時分波分復用無源光網(wǎng)絡關鍵技術研究.pdf

1、隨著高清電視、實時視頻會議、3D網(wǎng)絡游戲等應用的迅速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡帶寬的需求不斷提升。得益于光纖的超寬帶傳輸特性，光纖接入已逐步取代傳統(tǒng)的xDSL技術，成為主流的接入技術。為了控制運維成本，降低外部設備的電磁干擾和故障率，光接入網(wǎng)主要采用無源光網(wǎng)絡（PON）的架構來實現(xiàn)。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，PON技術經(jīng)歷了由低速EPON（2.5/1.25-Gb/s）、GPON（1.25/1.25 Gb/s）到10 GE-PON(10/1 Gb/s，1

2、0/10 Gb/s)、XGPON(10/2.5-Gb/s)的演變。而在帶寬需求不斷增長的驅動下，光網(wǎng)絡亟需進一步升級。ITU-T與全業(yè)務接入網(wǎng)組織（FSAN）于2011年開始制定下一代光接入網(wǎng)（NG-PON2）技術標準。經(jīng)過廣泛研究與討論，綜合考慮技術成熟度，后向兼容性及升級成本等因素，基于波長堆疊技術的時分波分復用無源光網(wǎng)絡（Time and wavelength division multiplexing PON—TWDM-PON）

3、結構成為優(yōu)選方案。其中涉及到的關鍵技術如上行無色光源、用戶端波長選擇接收、色散管理、能耗控制等也逐漸成為企業(yè)界和學術界研究的熱點。此外，更長的接入距離和更高的接入速率是未來接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢。長距離光纖傳輸對系統(tǒng)的功率預算和色散管理提出了更高的要求；而高速信號傳輸中涉及的高階調制和解調技術也是亟待解決的重點和難點。同時，接入網(wǎng)與用戶直接相關，是整個光通信網(wǎng)絡的“最后一公里”，從而決定了接入網(wǎng)系統(tǒng)對成本十分敏感。因此，如何在滿足系統(tǒng)指標要求

4、的前提下降低技術難度和器件成本，甚至用低成本器件實現(xiàn)更高的性能，成為開展下一代接入網(wǎng)研究的重要方向。
　　本文圍繞光接入網(wǎng)的高速化、長距離化、低成本化升級過程中涉及到的關鍵技術展開了如下工作：
　　1.基于RSOA的N×10/1.25-Gb/s TWDM-PON系統(tǒng)演示
　　TWDM-PON系統(tǒng)要求光網(wǎng)絡單元（ONU）端的收發(fā)模塊無色化，具有波長通用性。即收發(fā)機可在一定波長范圍內控制輸出的波長及選擇接收任意一個下行波長

5、。從而可使整個系統(tǒng)中每個用戶的ONU一模一樣，這對于運營商的安裝和維護十分方便，可以極大地降低運維成本。
　　反射型半導體光放大器（RSOA）可以看作一種寬譜光源，當有種子光對其進行注入鎖定時，可以得到和種子光同樣波長的激光輸出。注入鎖定包括外部注入和自激兩種方式。在本文中，我們提出利用 RSOA和可調光濾波器形成的自注入鎖定環(huán)形激光器作為上行無色光源，信號可直接調制在 RSOA上，從而得到一個低成本、無色化的ONU收發(fā)模塊?；?/p>

6、此無色化的ONU結構我們開展了如下工作：
　　1）基于RSOA和可調濾波器的上行無色光源
　　利用RSOA和可調濾波器組成的自注入鎖定環(huán)形激光器，得到了RSOA在自注入鎖定狀態(tài)下的激光輸出。調制信號可以直接加載到 RSOA上，激光器的輸出波長可以通過調節(jié)濾波器的中心波長來控制，實現(xiàn)了ONU的無色發(fā)射功能。
　　2）基于單個濾波器的同時上行無色光源產(chǎn)生和下行波長選擇
　　由于 RSOA的波長紅移效應，上行激光器發(fā)出

7、的中心波長與光濾波器的中心波長存在少量偏移，從而導致上下行波長之間產(chǎn)生一定的波長差，避免了上下行信號間由于反射和后向瑞利散射產(chǎn)生的串擾。利用此特性，在ONU中使用同一個光濾波器，同時實現(xiàn)了上行無色光源的產(chǎn)生和下行波長的選擇。
　　3）上下行非對稱N×10/1.25 Gb/s系統(tǒng)演示
　　利用提出的上行無色光源及系統(tǒng)架構，進行了波長堆疊的N×10/1.25 Gb/s系統(tǒng)演示。
　　2.基于DML的對稱40 Gb/s TW

8、DM-PON系統(tǒng)演示
　　受限于RSOA的調制帶寬，上述基于RSOA的環(huán)形激光器只能支持不超過2-Gb/s的調制速率。為了進一步提高上行速率，我們提出利用低成本的波長可調諧直調激光器（DML）作為上行光源，調制速率可達到10 Gb/s。但直接調制會產(chǎn)生較強的頻率啁啾，使信號消光比降低，光譜展寬。在光纖中傳輸時，啁啾與色散相互作用，會使信號發(fā)生嚴重的畸變。對此，我們展開了如下三個方面的工作：
　　1）基于光濾波的色散管理方案<

9、br>　　我們提出在ONU端利用光濾波器對直調信號的光譜進行整形，將啁啾產(chǎn)生的頻率調制轉化為強度調制，從而提高信號的消光比，并實驗演示了10-Gb/s直調信號的40 km光纖傳輸。另一方面，為了消除濾波器的插入損耗對系統(tǒng)功率預算的影響，我們提出將啁啾管理濾波器調整到接收端的改進方案，以進一步提高系統(tǒng)的功率預算。
　　2）基于上下行共用濾波器的系統(tǒng)結構設計
　　在下一代光接入網(wǎng)中，波長堆疊的架構導致ONU端需要下行波長選擇器件

10、。同時，ONU端采用波長可調諧的直調激光器作為上行光源，從而導致上行信號需要光濾波器來進行啁啾管理。因此，我們提出在ONU端使用同一個濾波器同時實現(xiàn)這兩種功能，降低ONU的成本。上行啁啾管理中的偏移濾波機制使得上下行波長之間存在一定的波長間隔，從而可以避免上下行信號之間由于反射或后向瑞利散射產(chǎn)生的串擾。
　　3）上下行對稱40 Gb/s TWDM-PON系統(tǒng)演示
　　基于上述方案，進行了上下行對稱40Gb/s容量的TWDM-

11、PON系統(tǒng)演示。在不同的濾波器位置下，分別得到31 dB和39 dB的功率預算。
　　4）利用碼型轉換消除上行信號放大過程中的碼型效應
　　為了提高系統(tǒng)功率預算，需要提升上下行信號入纖功率。當ONU端激光器輸出功率較低時，通常采用體積小、易集成的SOA對信號功率進行放大。為了避免放大過程中碼型效應對信號的影響，提出利用SOA的增益飽和特性和自相位調制效應實現(xiàn)碼型轉換，從而得到較高的上行入纖功率。
　　3.接入距離延長和

12、功率預算提升方案
　　長距離、高分光比的光接入網(wǎng)可以降低每個用戶的成本，且有利于OLT的聚合和管理。相比普通接入網(wǎng)而言，長距離光接入網(wǎng)中的光纖損耗和分光器損耗更高，因此需要較高的功率預算，光纖傳輸中累積色散量更大，因此通常采用外調制結合相干檢測實現(xiàn)。我們提出利用直調直檢方案，結合光譜整形的色散管理技術，圍繞長距離光接入網(wǎng)展開了如下幾個方面的工作：
　　1）直調信號與外調信號性能對比
　　通常認為，直調相比外調制得到的信

13、號質量差，外調制更適合長距離光纖傳輸。但在長距離接入的應用場景下，系統(tǒng)的高功率預算需要可支持盡量高的入纖功率的調制格式。通過對比發(fā)現(xiàn)，外調信號的光譜都有很強的載波分量，而直調信號沒有。從而使得直調信號可支持更高的入纖功率。
　　2）基于單個光延遲干涉儀（DI）的上下行多通道色散管理
　　針對長距離傳輸中的色散問題，提出利用光延遲干涉儀（DI）作為周期性濾波器實現(xiàn)上下行多通道的雙向色散管理，從而實現(xiàn)了直調信號的100-km長距

14、離傳輸。
　　3）100公里長距離光接入網(wǎng)系統(tǒng)演示
　　利用直調信號的高入纖功率特性，結合基于光譜整形的色散管理技術和OLT和ONU端的前置放大技術，實現(xiàn)了對稱40 Gb/s TWDM-PON系統(tǒng)演示，可以支持100-km光纖傳輸，并得到了53dB的功率預算。
　　4.基于10GHz器件的100 Gb/s TWDM-PON系統(tǒng)演示
　　隨著40G TWDM-PON標準的日益成熟，針對更高調制速率的研究逐漸展開。在

15、前面工作的基礎上，我們對基于低速器件的高速信號調制展開研究，利用頻響為10GHz的DML和PIN實現(xiàn)了下行方向基于如下調制格式的100G TWDM-PON系統(tǒng)演示：
　　1）單波長28 Gb/s Duobinary信號直接調制、傳輸與解調
　　利用激光器和接收機的低通響應特性，得到電雙二進制調制（Duobinary）。同時結合光濾波的色散管理方案，實現(xiàn)了28 Gb/s duobinary信號的40km傳輸。
　　2）單

16、波長25 Gb/s PAM-4信號調制、傳輸及解調
　　利用高階調制碼型—四電平幅度調制（4-PAM）將對器件的帶寬需求降低到10GHz。同時結合光濾波的色散管理方案，實現(xiàn)了25Gb/s PAM-4信號的直接調制、40 km傳輸及直接檢測。
　　3）單波長25 Gb/s NRZ-OEQ直接調制、傳輸與解調
　　利用光均衡濾波（OEQ）方案改變信號的頻譜分布，從而使閉合的眼圖張開，實現(xiàn)基于10GHz器件的25-Gb/s二

17、電平（OOK）調制。同時，結合光濾波的色散管理，實現(xiàn)了40 km的光纖傳輸。
　　通過對比實驗結果，基于光濾波均衡實現(xiàn)的NRZ-OEQ方案能夠支持更高的入纖功率，同時比多電平調制具有更高的靈敏度；此外，與Duobinary和PAM-4格式相比較，OOK解調技術相對成熟，實現(xiàn)簡單；雖然受器件帶寬限制，經(jīng)過光均衡處理后信號速率仍然只能達到26 Gb/s，無法實現(xiàn)更高速的調制，但可以滿足100G PON的要求。因此NRZ-OEQ是100