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,使得人們對(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),使傳統(tǒng)的接入方式不能滿(mǎn)足帶寬的需求。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析,未來(lái)3年,用戶(hù)的平均帶寬需求將超過(guò)10M。與其他有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)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很大的優(yōu)勢(shì)。隨著低成本
PON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,運(yùn)營(yíng)商接入網(wǎng)絡(luò)光纖化的想法將逐步得以實(shí)現(xiàn)。
目前,無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(
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)。“無(wú)源”是指
ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源,全部由光
分路器(Splitter)等無(wú)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)分配方式可以分為功率分割型無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PS
PON)和波分復(fù)用型無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(
WDMPON)。目前,A
PON、B
PON、E
PON、G
PON均屬于PS
PON。PS
PON采用星型耦合器分路,上/下行傳送采用TDMA/TDM方式,實(shí)現(xiàn)共享信道帶寬,
分路器通過(guò)功率分配將
OLT發(fā)出的信號(hào)分配到各個(gè)
ONU上。
WDMPON則是將波分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用在
PON中,光
分路器通過(guò)識(shí)別
OLT發(fā)出各種波長(zhǎng),將信號(hào)分配到各路
ONU。
雖然PS
PON較為成熟,特別是E
PON、G
PON在北美、日本已經(jīng)有較大規(guī)模的部署,但PS
PON仍然存在關(guān)鍵問(wèn)題需要解決,比如快速比特同步、動(dòng)態(tài)帶寬分配、基線(xiàn)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。雖然一些問(wèn)題得到了解決,但成本較高。而基于波分復(fù)用技術(shù)的
WDMPON采用波長(zhǎng)作為用戶(hù)端
ONU的標(biāo)識(shí),利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)上行接入,能夠提供較寬的工作帶寬,可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的對(duì)稱(chēng)寬帶接入。同時(shí),還可以避免時(shí)分多址技術(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)性能方面具有明顯優(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(wú)源光器件的成本大幅度下降,質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的
WDM器件不斷出現(xiàn),
WDMPON技術(shù)將成為
PON接入網(wǎng)一個(gè)可以預(yù)見(jiàn)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(wèn)題逐一進(jìn)行分析。
OLT光源的選擇
目前,有多種方法構(gòu)造多波長(zhǎng)光源。第一種方法是選擇一組波長(zhǎng)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(zhǎng)的下行信號(hào)。DFB激光器陣列輸出光譜可以通過(guò)控制溫度統(tǒng)一調(diào)諧,容易實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)監(jiān)控,但由于DFB激光器輸出波長(zhǎng)隨波導(dǎo)有效折射率變化,很難精確控制輸出光譜與波長(zhǎng)路由器信道間隔匹配。
第二種方法是采用多頻激光器(MFL)。MFL是一種基于集成半導(dǎo)體放大器和WGR(WaveguideGratingRouter)技術(shù)的新型
WDM激光器,包含N個(gè)光放大器和一個(gè)1хN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(zhǎng)由陣列波導(dǎo)光柵的濾波特性決定。通過(guò)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(zhǎng)的下行信號(hào)。MFL的波長(zhǎng)間隔由陣列波導(dǎo)光柵中的波導(dǎo)長(zhǎng)度差決定,可以精確控制,各波長(zhǎng)可以通過(guò)控制同一個(gè)溫度統(tǒng)一調(diào)節(jié),便于波長(zhǎng)監(jiān)控,是理想的
OLT光源。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出16信道間隔為200GHz和20信道間隔為400GHz的MFL的產(chǎn)品,直接調(diào)制速率為622Mbit/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)光纖激光器產(chǎn)生一個(gè)1.5um附近70nm譜寬的脈沖,這一脈沖被22KM長(zhǎng)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)的方式被加以編碼。
光
分路器的選擇
在
WDM-
PON中,波分復(fù)用器通常稱(chēng)為波長(zhǎng)路由器,它解復(fù)用下行信號(hào),并分配給指定的OUN,同時(shí)把上行信號(hào)復(fù)用到一根光纖,傳輸?shù)?A href="http://odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=OLT&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">OLT。波長(zhǎng)
分路器主要由陣列波導(dǎo)光柵(AWG)構(gòu)成。目前,在波長(zhǎng)
分路器實(shí)現(xiàn)中需要關(guān)注串?dāng)_、溫度穩(wěn)定性問(wèn)題以及色散效應(yīng)。
針對(duì)AWG器件,由于隔離度不理想或者非線(xiàn)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,都集成在同一襯底。聚焦模場(chǎng)和輸出波導(dǎo)的場(chǎng)分布不是矩形結(jié)構(gòu),它是串?dāng)_的最直接來(lái)源。目前,已經(jīng)有三種方法來(lái)抑制串?dāng)_,即激光束逐點(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的主要材料是石英,而石英的折射率易隨著溫度的變化而變化,因此,AWG復(fù)用的信道波長(zhǎng)容易受溫度的影響。溫度變化時(shí),如何保證信道波長(zhǎng)的穩(wěn)定性是一個(gè)值得研究的問(wèn)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)或在陳列波導(dǎo)之間刻蝕不同長(zhǎng)度的凹槽的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。此種方法可以讓AWG的光譜響應(yīng)在-20℃~80℃幾乎沒(méi)有變化。另外,也有利用聚合物材料制造陣列波導(dǎo)光柵的,如丙稀鹽酸和聚硅樹(shù)脂,這些材料可以減少熱膨脹系數(shù),使折射率得到控制。
隨著
WDMPON系統(tǒng)接入距離的增加,光纖色散和陣列波導(dǎo)的色散效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增加。目前認(rèn)為能夠比較好地解決色散效應(yīng)的方法是色散補(bǔ)償光纖光柵,通過(guò)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(mǎn)足要求,則認(rèn)為此波導(dǎo)光柵的色散補(bǔ)償特性較好。
ONU光源的選擇
ONU的光源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(zhǎng)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(mǎn)足要求,但由于價(jià)格昂貴、仍處于實(shí)驗(yàn)階段,距市場(chǎng)化應(yīng)用還有一定的距離。
2.回環(huán)。光回環(huán)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。光回環(huán)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(méi)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(wú)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?;丨h(huán)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,導(dǎo)致光纖數(shù)量、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
WDM-
PON利用寬帶光源作為
ONU的光源,發(fā)射光通過(guò)復(fù)用器AWG后,輸出信號(hào)的頻譜是原來(lái)寬帶信號(hào)的一部分,其波長(zhǎng)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(guò)解復(fù)用器到達(dá)目的接收機(jī)。目前,
WDM-
PON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信道獲得唯一光波作為上行光源。頻譜分割
WDM-
PON系統(tǒng)采用寬帶光源(如LED,發(fā)光二極管),與可調(diào)諧單頻激光器相比,寬帶光源簡(jiǎn)單,成本低,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(18dB),而LED的入纖功率一般只有-10dBm,造成功率預(yù)算緊張;還會(huì)引起信道間的串?dāng)_,限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍;同時(shí),由于多?;?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,使得調(diào)制速率受限。
4.波長(zhǎng)鎖定FP激光器。最近,基于波長(zhǎng)鎖定FP激光器的
WDMPON系統(tǒng)被采納并開(kāi)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。工作原理為摻鉺光纖放大器產(chǎn)生光譜放大自發(fā)輻射(ASE)信號(hào),ASE通過(guò)
OLT到達(dá)AWG,并被AWG進(jìn)行光譜分割,產(chǎn)生多個(gè)窄帶信號(hào)。這些信號(hào)被注入到不同的
ONU的同一類(lèi)型的FP激光器中,迫使FP激光器產(chǎn)生單波長(zhǎng)模式,抑制了多波長(zhǎng)模式的產(chǎn)生。最近的產(chǎn)品可支持16個(gè)
WDM信道,信道間隔為200GHz,每信道速率為1.25Gb/s,可支持大約21dB的
ODN鏈路預(yù)算。
自
PON出現(xiàn)以來(lái),經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,形成了A
PON、E
PON、G
PON、
WDM-
PON等一系列技術(shù)概念,而
WDM-
PON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,
WDM-
PON系統(tǒng)面臨的最大困難是器件成本過(guò)高,多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室的理論研究階段。但在光接入網(wǎng)方面表現(xiàn)突出的韓國(guó),最近開(kāi)始測(cè)試并小規(guī)模試商用
WDM-
PON系統(tǒng),其最大的運(yùn)營(yíng)商KT與一家新興器件公司Novera于2005年開(kāi)始合作進(jìn)行50000戶(hù)、16波的
WDM-
PON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,使用了波長(zhǎng)鎖定和溫度穩(wěn)定的AWG技術(shù)。同時(shí),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(hù)成本降低到目前E
PON每用戶(hù)成本的兩倍以下,并且隨著使用量的增長(zhǎng),價(jià)格還會(huì)降低。雖然
WDM-
PON技術(shù)還不穩(wěn)定,但隨著相關(guān)器件技術(shù)的成熟和用戶(hù)帶寬需求的增長(zhǎng),將推動(dòng)業(yè)界和市場(chǎng)對(duì)
WDM-
PON技術(shù)的持續(xù)關(guān)注。(胡靜余)