波分復用無源光網(wǎng)絡(WDM PON)核心技術分析

        隨著互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展，各種新業(yè)務層出不窮，使得人們對網(wǎng)絡接入帶寬的需求持續(xù)增加，特別是網(wǎng)絡游戲、會議電視、視頻點播等業(yè)務，使傳統(tǒng)的接入方式不能滿足帶寬的需求。據(jù)相關數(shù)據(jù)分析，未來3年，用戶的平均帶寬需求將超過10M。與其他有線、無線接入技術相比，光纖接入在帶寬容量和覆蓋距離方面具有很大的優(yōu)勢。隨著低成本PON技術的出現(xiàn)和迅速成熟，以及光纖光纜成本的快速下降，運營商接入網(wǎng)絡光纖化的想法將逐步得以實現(xiàn)。
 
        目前，無源光網(wǎng)絡（PON）是解決接入網(wǎng)“最后一公里”、實現(xiàn)FTTX的最具吸引力的技術。“無源”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）等無源器件組成。因此，其管理維護的成本較低，這是PON在接入網(wǎng)發(fā)展中最具優(yōu)勢的一面。 

         PON按信號分配方式可以分為功率分割型無源光網(wǎng)絡（PSPON）和波分復用型無源光網(wǎng)絡（WDMPON）。目前，APON、BPON、EPON、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，實現(xiàn)共享信道帶寬，分路器通過功率分配將OLT發(fā)出的信號分配到各個ONU上。WDMPON則是將波分復用技術運用在PON中，光分路器通過識別OLT發(fā)出各種波長，將信號分配到各路ONU。 

        雖然PSPON較為成熟，特別是EPON、GPON在北美、日本已經(jīng)有較大規(guī)模的部署，但PSPON仍然存在關鍵問題需要解決，比如快速比特同步、動態(tài)帶寬分配、基線漂移、ONU的測距與延時補償、突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設計等。雖然一些問題得到了解決，但成本較高。而基于波分復用技術的WDMPON采用波長作為用戶端ONU的標識，利用波分復用技術實現(xiàn)上行接入，能夠提供較寬的工作帶寬，可以實現(xiàn)真正意義上的對稱寬帶接入。同時，還可以避免時分多址技術中ONU的測距、快速比特同步等諸多技術難點，并且在網(wǎng)絡管理以及系統(tǒng)升級性能方面具有明顯優(yōu)勢。隨著技術的進步，波分復用光器件的成本尤其是無源光器件的成本大幅度下降，質(zhì)優(yōu)價廉的WDM器件不斷出現(xiàn)，WDMPON技術將成為PON接入網(wǎng)一個可以預見的發(fā)展趨勢。下面，對WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技術問題逐一進行分析。
OLT光源的選擇 

         目前，有多種方法構造多波長光源。第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。DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制溫度統(tǒng)一調(diào)諧，容易實現(xiàn)波長監(jiān)控，但由于DFB激光器輸出波長隨波導有效折射率變化，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體放大器和WGR（WaveguideGratingRouter）技術的新型WDM激光器，包含N個光放大器和一個1хN的陣列波導光柵，陣列波導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光柵輸出端之間形成一個光學腔，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光柵中的波導長度差決定，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。目前已經(jīng)開發(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光源。它使用了一個飛秒級（10-15）光纖激光器產(chǎn)生一個1.5um附近70nm譜寬的脈沖，這一脈沖被22KM長的標準單模光纖啁啾。隨著脈沖的傳輸，數(shù)據(jù)可在高速調(diào)制器中以比特交錯的方式被加以編碼。
光分路器的選擇 

        在WDM－PON中，波分復用器通常稱為波長路由器，它解復用下行信號，并分配給指定的OUN，同時把上行信號復用到一根光纖，傳輸?shù)?A href="http://m.getprofitprime.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=OLT&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">OLT。波長分路器主要由陣列波導光柵（AWG）構成。目前，在波長分路器實現(xiàn)中需要關注串擾、溫度穩(wěn)定性問題以及色散效應。 

        針對AWG器件，由于隔離度不理想或者非線性光學效應的影響，其他光通道的信號會泄露到傳輸通道形成噪聲，從而對系統(tǒng)性能造成影響。AWG由輸入輸出波導、平板波導和波導陣列組成，都集成在同一襯底。聚焦模場和輸出波導的場分布不是矩形結構，它是串擾的最直接來源。目前，已經(jīng)有三種方法來抑制串擾，即激光束逐點掃描法、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復用的信道波長容易受溫度的影響。溫度變化時，如何保證信道波長的穩(wěn)定性是一個值得研究的問題。目前，人們已研究出多種方法增強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或在陳列波導之間刻蝕不同長度的凹槽的方法來實現(xiàn)溫度控制。此種方法可以讓AWG的光譜響應在-20℃～80℃幾乎沒有變化。另外，也有利用聚合物材料制造陣列波導光柵的，如丙稀鹽酸和聚硅樹脂，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的色散效應會導致系統(tǒng)誤碼率增加。目前認為能夠比較好地解決色散效應的方法是色散補償光纖光柵，通過在AWG中加入補償光纖光柵改善色散特性。色散補償是對頻率的二次相移所造成的脈沖展寬進行壓縮補償。如果波導光柵輸出的響應頻率的二次相移特性比較平坦，頻帶較寬且幅度滿足要求，則認為此波導光柵的色散補償特性較好。 

        ONU光源的選擇 

        ONU的光源選擇原則是易于安裝維護、成本低、光譜應工作于WDMPON的整個波長范圍內(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，但由于價格昂貴、仍處于實驗階段，距市場化應用還有一定的距離。 

        2.回環(huán)。光回環(huán)技術是利用OLT發(fā)出的一部分下行光信號作為載波，在ONU中調(diào)制上行信號，再發(fā)送到OLT。光回環(huán)技術避免了使用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。為了在OLT和ONU間保持無源設備，放大器必須放在ONU內(nèi)，這樣就導致了ONU成本的增加?；丨h(huán)的另一個缺點是，為了避免瑞利后向散射造成的較大干擾，必須將上下行信號分離在不同的光纖里進行傳輸，導致光纖數(shù)量、路由器端口數(shù)量成倍增加，設備安裝維護的復雜度提高。 

        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)射光通過復用器AWG后，輸出信號的頻譜是原來寬帶信號的一部分，其波長取決于與ONU相連的復用器端口，輸出信號復用到一根光纖上，在OLT通過解復用器到達目的接收機。目前，WDM－PON系統(tǒng)中普遍采用窄帶光濾波器對寬頻譜的光源進行頻譜分割，使每個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，寬帶光源簡單，成本低，對成本敏感的接入網(wǎng)很有吸引力。光譜分割的主要缺點是頻譜分割導致光功率損耗很大（18dB），而LED的入纖功率一般只有-10dBm，造成功率預算緊張；還會引起信道間的串擾，限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍；同時，由于多?；?qū)拵Ч庠垂逃械膸追N噪聲（模分散噪聲、強度噪聲、光差拍噪聲）的存在，使得調(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，ASE通過OLT到達AWG，并被AWG進行光譜分割，產(chǎn)生多個窄帶信號。這些信號被注入到不同的ONU的同一類型的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。最近的產(chǎn)品可支持16個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鏈路預算。 

        自PON出現(xiàn)以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了APON、EPON、GPON、WDM－PON等一系列技術概念，而WDM－PON結合了WDM技術和PON拓撲結構的優(yōu)點，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高，多數(shù)仍處于實驗室的理論研究階段。但在光接入網(wǎng)方面表現(xiàn)突出的韓國，最近開始測試并小規(guī)模試商用WDM－PON系統(tǒng)，其最大的運營商KT與一家新興器件公司Novera于2005年開始合作進行50000戶、16波的WDM－PON實驗。Novera的突破在于使局端設備不需要多個激光器，從而降低了系統(tǒng)成本，使用了波長鎖定和溫度穩(wěn)定的AWG技術。同時，該公司預測，利用特殊的光學技術，有可能將每用戶成本降低到目前EPON每用戶成本的兩倍以下，并且隨著使用量的增長，價格還會降低。雖然WDM－PON技術還不穩(wěn)定，但隨著相關器件技術的成熟和用戶帶寬需求的增長，將推動業(yè)界和市場對WDM－PON技術的持續(xù)關注。（胡靜余）