WDMPON核心技術(shù)分析

1、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展，各種新業(yè)務(wù)層出不窮，使人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入帶寬的需求持續(xù)增加，特別是網(wǎng)絡(luò)游戲、會(huì)議電視、視頻點(diǎn)播等業(yè)務(wù)，使得傳統(tǒng)的接入方式將無法滿足帶寬的需求。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，未來3年用戶平均帶寬需求將超過10 Mbit/s。與其他有線、無線接入技術(shù)相比，光纖接入在帶寬容量和覆蓋距離方面具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)。隨著低成本PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的出現(xiàn)和迅速成熟以及光纖光纜成本的快速下降，使運(yùn)營商接入網(wǎng)光纖化的想法逐步得以實(shí)現(xiàn)。

目前PON是解決接入網(wǎng)“最后一公里”、實(shí)現(xiàn)FTTx的最具吸引力的技術(shù)。所謂“無源”，是指ODN中不含有任何有源電子器件及電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成，因此其管理維護(hù)的成本較低，這是PON在接入網(wǎng)發(fā)展中最具優(yōu)勢(shì)的一面。

PON按信號(hào)分配方式可以分為PSPON（功率分割型無源光網(wǎng)絡(luò)）和WDMPON（波分復(fù)用型無源光網(wǎng)絡(luò)）。目前的APON、BPON、EPON和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(shí)現(xiàn)信道帶寬共享，分路器通過功率分配將OLT發(fā)出的信號(hào)分配到各個(gè)ONU上。WDMPON技術(shù)則是將波分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用在PON中，光分路器通過識(shí)別OLT發(fā)出的各種波長，將信號(hào)分配到各路ONU。雖然PSPON較為成熟，特別是E-PON、GPON，在北美、日本已經(jīng)有較大規(guī)模的部署，但是PSPON仍然存在一些問題需要解決，例如快速比特同步、動(dòng)態(tài)帶寬分配、基線漂移、ONU的測(cè)距與延時(shí)補(bǔ)償、突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)等。部分問題雖然得到了解決，但是成本較大。例如，在上行的TDMA復(fù)用測(cè)距方面，光纜中信號(hào)每米傳輸時(shí)間大約為5 ns，而STM-1、STM-16、GE系統(tǒng)的比特周期分別只有6.4 ns、0.4 ns和0.8 ns�？梢�，隨著速率的提高，測(cè)距和上行成幀的難度將會(huì)大幅度增加。基于波分復(fù)用技術(shù)的WDMPON采用波長作為用戶端ONU標(biāo)識(shí)，利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)上行接入，能夠提供較高的工作帶寬，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的對(duì)稱寬帶接入。同時(shí)，它還可以避免TDMA技術(shù)中ONU的測(cè)距、快速比特同步等諸多技術(shù)難點(diǎn)，并且在網(wǎng)絡(luò)管理以及系統(tǒng)升級(jí)性能方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，波分復(fù)用光器件的成本，尤其是無源光器件成本大幅度下降，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的WDM器件不斷出現(xiàn)，WDMPON技術(shù)將是接入網(wǎng)一個(gè)可以預(yù)見的發(fā)展趨勢(shì)。下面對(duì)WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技術(shù)問題進(jìn)行分析。

2、OLT光源的選擇

目前有多種方法構(gòu)造多波長光源。一種方法是選擇一組波長接近的、離散的、可調(diào)諧的DFB激光器（DFB激光器陣列），利用溫度調(diào)諧產(chǎn)生多波長的下行信號(hào)。由于DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制溫度統(tǒng)一調(diào)諧，容易實(shí)現(xiàn)波長監(jiān)控，但由于DFB激光器輸出波長隨波導(dǎo)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的匹配。第二種方法是采用MFL（多頻激光器）。MFL是一種基于集成半導(dǎo)體放大器和WGR（Waveguide Grating Router，波導(dǎo)光柵路由器）技術(shù)的新型WDM激光器。MFL包含N個(gè)光放大器和一個(gè)1×N的陣列波導(dǎo)光柵，陣列波導(dǎo)光柵的每個(gè)輸入端集成一個(gè)光放大器。在光放大器和陣列波導(dǎo)光柵輸出端之間形成一個(gè)光學(xué)腔，如果放大器的增益克服腔內(nèi)的損耗，則有激光輸出，輸出波長由陣列波導(dǎo)光柵的濾波特性決定。通過直接調(diào)制各個(gè)放大器的偏置電流，就可以產(chǎn)生多波長的下行信號(hào)。MFL的波長間隔由陣列波導(dǎo)光柵中的波導(dǎo)長度差決定，可以精確控制，各波長可以通過控制同一個(gè)溫度統(tǒng)一調(diào)節(jié)，便于波長監(jiān)控。目前已經(jīng)開發(fā)出16信道間隔為200 GHz和20信道間隔為400 GHz的MFL產(chǎn)品，直接調(diào)制速率為622 Mbit/s。第三種方法是比特交錯(cuò)光源。它使用了一個(gè)飛秒級(jí)（10-15，）光纖激光器來產(chǎn)生一個(gè)1.5μm附近70 nm譜寬的脈沖，這一脈沖被22 km長的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖啁啾。隨著脈沖的傳輸，數(shù)據(jù)可在高速調(diào)制器中以比特交錯(cuò)的方式被編碼。

3、光分路器的選擇

在WDMPON系統(tǒng)中，波分復(fù)用器通常被稱為波長分路器，它解復(fù)用下行信號(hào)，并分配給指定的ONU，同時(shí)把上行信號(hào)復(fù)用到一根光纖，傳輸?shù)絆LT。波長分路器主要由AWG構(gòu)成。目前在波長分路器實(shí)現(xiàn)當(dāng)中需要關(guān)注的問題有串?dāng)_問題、溫度穩(wěn)定性問題和色散效應(yīng)。

由于AWG器件隔離度的不理想和非線性光學(xué)效應(yīng)的影響，其他光通道的信號(hào)會(huì)泄露到傳輸通道形成噪聲，從而對(duì)系統(tǒng)性能造成影響。AWG由輸入輸出波導(dǎo)、平板波導(dǎo)和波導(dǎo)陣列組成。聚焦模場和輸出波導(dǎo)的場分布不是矩形結(jié)構(gòu)，這是串?dāng)_的最直接來源。目前已經(jīng)有三種方法來抑制串?dāng)_：激光束逐點(diǎn)掃描法、變跡相位模板法、均勻相位模板法。

在WDMPON系統(tǒng)中，AWG器件一般都放在野外，環(huán)境溫度變化比較大，由于AWG主要材料是石英，而石英的折射率隨溫度變化而變化，因此AWG復(fù)用的信道波長容易受溫度的影響。因此當(dāng)溫度變化時(shí)，如何保證信道波長的穩(wěn)定性是一個(gè)值得研究的問題。目前人們已研究出多種方法增強(qiáng)AWG的溫度穩(wěn)定性。其中，有利用折射率隨溫度作反方向變化的波導(dǎo)或在陣列波導(dǎo)之間刻蝕不同長度的凹槽的方法來實(shí)現(xiàn)溫度控制，這些方法可以讓AWG的光譜響應(yīng)在-20～80 oC幾乎沒有變化。另外，也有利用聚合物材料制造陣列波導(dǎo)光柵，如丙稀鹽酸和聚硅樹脂，這些材料減少了熱膨脹系數(shù)，使折射率得到控制。

隨著WDMPON系統(tǒng)接入距離的增加，光纖和陣列波導(dǎo)的色散效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增加。目前解決色散效應(yīng)比較好的方法是色散補(bǔ)償光纖光柵，通過在AWG中加入補(bǔ)償光纖光柵改善色散特性。色散補(bǔ)償是對(duì)頻率的二次相移所造成的脈沖展寬進(jìn)行壓縮補(bǔ)償。如果波導(dǎo)光柵輸出的響應(yīng)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(rèn)為此波導(dǎo)光柵的色散補(bǔ)償特性較好。

4、ONU光源的選擇

ONU光源的選擇原則是易于安裝維護(hù)、成本低、光譜應(yīng)工作于WDMPON的整個(gè)波長范圍內(nèi)。目前有4種ONU光源。

（1）單頻激光器

目前寬調(diào)諧單模DFB激光器陣列可以滿足要求，但由于價(jià)格昂貴，仍處于實(shí)驗(yàn)階段，距市場化應(yīng)用還有一定距離。

（2）光環(huán)回

光環(huán)回技術(shù)是利用OLT發(fā)出的一部分下行光信號(hào)作為載波，在ONU中調(diào)制上行信號(hào)，再發(fā)送到OLT。光環(huán)回技術(shù)避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點(diǎn)。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(hào)。為了在OLT和ONU間保持無源設(shè)備，放大器必須放在ONU內(nèi)，這樣就導(dǎo)致了ONU成本的增加。光環(huán)回的另一個(gè)缺點(diǎn)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(hào)分離在不同的光纖里進(jìn)行傳輸，這樣導(dǎo)致了光纖和路由器端口數(shù)量成倍增加，設(shè)備安裝維護(hù)的復(fù)雜度提高。

（3）光譜分割

光譜分割的原理是：WDMPON利用寬帶光源作為ONU的光源，發(fā)射光通過AWG后，輸出信號(hào)的頻譜是原來寬帶信號(hào)的一部分，其波長取決于與ONU相連的復(fù)用器端口，輸出信號(hào)復(fù)用到一根光纖上，在OLT通過解復(fù)用器到達(dá)目的接收機(jī)。目前WDMPON系統(tǒng)中普遍采用窄帶光濾波器對(duì)寬頻譜的光源進(jìn)行頻譜分割，使每個(gè)WDM信道獲得惟一光波作為上行光源。頻譜分割WDMPON系統(tǒng)采用寬帶光源（如LED），與可調(diào)諧單頻激光器相比，寬帶光源具有設(shè)備簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)成本敏感的接入網(wǎng)很有吸引力。光譜分割的主要缺點(diǎn)是頻譜分割導(dǎo)致光功率損耗很大（18 dB），而LED的入纖功率一般只有-10 dBm，造成功率預(yù)算緊張；引起信道間的串?dāng)_，限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍；多�；�?qū)拵Ч庠垂逃械膸追N噪聲（模分散噪聲、強(qiáng)度噪聲、光差拍噪聲）的存在，使調(diào)制速率受限。

（4）波長鎖定FP激光器

最近基于波長鎖定FP激光器的WDMPON系統(tǒng)被采納并開始商用，該系統(tǒng)把FP激光器作為OLT和ONU的信號(hào)發(fā)射器。工作原理是：摻鉺光纖放大器產(chǎn)生光譜放大自發(fā)輻射（ASE）信號(hào)，ASE信號(hào)通過OLT到達(dá)AWG，被AWG進(jìn)行光譜分割后產(chǎn)生多個(gè)窄帶信號(hào)，這些信號(hào)被注入不同的ONU的同一類型FP激光器中，迫使FP激光器產(chǎn)生單波長模式，抑制了多波長模式的產(chǎn)生。最新的產(chǎn)品可支持16個(gè)WDM信道，信道間隔為200 GHz，每信道速率為1.25 Gbit/s，可支持大約21 dB的ODN鏈路預(yù)算。

5、結(jié)束語

PON自出現(xiàn)以來，經(jīng)過多年發(fā)展，形成了APON、EPON、GPON、WDMPON等一系列技術(shù)，而WDMPON結(jié)合了WDM技術(shù)和PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，日益成為一種高性能的接入方式。目前WDMPON系統(tǒng)面臨的最大困難在于器件成本過高，多數(shù)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室的理論研究階段。在光接入網(wǎng)方面表現(xiàn)突出的韓國，最近開始測(cè)試并小規(guī)模試商用WDMPON系統(tǒng)，其最大運(yùn)營商KT與一家新興器件公司Novera，于2005年開始合作進(jìn)行5萬戶、16波的WDMPON實(shí)驗(yàn)。Novera的突破在于使局端設(shè)備不需要多個(gè)激光器從而降低了系統(tǒng)成本，并且使用了波長鎖定和溫度穩(wěn)定AWG技術(shù)。該公司預(yù)測(cè)：利用特殊的光學(xué)技術(shù)，有可能將每用戶成本降低到目前EPON每用戶成本的2倍以下，隨著使用量的增長價(jià)格還會(huì)降低。雖然WDMPON技術(shù)還不穩(wěn)定，但相關(guān)器件技術(shù)的成熟和用戶帶寬需求的增長，必將推動(dòng)業(yè)界和市場對(duì)WDMPON技術(shù)的持續(xù)關(guān)注。