10 Gbit/s时分波分混合复用无源光网络系统

李 卫,陈 明,盛朋驰

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004)

10 Gbit/s时分波分混合复用无源光网络系统

李 卫,陈 明,盛朋驰

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004)

为了解决时分复用无源光网络的低带宽、高延时和波分复用无源光网络的高成本、低利用率的问题,提出一种新型时分波分混合复用无源光网络系统。利用马赫曾德尔干涉光开关阵列和高速铌酸锂马赫曾德尔调制器,可灵活、快速地为不同光网络单元传递数据包,减少了光调制器的使用数量,降低了系统成本。该系统结合光载波抑制调制和波长重用技术,实现了下行10 Gbit/s、上行1.25 Gbit/s的通信速率,传播距离可达50 km以上。

时分波分混合复用无源光网络;马赫曾德尔干涉光开关阵列;光载波抑制调制;波长重用

随着信息技术的发展,人们对带宽的需求日益增加。在众多的宽带接入技术中,无源光网络技术(PON)具有高带宽、高稳定性、高保密性、低成本等优势,从而获得了广泛的研究和发展[1-2]。目前的无源光网络技术主要有波分复用无源光网络(WDMPON)和时分复用无源光网络(TDM-PON)。WDMPON传输距离远,且具有较高安全性、最佳带宽保障等优点[3],但其设备复杂、成本较高、闲置率高,难以广泛普及应用。相对而言,TDM-PON成本较低、应用广泛,是目前PON网络的主流方案[4-5],但因TDM-PON的通信协议复杂,导致其带宽升级潜力和覆盖范围有限,不能满足用户日益增长的带宽需求。因此,混合型无源光网络应运而生[6-8]。

混合型时分波分无源光网络兼具TDM-PON和WDM-PON的优点,在带宽和用户成本方面折中考虑。用户和运营商投入的使用成本较低,且能保证较高的接入带宽,同时使宽带接入网在扩展和带宽升级方面具有良好的灵活性,有利于TDM-PON向WDM-PON过渡升级。时分波分混合复用[9]的结构主要有基于时分多址(TDMA)混合型结构[10]、基于波分多址(WDMA)混合型结构[11]、TDM over WDM混合型结构[12]、WDM over TDM混合型结构和双端环形树接入型结构[13-14]等。但这些混合型结构中的光分配网均采用光功率分离器作为时分复用接入方式的关键器件,很大程度上限制了PON网络的覆盖范围。高分支比的光功率分离器在提供较高的光网络单元(ONU)接入数量的同时,产生巨大的功率损耗,大大降低ONU的接收功率,增大系统的误码率,从而降低网络的覆盖范围。当前的混合型无源光网络依然需要复杂的通信协议、时序同步等技术,才能避免不同ONU突发上行数据流所产生的冲突[15-19]。

鉴于此,提出一种时分波分混合复用无源光网络系统。通过运用一组马赫曾德尔干涉光开关阵列和一个高速铌酸锂马赫曾德尔调制器,在为系统下行链路提供10 Gbit/s通信速率的同时,可节省大量光调制器的使用。结合波长重用技术,采用RSOA作为ONU上行链路的光调制器与光放大器[20],使ONU无需额外光源便能实现1.25 Gbit/s的上行数据传输,避免上行突发冲突。

1 系统工作原理与结构

时分波分混合复用无源光网络系统主要由光线路终端(OLT)、光分配网(ODN)和ONU三部分组成。OLT负责业务数据的集中转发、协议桥转换、下行业务数据的光调制和上行业务数据的接收等。ODN采用2组无热周期阵列波导光栅(AWG),将下行业务数据解复用后传送至每个ONU,并对ONU的上行业务数据进行复用传输。而ONU的主要功能是接收、解析下行业务数据和发送、上传用户业务数据。

时分波分混合复用无源光网络系统下行链路采用多波长时分复用的工作方式,上行链路采用波分复用工作方式。系统工作原理如图1所示。从图1(a)可看出,OLT以串行的工作方式为λ1～λ4光载波加载数据,在下行传输过程中,每一时刻光纤只有一个携带数据的光波在传输。经AWG解复用后,λ1～λ4的光信号被分配到相对应的ONU进行信号解调,此过程无需光功率分离,使得ONU具有较大的接收功率,降低了信号的误码率。从图1(b)可看出,每个ONU上行链路的光波长是唯一的,可显著提高ONU上行突发速率,此过程采用波分复用工作方式,无需MAC协议分配时隙上传数据,在降低数据包传输延时的同时,可降低整个系统的冗余。

图1 时分波分混合复用无源光网络系统工作原理Fig.1 The working principle of hybrid TDM/WDM-PON system

1.2 系统结构

根据时分波分混合复用无源光网络系统的工作原理,构建其系统结构,如图2所示。

为了实现下行多波长时分复用的工作方式,在OLT模块中,先将多路不同波长的分布反馈式激光器(DFB)输出的光源用光功率分离器分为2部分:一部分输入至AWG,然后复用到一路光纤中,作为ONU上行业务数据的光载波;另一部分输入至马赫曾德尔干涉光开关阵列,由阵列开关控制器选择性地控制其中某一个开关闭合,接通并传输至AWG进行复用,实现多波长分时切换功能。基于马赫曾德尔干涉仪原理的光开关与传统的机械光开关相比,具有功耗低、开关速度高、与偏振无关、无移动部件、重复率高、体积小、寿命长等优点[21],可大大缩短不同波长间的切换时间,提高系统响应速率。复用后的不同波长的光信号输入至双臂马赫曾德尔调制器(MZM)进行下行数据调制。在电域里,通过设置直流偏置控制器、高频本地振荡器和混频器的参数,实现光载波抑制调制格式,而阵列开关控制器对光开关进行有序控制,不同时间段内只开通一路波长的光信号,使其被调制,从而实现时分复用,达到在不同时间段对多个波长信号中的某一个波长信号进行调制的目的。

被调制的光信号与AWG复用的信号经光功率耦合器耦合后,再经掺铒光纤放大器(EDFA)放大,输入到ODN的标准单模光纤(SSMF)中进行传输,由AWG解复用后,传输给每个ONU。在ONU中,输入的光信号先经第1级布拉格反射光栅分离出一个携带数据的光载波边带,再经光电探测器转换为电信号,经电域处理后得到下行用户数据;而剩下的光信号经第2级布拉格反射光栅,分离出光中心载波,再输入至反射半导体光放大器(RSOA),用作ONU上行数据的载波,第2级布拉格反射光栅反射后的光信号也同时被光隔离器阻隔,防止干扰下行链路信号。多个ONU的上行光信号经ODN中的AWG汇聚复用,并经SSMF传输至OLT,由AWG解复用后,每路光信号分别经光电探测器转换为电信号,最后经过相应处理得到每个用户的上行数据。

图2 时分波分混合复用无源光网络系统结构Fig.2 The structure of hybrid TDM/WDM-PON system

2 仿真实验

时分波分混合复用无源光网络系统主要工作在C波段(1530～1560 nm)。实验以8个ONU接入方式对其进行模拟仿真。OLT端采用8个不同波长的光源,频率为193.1～193.8 THz,间隔100 GHz,输出功率0 dBm。经过50∶50的光功率分离器后,一部分经光功率耦合器输出,频谱图如图3(a)所示;另一部分传输至马赫曾德尔干涉光开关阵列,消光比为25 d B,AWG每个通道的带宽40 GHz。在电域下,本地高频振荡器工作频率为15 GHz,下行信号的速率为10 Gbit/s。通过设置直流电压控制器,使调制器工作在最大传输点实现光载波抑制调制方式,光谱图如图3(b)所示。随后与光信号耦合,如图3(c)所示。由于被调制的光信号经过多个器件,功率损耗较大,增加了一级EDFA放大器,功率动态增益为18～35 d B,经SSMF传输后在ONU端进行接收。以ONU4为例,其接收的光信号的中心频率为193.4 THz,如图3(d)所示。FBG1的工作频率为193.385 THz,带宽20 GHz,光信号经FBG1滤波后,频谱图如图3(e)所示,被PIN接收解调;另一部分被反射并输入至FBG2,其工作频率为193.415 THz,带宽2 GHz,滤出中心载波如图3(f)所示。随后被RSOA调制器调制,产生一个1.25 Gbit/s速率的光信号,如图3(g)所示;每个ONU的上行数据被RSOA调制后再经AWG复用,如图3(h)所示;最后通过SSMF上传至OLT解复用接收。

3 仿真结果与分析

在光纤通信系统中,接收机的灵敏度对系统性能的影响尤为重要,因此,仿真了8路ONU在不同接收光功率下的误码率,如图4所示。从图4可看出,当光信号经35 km传输后,每路ONU的接收误码率都在10-9以下时,平均接收光功率约为-24.3 d Bm,完全达到了以太网无源光网络(EPON)系统要求的灵敏度指标[22]。图5为不同光信噪比对误码率的影响。从图5可看出,当接收信噪比达到19 d B以上时,误码率可维持在10-9dB以下。

听到这话，皮特玩闹的样子一下子消失了，他脸色一沉，手往回一抽，突然间，我的下巴剧痛难忍，整张脸都是，眼前一片黑暗，耳朵嗡嗡作响。我眨了眨眼，踉跄着走到一边，感觉整个房间都在倾斜摇晃，完全不记得他的拳头是怎么打到我的。

系统采用马赫曾德尔干涉光开关阵列作为时分复用的关键器件,但以目前的工艺,马赫曾德尔干涉光开关消光比参数做不到足够大(＜30 dB)[23],因此需验证马赫曾德尔干涉光开关阵列的消光比对系统误码率的影响。图6为下行链路中每个ONU在马赫曾德尔干涉光开关阵列不同消光比下信号误码率。从图6可看出,假定只对ONU3发送数据,当消光比为0时,每个ONU都能接收到ONU3的数据,且误码率较低;随着消光比的增加,ONU3的误码率逐渐趋于稳定,而其他ONU的误码率增大,直到消光比达到18 d B左右,用户不再能接收到ONU3的数据。这表明,现有的马赫曾德尔干涉光开关阵列性能足以满足系统对消光比指标的要求。

图3 时分波分混合复用无源光网络系统的光谱Fig.3 Optical spectra of hybrid TDM/WDM-PON system

图7为下行信号经过不同传输距离后的接收信号的眼图。从10 km到30 km,接收信号的眼图的变化较小;而从30 km到50 km,信号的衰减稍大;但经过50 km的SSMF传输后,其眼图仍能保持一定的张开度,误码率维持在1.295 9×10-9左右,表明系统能以10 Gbit/s通信速率传输50 km以上。图8为上行链路中各ONU在不同接收信噪比下的误码率。从图8可看出,当接收信噪比达到17 d B时,误码率可维持在10-9dB以下。

图4 下行链路中ONU在不同接收光功率下的误码率Fig.4 BER of ONU in case of different received optical power in downlink

图5 下行链路中ONU在不同信噪比下的误码率Fig.5 BER of ONU in case of different SNR in downlink

图6 下行链路中ONU在不同消光比下的误码率Fig.6 BER of ONU in case of different extinction ratio in downlink

图7 下行链路中经不同传输距离后信号的眼图Fig.7 Eye diagrams of signal after different transmission distance in downlink

图8 上行链路中不同光信噪比下的误码率Fig.8 BER of ONU in case of different optical SNR in uplink

4 结束语

利用一组马赫曾德尔干涉光开关阵列和一个高速铌酸锂马赫曾德尔调制器,结合光载波抑制调制和波长重用等技术,重组了一种全新的时分波分混合复用工作方式的无源光网络。仿真实验结果表明,在传输50 km后,达到了10 Gbit/s的下行传输速率和1.25 Gbit/s的上行传输速率。此混合无源光网络方案在实现高速率通信的情况下,能减少大量调制器的使用,降低了系统成本,为无源光网络的发展提供了一种新的思路。

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编辑:张所滨

10 Gbit/s hybrid TDM/WDM-PON system

Li Wei,Chen Ming,Sheng Pengchi
(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to solve the problem of low bandwidth,high latency of TDM-PON and high cost and low utilization of WDM-PON),a novel hybrid TDM/WDM-PON system using Mach-Zehnder interferometer switches and a high speed LiN-bO3Mach-Zehnder modulator is proposed.This scheme can not only enable the transmission of data to fast and flexible for the different optical network units,but also reduce the number of electro-optic modulator and the cost of the system without cut down the high transmission rate.Meanwhile this system is achieved 10 Gbit/s downstream,1.25 Gbit/s upstream over 50 km transmission distance by using the technologies of optical carrier suppressed modulation and wavelength reuse.

hybrid TDM/WDM-PON;Mach-Zehnder interferometer optical switch array;optical carrier suppressed modulation;wavelength reuse

TN915.63

A

1673-808X(2015)02-0087-06

2014-11-03

广西自然科学基金(2011GXNSFB18069)

陈明(1979-),男,湖南新宁人,教授,博士,研究方向为太赫兹技术、光通信系统和网络、光载无线通信、量子信息与量子光学等。E-mail:mchenqq2011@gmail.com

李卫,陈明,盛朋驰.10 Gbit/s时分波分混合复用无源光网络系统[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(2):87-92.