時分波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著高清電視、實(shí)時視頻會議、3D網(wǎng)絡(luò)游戲等應(yīng)用的迅速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡(luò)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(shù)，成為主流的接入技術(shù)。為了控制運(yùn)維成本，降低外部設(shè)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(luò)（PON）的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，PON技術(shù)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(qū)動下，光網(wǎng)絡(luò)亟需進(jìn)一步升級。ITU-T與全業(yè)務(wù)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過廣泛研究與討論，綜合考慮技術(shù)成熟度，后向兼容性及升級成本等因素，基于波長堆疊技術(shù)的時分波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（Time and wavelength division multiplexing PON—TWDM-PON）

3、結(jié)構(gòu)成為優(yōu)選方案。其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)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(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。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(yù)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(diào)制和解調(diào)技術(shù)也是亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。同時，接入網(wǎng)與用戶直接相關(guān)，是整個光通信網(wǎng)絡(luò)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(biāo)要求

4、的前提下降低技術(shù)難度和器件成本，甚至用低成本器件實(shí)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(guān)鍵技術(shù)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(luò)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(jī)可在一定波長范圍內(nèi)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(yùn)營商的安裝和維護(hù)十分方便，可以極大地降低運(yùn)維成本。
　　反射型半導(dǎo)體光放大器（RSOA）可以看作一種寬譜光源，當(dāng)有種子光對其進(jìn)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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)我們開展了如下工作：
　　1）基于RSOA和可調(diào)濾波器的上行無色光源
　　利用RSOA和可調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)濾波器的中心波長來控制，實(shí)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(yīng)，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(dǎo)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?dāng)_。利用此特性，在ONU中使用同一個光濾波器，同時實(shí)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(gòu)，進(jìn)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(diào)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(diào)制速率。為了進(jìn)一步提高上行速率，我們提出利用低成本的波長可調(diào)諧直調(diào)激光器（DML）作為上行光源，調(diào)制速率可達(dá)到10 Gb/s。但直接調(diào)制會產(chǎn)生較強(qiáng)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(yán)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(diào)信號的光譜進(jìn)行整形，將啁啾產(chǎn)生的頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制，從而提高信號的消光比，并實(shí)驗(yàn)演示了10-Gb/s直調(diào)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(yù)算的影響，我們提出將啁啾管理濾波器調(diào)整到接收端的改進(jìn)方案，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的功率預(yù)算。
　　2）基于上下行共用濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　在下一代光接入網(wǎng)中，波長堆疊的架構(gòu)導(dǎo)致ONU端需要下行波長選擇器件

10、。同時，ONU端采用波長可調(diào)諧的直調(diào)激光器作為上行光源，從而導(dǎo)致上行信號需要光濾波器來進(jìn)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(shí)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(jī)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?dāng)_。
　　3）上下行對稱40 Gb/s TWDM-PON系統(tǒng)演示
　　基于上述方案，進(jìn)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(yù)算。
　　4）利用碼型轉(zhuǎn)換消除上行信號放大過程中的碼型效應(yīng)
　　為了提高系統(tǒng)功率預(yù)算，需要提升上下行信號入纖功率。當(dāng)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(jìn)行放大。為了避免放大過程中碼型效應(yīng)對信號的影響，提出利用SOA的增益飽和特性和自相位調(diào)制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)碼型轉(zhuǎn)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(yù)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(yù)算，光纖傳輸中累積色散量更大，因此通常采用外調(diào)制結(jié)合相干檢測實(shí)現(xiàn)。我們提出利用直調(diào)直檢方案，結(jié)合光譜整形的色散管理技術(shù)，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(diào)信號與外調(diào)信號性能對比
　　通常認(rèn)為，直調(diào)相比外調(diào)制得到的信

13、號質(zhì)量差，外調(diào)制更適合長距離光纖傳輸。但在長距離接入的應(yīng)用場景下，系統(tǒng)的高功率預(yù)算需要可支持盡量高的入纖功率的調(diào)制格式。通過對比發(fā)現(xiàn)，外調(diào)信號的光譜都有很強(qiáng)的載波分量，而直調(diào)信號沒有。從而使得直調(diào)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(shí)現(xiàn)上下行多通道的雙向色散管理，從而實(shí)現(xiàn)了直調(diào)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(diào)信號的高入纖功率特性，結(jié)合基于光譜整形的色散管理技術(shù)和OLT和ONU端的前置放大技術(shù)，實(shí)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(yù)算。
　　4.基于10GHz器件的100 Gb/s TWDM-PON系統(tǒng)演示
　　隨著40G TWDM-PON標(biāo)準(zhǔn)的日益成熟，針對更高調(diào)制速率的研究逐漸展開。在

15、前面工作的基礎(chǔ)上，我們對基于低速器件的高速信號調(diào)制展開研究，利用頻響為10GHz的DML和PIN實(shí)現(xiàn)了下行方向基于如下調(diào)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(diào)制、傳輸與解調(diào)
　　利用激光器和接收機(jī)的低通響應(yīng)特性，得到電雙二進(jìn)制調(diào)制（Duobinary）。同時結(jié)合光濾波的色散管理方案，實(shí)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(diào)制、傳輸及解調(diào)
　　利用高階調(diào)制碼型—四電平幅度調(diào)制（4-PAM）將對器件的帶寬需求降低到10GHz。同時結(jié)合光濾波的色散管理方案，實(shí)現(xiàn)了25Gb/s PAM-4信號的直接調(diào)制、40 km傳輸及直接檢測。
　　3）單波長25 Gb/s NRZ-OEQ直接調(diào)制、傳輸與解調(diào)
　　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(shí)現(xiàn)基于10GHz器件的25-Gb/s二

17、電平（OOK）調(diào)制。同時，結(jié)合光濾波的色散管理，實(shí)現(xiàn)了40 km的光纖傳輸。
　　通過對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于光濾波均衡實(shí)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(diào)制具有更高的靈敏度；此外，與Duobinary和PAM-4格式相比較，OOK解調(diào)技術(shù)相對成熟，實(shí)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(dá)到26 Gb/s，無法實(shí)現(xiàn)更高速的調(diào)制，但可以滿足100G PON的要求。因此NRZ-OEQ是100