WDM無源光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

來源：上海交通大學(xué)      作者：邱紹峰　范戈

   摘要　介紹了WDM無源光網(wǎng)絡(luò)作為一種寬帶接入技術(shù)的優(yōu)勢及基本工作原理，并對其關(guān)鍵技術(shù)，如多波長激光器、波長路由器、波長監(jiān)控、頻譜分割、媒質(zhì)接入控制等，作了分析和探討。

   關(guān)鍵詞　WDM　無源光網(wǎng)絡(luò)　光纖接入網(wǎng)

   1　引言

   無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）提供光線路終端（OLT）和多個光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的連接，共享OLT到遠端節(jié)點（RN）之間的光纖媒質(zhì)，具有成本低、便于維護、對各種業(yè)務(wù)透明等優(yōu)點，同時PON能夠平滑地過渡到FTTH，因而具有美好的發(fā)展前景。PON可以分為功率分割型無源光網(wǎng)絡(luò)（PSPON）和波分復(fù)用型無源光網(wǎng)絡(luò)（WDMPON）。PSPON采用星型耦合器分路，上/下行傳送采用TDMA/TDM方式實現(xiàn)共享信道帶寬，加上功率分路，從而限制了ONU數(shù)量。WDM技術(shù)使用多個波長信道增加系統(tǒng)容量，具有支持大量ONU的能力。同時考慮到接入網(wǎng)作為國家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，WDM技術(shù)具有長遠的生命力，并且質(zhì)優(yōu)價廉的WDM器件將不斷出現(xiàn)，因此，把WDM技術(shù)引入接入網(wǎng)是一個發(fā)展趨勢。

   2WDM-PON的原理

   在PON中引入WDM技術(shù)有兩種方案，一種是為每個ONU分配一對波長，分別用于上行和下行傳輸，這樣就提供了OLT到各ONU固定的虛擬點對點雙向連接。另一種是根據(jù)需要為ONU動態(tài)分配波長，各ONU能夠波長共享，網(wǎng)絡(luò)具有可重構(gòu)性。

   OLT中使用多波長光源，下傳給ONU1、ONU2……ONUn的數(shù)據(jù)以直接調(diào)制或外調(diào)制方式，加到波長為λ1、λ2、……λn的光載波上發(fā)送，通過波 長路由把信號分配給目的ONU，完成下行傳輸。上行傳輸時，ONU間采用WDMA解決信道爭用問題，每個ONU使用一個特定的波長，因而不需要定時和網(wǎng)絡(luò) 同步。上行信號通過波長路由器復(fù)用到一跟光纖上，傳到OLT接收端，由WDM接收機接收。

   另一種方案稱為可重構(gòu)WDM- PON，其下行傳輸與第一種方案相同，上行傳輸時，ONU先使用控制信道向OLT發(fā)送傳輸申請，OLT調(diào)度申請為ONU分配波長和時隙，并在下行幀中通知 ONU，ONU收到分配信息后，調(diào)諧到分配到波長上，在給定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種方案中，ONU需要配置一個固定發(fā)射機（控制信道）和一個可調(diào)發(fā)射機 （數(shù)據(jù)信道），其優(yōu)點是上行波長動態(tài)分配，能夠支持更多的ONU，提高了波長信道的利用率。
　　
   3WDM-PON的關(guān)鍵技術(shù)

   3.1多波長光源

   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，利用溫度調(diào)諧產(chǎn)生多波長的下行信號。由于各個波長獨立調(diào) 節(jié)，需要監(jiān)控每個波長，系統(tǒng)變的非常復(fù)雜。集成DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制溫度統(tǒng)一調(diào)諧，易于實現(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，精確控制輸出光譜與波長路由器信道間隔相當匹配困難。

   第二種方法是采用多頻激光器（MFL）。MFL包含N個光放大器和一個1''''N的陣列波導(dǎo)光柵， 陣列波導(dǎo)光柵的每個輸入端集成一個光放大器。在光放大器和陣列波導(dǎo)光柵輸出端之間形成一個光學(xué)腔，如果放大器提供足夠的增益克服腔內(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)制各個放大器的偏置電流，就可以產(chǎn)生多波長的下行信號。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溫度統(tǒng)一調(diào)節(jié)，便于波長監(jiān)控，是理想的OLT光源。16信道間隔為200GHz和20信道間隔為 400GHz的MFL已有報道，直接調(diào)制速率為622Mbit/s。

   3.2波分復(fù)用器

   在WDM -PON中，波分復(fù)用器通常稱為波長路由器，它解復(fù)用下行信號，并分配給指定的OUN，同時把上行信號復(fù)用到一根光纖，傳輸?shù)絆LT。它的主要指標有插入 損耗、串音、信道間距、偏振依賴性和溫度敏感性等。目前已有多種結(jié)構(gòu)的器件，如薄膜干涉濾光片、聲光濾波器、光纖光柵、陣列波導(dǎo)柵等。最近幾年發(fā)展的陣列 波導(dǎo)光柵具有尺寸小、易于集成、通道間距窄、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，促進了WDM-PON的發(fā)展。由于石英玻璃的折射率隨溫度變化而發(fā)生變化，陣列波導(dǎo)光柵的信 道波長受溫度影響。為解決這一問題，已報道了幾種對溫度不敏感的波導(dǎo)型復(fù)用器，其中采用溫度補償方法的復(fù)用器對0-85℃范圍內(nèi)的溫度變化不敏感，具有良 好的性能，有望得廣泛應(yīng)用。

   3.3WDM接收機

   WDM接收機由解復(fù)用器和接收機陣列組成。在WDM接收機中，需考慮解復(fù)用器處的線性串音。

   3.4波長監(jiān)控

   由于WDM-PON中采用多個波長，而且由于波長路由器一般放在露天，并且沒有溫度控制，因此，溫度對于波長路由器通帶變化的影響非常重要。一般說來， 波長路由器的溫差范圍為-40--85℃，通帶偏移率為0.011nm/℃。因此，在這樣的溫差下，波長將有1.4nm的偏移。這樣的偏移將與WDM的波 長間隔同數(shù)量級（100GHz-200GHz），將嚴重影響WDM-PON的工作。因此，需要OLT中進行波長的檢測與調(diào)諧工作。或者可以采用Set- and -forget的方法，讓各復(fù)用波長之間的間隔足夠大（400GHz-500GHz），這樣可以不對波長進行調(diào)整而使溫度變化導(dǎo)致的通帶偏移在允許范圍內(nèi) 而不對系統(tǒng)性能發(fā)生不良影響。但是占用的寬光譜不僅僅使資源浪費，而且會使光譜大于正常EDFA的放大范圍。另一種方法是采用對溫度不敏感的波長路由器， 可以不需要或簡化波長監(jiān)控。

   波長監(jiān)控采用差分算法，比較一個信道的發(fā)送功率與通過波長路由器的功率，得到差值信號，如果小于上一時刻的差值信號，溫度按當前的方向改變ΔT，反之說明信道失配增加，溫度以反方向改變ΔT。該方向要適當選取溫度調(diào)節(jié)的速率和步距ΔT。

   波長監(jiān)控可采用監(jiān)測下 行信道功率和監(jiān)測上行信道功率實現(xiàn)。對于只在下行采用WDM的復(fù)合PON，只能監(jiān)測下行信道功率，這種方法需要附加的環(huán)回光纖，或一個監(jiān)控信道和光纖光 柵。對于上行采用頻譜分割的WDM-PON，可以通過在OLT比較解復(fù)用前后的上行信號功率，進行波長監(jiān)失只需增加耦合器，不需要附加的信道。

   3.5ONU光源

   在ONU的設(shè)計中，雖然各個ONU要產(chǎn)生不同的上行波長，為了安裝和維護方便，要求各個ONU一模一樣。ONU中產(chǎn)生的上行激光要功率足夠大，能容忍或 調(diào)整由于溫度變化（-40-85℃）造成的波長偏移。寬調(diào)諧單模DFB激光器或DFB激光器陣列可以滿足要求，但目前還處于實驗階段，同時造價昂貴，距實 用化還很遙遠。光環(huán)回技術(shù)和頻譜分割光源是兩種可行方案。

   光環(huán)回技術(shù)是利用一部分下行光信號作為載波，在ONU中調(diào)制中，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。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持下行和上行傳輸，而且因為有來回兩程，接收到的 上行信號動態(tài)范圍是一般動態(tài)范圍的2倍。同時幀結(jié)構(gòu)需要分成下行和上行兩部分，假設(shè)平均分配，則上、下行的線速率加倍，接收機的靈敏度降低，增加了功率代 價。對于單纖雙向傳輸，還需考慮瑞利散射的影響。解決的辦法是采用高功率OLT光源或在ONU中使用集成半導(dǎo)體光放大器的調(diào)制器。上行和下行信號要通過雙纖傳輸，以避免瑞利散射產(chǎn)生的干擾。

   頻譜分割是采用寬帶光 源，如LED，發(fā)射光通過復(fù)用器后，輸出信號譜都是原來寬帶信號的一部分，輸出信號的波長取決于跟LED相連的復(fù)用器端口。這里的光復(fù)用器相當于中心頻率 互不相同的一組光濾波器。與寬調(diào)諧單頻激光器相比，寬帶光源簡單，成本低，因此頻譜分割技術(shù)在WDM-PON中具有吸引力。但是復(fù)用器和解復(fù)用器的頻譜響 應(yīng)引起的頻譜分割損耗很大（18dB），而且LED的入纖功率一般只有-10dBm，造成了功率預(yù)算問題，另我鉗制的F-P激光器或集成放大器的LED等 寬帶光源技術(shù)逐漸成熟將有望提供定喧光源。頻譜分割會引起較大的線性串擾，限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，需要適當?shù)倪x擇復(fù)用器和解復(fù)用器的通帶譜寬以及信道間隔。

   3.6媒質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議
  
   在接入網(wǎng)中，用戶數(shù)多于波長數(shù)，因此需要一種接入機制提供波長共享。許多用于廣播-選擇星型網(wǎng)的WDM MAC協(xié)議已經(jīng)提出，但這些協(xié)議已經(jīng)提出，但這些協(xié)議都是針對傳輸時延小、固定分組長度的局域網(wǎng)，在傳輸時延相當大的接入網(wǎng)中執(zhí)行效率不高。另外，接入網(wǎng)中除數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)外，還有語音、視頻等實時業(yè)務(wù)，需要對不同的業(yè)務(wù)采用不同的調(diào)度策略，以提供QoS保證。
　 　
   ONU位于系統(tǒng)的用戶側(cè)，提供接入網(wǎng)和用戶網(wǎng)的線路終端功能，OLT位于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，負責上行數(shù)據(jù)幀的調(diào)度和波長信道分配，并提供與寬帶公用網(wǎng)的接口。 ONU通過控制信道λc向OLT發(fā)送傳輸請求，請求內(nèi)容為該ONU的地址以及待發(fā)送幀的長度。OLT收到傳輸請求后，根據(jù)ONU的地址將待發(fā)送幀的長度寫 入相應(yīng)的請求隊列，通過分組調(diào)度算法決定ONU的發(fā)送次序，然后通過信道分配算法為ONU分配信道，并將發(fā)送信息通過下行信道廣播給ONU，ONU根據(jù)發(fā) 送信息在分配的信道和時隙上安排數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，這樣便從邏輯上解決了共享信道的問題。另外，OLT通過測距系統(tǒng)測量各ONU的位置并通知ONU，ONU引 入時延補償，實現(xiàn)各信道時隙同步。

   4結(jié)論

   與其它寬帶接入相比，WDM-PON初期投資大。此 外，WDM-PON所需的各種光電器件還不成熟，如多頻激光器、寬調(diào)諧單頻激光器及集成放大器的LED等還沒有進入大規(guī)模商用化段。對于上行傳輸，光環(huán)回 技術(shù)或頻譜分割都存在技術(shù)問題需要解決。但從長遠看，一方面由于WDM技術(shù)在骨干網(wǎng)及城域網(wǎng)中的應(yīng)用，促進WDM器件成熟和價格下降；另一方面，用戶需求寬帶業(yè)務(wù)是必然的趨勢，密集波分復(fù)用技術(shù)會成為寬帶接入的選擇方案。

   (編輯:xiaoyao)