣就導致了ONU成本的增加。回環的另一個缺點是，為了避免瑞利后向散射造成的較大干擾，必須將上下行信號分離在不同的光纖里進行傳輸，導致光纖數量、路由器端口數量成倍增加，設備安裝維護的復雜度提高。

3.光譜分割。光譜分割的原理是WDM－PON利用寬帶光源作為ONU的光源，發射光通過復用器AWG后，輸出信號的頻譜是原來寬帶信號的一部分，其波長取決于與ONU相連的復用器端口，輸出信號復用到一根光纖上，在OLT通過解復用器到達目的接收機。目前，WDM－PON系統中普遍采用窄帶光濾波器對寬帶譜的光源進行頻譜分割，使每個WDM信道獲得唯一光波作為上行光源。頻譜分割WDM－PON系統采用寬帶光源（如LED，發光二極管），與可調諧單頻激光器相比，寬帶光源簡單，成本低，對成本敏感的接入網很有吸引力。光譜分割的主要缺點是頻譜分割導致光功率損耗很大（18dB），而LED的入纖功率一般只有-10dBm，造成功率預算緊張；還會引起信道間的串擾，限制了系統的動態范圍；同時，由于多模或寬帶光源固有的幾種噪聲（模分散噪聲、強度噪聲、光差拍噪聲）的存在，使得調制速率受限。

4?q波長鎖定FP激光器。最近，基于波長鎖定FP激光器的WDMPON系統被采納并開始商用。該系統把FP激光器作為OLT和ONU的信號發射器。工作原理為摻鉺光纖放大器產生光譜放大自發輻射（ASE）信號，ASE通過OLT到達AWG，并被AWG進行光譜分割，產生多個窄帶信號。這些信號被注入到不同的ONU的同一類型的FP激光器中，迫使FP激光器產生單波長模式，抑制了多波長模式的產生。最近的產品可支持16個WDM信道，信道間隔為200GHz，每信道速率為1.25Gb/s，可支持大約21dB的ODN鏈路預算。

自PON出現以來，經過多年的發展，形成了APON、EPON、GPON、WDM－PON等一系列技術概念，而WDM－PON結合了WDM技術和PON拓撲結構的優點，日益成為一種高性能的接入方式。目前，WDM－PON系統面臨的最大困難是器件成本過高，多數仍處于實驗室的理論研究階段。但在光接入網方面表現突出的韓國，最近開始測試并小規模試商用WDM－PON系統，其最大的運營商KT與一家新興器件公司Novera于2005年開始合作進行50000戶、16波的WDM－PON實驗。Novera的突破在于使局端設備不需要多個激光器，從而降低了系統成本，使用了波長鎖定和溫度穩定的AWG技術。