光電通信：WDM-PON關(guān)鍵技術(shù)解析

為了在接入網(wǎng)部分提供更高的帶寬，全球運(yùn)營商都開始逐步實(shí)施“光進(jìn)銅退”計(jì)劃，部署以EPON、GPON為代表的無源光網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)而言，EPON、GPON都工作在時(shí)分復(fù)用方式下，可統(tǒng)稱為TDM-PON。TDM-PON在單一波長上為每用戶分配時(shí)間片的機(jī)制，既限制了每用戶的可用帶寬，又大大浪費(fèi)了光纖自身的可用帶寬。將波分復(fù)用技術(shù)引入到PON系統(tǒng)中，即WDM-PON，將可以極大地增加用戶接入帶寬，滿足用戶的終極需求，因此WDM-PON也被認(rèn)為是下一代接入網(wǎng)的解決方案。

發(fā)射機(jī)光源

ONU光源

WDM-PON系統(tǒng)中的各種ONU光源技術(shù)都屬于單波長光源的范疇。FP-LD和RSOA是當(dāng)前WDM-PON系統(tǒng)主要使用的無色ONU的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 其中FP-LD已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的光通信系統(tǒng)中，在WDM-PON系統(tǒng)中使用的FP-LD雖然略有不同（如要求前表面反射率較低而后表面較高），但其成本仍然比較低廉，并且產(chǎn)量也相對(duì)較大。 而對(duì)SOA而言，本身在光網(wǎng)絡(luò)和光模塊中有多種應(yīng)用，除了作為放大器使用外，利用其非線性效應(yīng)還可實(shí)現(xiàn)調(diào)制、波長變換、再生以及高速（尤其是40Gb/s以上）光交換等各種功能。對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行略微改動(dòng)即可得到反射型器件RSOA，這在WDM-PON系統(tǒng)中尤為有用。 總的來說，SOA/RSOA器件雖然功能多樣，工藝也較成熟，并且可針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，但可視作仍然停留在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段，商用市場(chǎng)才處于起步階段，當(dāng)前也沒有需要廣泛應(yīng)用SOA/RSOA器件的驅(qū)動(dòng)力。世界上制造SOA/RSOA產(chǎn)品的供應(yīng)商還不太多，規(guī)模比較大的包括英國的CIP、蘇格蘭的Kamelian等，韓國的ETRI也在自行研制用于WDM-PON系統(tǒng)的RSOA器件并提供給Corecess。但目前用于WDM-PON的RSOA器件價(jià)格還比較昂貴，有待于生產(chǎn)的規(guī)?；赃M(jìn)一步降低成本。

OLT光源

而對(duì)OLT而言，由于要使用不同的波長與各個(gè)ONU進(jìn)行通信，使用這種單波長光源的方案就很不方便。OLT光源也可以采用寬譜光源頻譜分割的方式，但由于頻譜分割會(huì)引入較大的損耗（約18dB），會(huì)造成功率預(yù)算緊張，因此目前主要采用多波長光源。多波長光源是在一個(gè)集成的器件上，可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波長的光，它很適合用作WDM-PON系統(tǒng)中的OLT光源。目前多波長光源主要有以下幾種。

多頻激光器（MFL）：如圖1所示，在多頻激光器中，集成了一個(gè)1×N的陣列波導(dǎo)光柵和N個(gè)光放大器，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(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，是理想的OLT光源。在多頻激光器中也可以進(jìn)行直接調(diào)制，但由于激光腔比較長，調(diào)制速度也受到限制。16信道間隔為200GHz和20信道間隔為400GHz的MFL已經(jīng)推出，直接調(diào)制速率為622Mbit/s。

圖1：多頻激光器結(jié)構(gòu)示意圖

增益耦合DFB激光器陣列：DFB激光器陣列是在同一襯底上制造多個(gè)性質(zhì)相同的InGaAsP/InP多量子阱波導(dǎo)激光器，它是一種集成的多波長光源。DFB激光器陣列在一個(gè)激光器模塊上將增益耦合機(jī)制和調(diào)諧能力結(jié)合起來，波長調(diào)諧是通過控制溫度來實(shí)現(xiàn)的。器件上集成了薄膜電阻，控制其溫度可以改變波長，這種方式可得到幾近連續(xù)的調(diào)諧。這種器件的優(yōu)點(diǎn)在于緊湊的尺寸和高速調(diào)制特性，但是它也存在一個(gè)主要問題，即難以精確控制陣列中每個(gè)激光器的波長，因?yàn)槊總€(gè)激光波長是由獨(dú)立的濾波器決定的。

超連續(xù)激光光源：使用飛秒級(jí)激光器產(chǎn)生一個(gè)飛秒級(jí)脈沖，經(jīng)過非線性介質(zhì)傳輸后，由于自相位調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致脈沖擴(kuò)展和線性頻率啁啾。在展寬的頻譜上，波長隨時(shí)間線性增加，因而不同的波長占用不同的時(shí)隙，下行數(shù)據(jù)通過TDM方式調(diào)制在各信道上。展寬的頻譜可被放大和分路，以支持多個(gè)PON，為大量用戶所共享。 ?

波分復(fù)用器

在WDM-PON中，波分復(fù)用器通常稱作波長路由器，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。它的主要指標(biāo)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、AWG等。在通道數(shù)不多的情況下，薄膜干涉濾波器和光纖光柵是比較好多一種選擇；而對(duì)于16路以上的WDM系統(tǒng)，復(fù)用/解復(fù)用器件大多選用AWG，這主要是因?yàn)锳WG是損耗與通路數(shù)無關(guān)。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(diǎn)，促進(jìn)了WDM-PON的發(fā)展。

雖然目前AWG在DWDM系統(tǒng)中已經(jīng)被廣泛使用，但應(yīng)用于PON網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無法使用有源的溫控裝置，將會(huì)面臨由于溫度變化引起的波長漂移問題，因此熱不敏感AW（AAWG）對(duì)WDM-PON系統(tǒng)至關(guān)重要。目前熱不敏感的AWG技術(shù)上已比較成熟，但價(jià)格與普通AWG相比稍貴，如果能夠量產(chǎn)并得到廣泛應(yīng)用，熱不敏感的AWG的成本將與普通AWG的成本基本相當(dāng)。

WDM接收機(jī)

WDM-PON系統(tǒng)中的接收機(jī)包括光電探測(cè)器和信號(hào)恢復(fù)的伴隨電路（數(shù)字光接收機(jī)）。

常用的光電探測(cè)器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管，根據(jù)所需的敏感度有不同的應(yīng)用。數(shù)字光接收機(jī)通常由前置放大器、主放大器和時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（CDR）組成。 WDM-PON中接收機(jī)由解復(fù)用器和接收機(jī)陣列組成。在WDM接收機(jī)中，需考慮解復(fù)用器處的線性串音，線性串音會(huì)引起功率損耗迅速增加?？刂拼舻姆椒ㄓ袑?duì)來自各ONU的功率均衡，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行雙重濾波等。 ? ?

波長監(jiān)控

由于WDM-PON中采用多個(gè)波長，而且由于AWG一般放在露天，并且沒有溫度控制，因此溫度對(duì)于AWG通帶變化的影響非常重要。一般說來，AWG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DWDM的波長間隔在同一數(shù)量級(jí)上（100~200GHz），將嚴(yán)重影響WDM-PON的工作。因此，需要在OLT中進(jìn)行波長的檢測(cè)和調(diào)諧工作。

波長監(jiān)控采用差分算法，比較一個(gè)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(hào)，如果小于上一時(shí)刻的差值信號(hào)，溫度按當(dāng)前方向改變?chǔ)，反之說明信道失配增加，溫度以反方向改變?chǔ)。該方法要適當(dāng)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(cè)下行信道功率和監(jiān)測(cè)上行信道功率實(shí)現(xiàn)。對(duì)于只在下行采用 WDM的復(fù)合PON，只能監(jiān)測(cè)下行信道功率，這種方法需要附加環(huán)回光纖，或一個(gè)監(jiān)控信道和光纖光柵。對(duì)于上行采用頻譜分割WDM-PON，可以通過在OLT比較解復(fù)用前后的上行信號(hào)功率，進(jìn)行波長監(jiān)控只需增加耦合器，不需要附加的信道。

——本文轉(zhuǎn)自《WDM-PON技術(shù)的研究》

編輯：黃飛

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