基于RSOA的雙向長(zhǎng)距離WDM-PON系統(tǒng)研究

楊斐，趙亮，唐亮

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊，050000）

0 引言

目前在我國(guó)的光纖寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中，主要采用基于以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON和千兆無源光網(wǎng)絡(luò)GPON技術(shù)，其主要為用戶提供三網(wǎng)融合業(yè)務(wù)，其中包括電視業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)。然而隨著信息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式的發(fā)展態(tài)勢(shì)，超清視頻、IPTV、交互式游戲等新型互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)光纖接入寬帶的需求將快速增長(zhǎng)，與此同時(shí)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的興起，用戶對(duì)接入帶寬的需求也將大幅提高。研究表明，在上述需求的驅(qū)動(dòng)下，未來的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）將為用戶提供 1Gb/s 以上的接入帶寬，所以傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)接入帶寬無法滿足各類業(yè)務(wù)帶寬需求，下一代無源光網(wǎng)絡(luò)將具有高速對(duì)稱業(yè)務(wù)帶寬，用戶數(shù)據(jù)安全性和靈活性的特點(diǎn)。可以預(yù)見，未來波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDMPON）技術(shù)將成為下一代光接入網(wǎng)的主流技術(shù)。

1 波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

典型的波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)的基本原理如圖1所示，在光線路終端（OLT）側(cè)采用不同波長(zhǎng)λn光信號(hào)承載不同用戶的下行數(shù)據(jù)，在接收端每個(gè)不同的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）只接收其所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λn的下行光信號(hào)，依據(jù)此原理可實(shí)現(xiàn)光線路終端（OLT）與光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）之間的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接。在遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)（RN）中WDM-PON系統(tǒng)通常采用波分復(fù)用/解復(fù)用器（AWG），在下行方向上復(fù)用器將OLT發(fā)送端不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用至同一條光纖中，經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后再利用解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)λn的光信號(hào)數(shù)據(jù)分別發(fā)送到其波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的ONU中。由于WDM-PON系統(tǒng)中不同波長(zhǎng)承載不同的用戶數(shù)據(jù)，因此每個(gè)ONU的光接收機(jī)只會(huì)接收所對(duì)應(yīng)特定波長(zhǎng)λn的下行光信號(hào)。而ONU1至ONUn的上行信號(hào)會(huì)調(diào)制在指定的上行波長(zhǎng)λ1至λn上，并且通過遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)中的波分復(fù)用器復(fù)用后傳輸至ODN 中。

波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）由于采用了波分復(fù)用技術(shù)，每個(gè)用戶獨(dú)享單一波長(zhǎng)，用戶接入速率得到極大提高，同時(shí)解復(fù)用器對(duì)不同用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕?/p>

圖1 波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM—PON）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）WDM-PON對(duì)通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)格式速率透明，資源調(diào)度機(jī)制較為簡(jiǎn)單；

（3）網(wǎng)絡(luò)管理和升級(jí)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，若提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速率時(shí)，只需對(duì)單個(gè)ONU進(jìn)行改造和升級(jí)，無需改造原有ODN，也不會(huì)影響其他用戶ONU的正常使用。

2 基于RSOA的波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真

本文介紹了波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)提供一個(gè)單一波長(zhǎng)的下行數(shù)據(jù)和上行數(shù)據(jù)。為了提高網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)利用率，系統(tǒng)仿真采用了單波長(zhǎng)的下行和上行數(shù)據(jù)傳輸。這不僅減少了所需的光源和波長(zhǎng)數(shù)目也減輕了WDM-PON復(fù)雜性。

仿真中展示了一個(gè)10 Gbit/s全雙工波長(zhǎng)重用WDMPON系統(tǒng)，在系統(tǒng)的上、下行傳輸方向分別使用反射型半導(dǎo)體放大器和連續(xù)波激光器（CW）進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，系統(tǒng)中還提出了一種由光纖布拉格光柵（FBG）陣列構(gòu)成的色散補(bǔ)償方案。為了抑制反射光拍頻噪聲（OBN），系統(tǒng)在上行ONU側(cè)和下行OLT側(cè)通過貝塞爾低通濾波器（LPF1）和貝塞爾低通濾波器（LPF2）進(jìn)行濾波，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 基于RSOA的WDM—PON系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)驗(yàn)仿真中光接入網(wǎng)常規(guī)單模光纖傳輸長(zhǎng)度為35km，ONU1的光載波信號(hào)波長(zhǎng)為1550nm，ODN中常規(guī)單模光纖衰減系數(shù)設(shè)置為0.2 dB/km，光纖色散系數(shù)設(shè)置為16.75 ps/nm·km。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中建立了光纖非線性效應(yīng)、瑞利散射和衰減效應(yīng)。光纖光柵的色散系數(shù)等于-200 ps/nm。摻鉺光纖放大器（EDFA）的噪聲系數(shù)為1，增益等于分別為4dB和10dB。光分路器插入損耗等于0.5dB。

■2.1 反射型半導(dǎo)體放大器注入光功率分析

在實(shí)驗(yàn)仿真中，我們將馬赫-增德爾調(diào)制器（MZM）的消光比設(shè)置為30dB，調(diào)節(jié)上行信號(hào)輸出光功率，使RSOA的注入光功率范圍為-10dBm至-20dBm，通過optisystem14.0仿真測(cè)試得到，反射型半導(dǎo)體放大器輸入光功率與上行OLT接收端Q因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。通過仿真顯示當(dāng)RSOA輸入光功率在-20至-10dBm之間時(shí)，其工作在線性放大區(qū)，此時(shí)該器件對(duì)下行光載波的擦除效果不明顯，且系統(tǒng)信號(hào)的Q因子小于8，因此在ONU接收端無法利用RSOA進(jìn)行信號(hào)再調(diào)制。而當(dāng)下行接收端輸入光功率大于-10dBm 時(shí)，反射型半導(dǎo)體放大器將工作在其增益飽和區(qū)，此時(shí)系統(tǒng)的光功率增益快速降低，下行信號(hào)1與信號(hào)0輸出功率近似，此時(shí)反射型半導(dǎo)體放大器對(duì)下行載波的擦除作用顯著，可利用下行信號(hào)進(jìn)行再調(diào)制，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的Q因子>8，而且輸入光功率與Q因子取值成正比，顯示上行方向傳輸性能良好。

■2.2 上下行信號(hào)傳輸特性分析

在該實(shí)驗(yàn)仿真中利用光纖布拉格光柵（FBG）陣列對(duì)色散進(jìn)行了最佳補(bǔ)償。在前向色散補(bǔ)償方案中采用光纖光柵，可以消除色散引起的超強(qiáng)度噪聲。外部調(diào)制的下行信號(hào)從OLT傳輸?shù)焦饩W(wǎng)絡(luò)單元（ONU）通過單模光纖，摻鉺光纖放大器（EDFA）和貝塞爾光學(xué)帶通濾波器1（OBPF 1）。在ONU接收端通過1：2光分路器將下行信號(hào)分為兩部分，一部分輸入光電檢測(cè)器（PIN），另一部分輸入至反射型半導(dǎo)體放大器（RSOA）中利用RSOA工作在飽和區(qū)的特性，對(duì)下行光載波進(jìn)行信號(hào)再調(diào)制。實(shí)驗(yàn)仿真中對(duì)ONU側(cè)接收端光功率與誤碼率進(jìn)行采集，下行光功率與誤碼率對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示，接收端光功率越高其系統(tǒng)誤碼率越小，其接收功率與系統(tǒng)誤碼率成反比。通過對(duì)OLT接收端眼圖和誤碼率進(jìn)行觀測(cè)如圖5所示，發(fā)現(xiàn)接收端眼圖展開幅度較大，且無碼間干擾可實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)無差錯(cuò)傳輸。

圖3 RSOA輸入光功率與接收端Q值對(duì)應(yīng)圖

圖4 下行接收光功率與誤碼率的關(guān)系

圖5 上行接收端眼圖

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)成功仿真了35公里的波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)。系統(tǒng)成功的將下行10 Gbit/s和上行10 Gbit/s數(shù)據(jù)復(fù)用至單一波長(zhǎng)中。本文所提出的WDMPON系統(tǒng)的傳輸距離較長(zhǎng)而而可以保證傳輸可靠性。同時(shí)系統(tǒng)采用布拉格光纖光柵緩解了色散對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響，得到了上行和下行兩個(gè)方向的無誤差傳輸。值得注意的是，在OLT前端插入布拉格光纖光柵可有效的緩解瑞利后向散射噪聲對(duì)上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)的影響，同時(shí)也可提高接收器靈敏度。

* [1]H. Kim, “10 Gbit/s operation of RSOA using a delayinter ferometer,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 22, no. 18,pp.1379–1381, Sep. 2010.

* [2]沈成彬,王成巍,蔣銘,王波.下一代PON技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用[J]電信科學(xué),2010,（8）

* [3]方圓圓,壽國(guó)礎(chǔ)，胡怡紅. WDM—PON無色ONU實(shí)現(xiàn)方法研究[J].光通信技術(shù),2007,31（1）

* [4]楊陽，劉繼紅.上行相干接收的對(duì)稱10Gb/s長(zhǎng)距離WDM—PON[J].光通信技術(shù),2014,（8）

* [5]原榮.光纖通信網(wǎng)絡(luò)[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2012