10 Gbit/s時分波分混合復用無源光網絡系統

李 衛(wèi),陳 明,盛朋馳

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004)

10 Gbit/s時分波分混合復用無源光網絡系統

李 衛(wèi),陳 明,盛朋馳

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004)

為了解決時分復用無源光網絡的低帶寬、高延時和波分復用無源光網絡的高成本、低利用率的問題,提出一種新型時分波分混合復用無源光網絡系統。利用馬赫曾德爾干涉光開關陣列和高速鈮酸鋰馬赫曾德爾調制器,可靈活、快速地為不同光網絡單元傳遞數據包,減少了光調制器的使用數量,降低了系統成本。該系統結合光載波抑制調制和波長重用技術,實現了下行10 Gbit/s、上行1.25 Gbit/s的通信速率,傳播距離可達50 km以上。

時分波分混合復用無源光網絡;馬赫曾德爾干涉光開關陣列;光載波抑制調制;波長重用

隨著信息技術的發(fā)展,人們對帶寬的需求日益增加。在眾多的寬帶接入技術中,無源光網絡技術(PON)具有高帶寬、高穩(wěn)定性、高保密性、低成本等優(yōu)勢,從而獲得了廣泛的研究和發(fā)展[1-2]。目前的無源光網絡技術主要有波分復用無源光網絡(WDMPON)和時分復用無源光網絡(TDM-PON)。WDMPON傳輸距離遠,且具有較高安全性、最佳帶寬保障等優(yōu)點[3],但其設備復雜、成本較高、閑置率高,難以廣泛普及應用。相對而言,TDM-PON成本較低、應用廣泛,是目前PON網絡的主流方案[4-5],但因TDM-PON的通信協議復雜,導致其帶寬升級潛力和覆蓋范圍有限,不能滿足用戶日益增長的帶寬需求。因此,混合型無源光網絡應運而生[6-8]。

混合型時分波分無源光網絡兼具TDM-PON和WDM-PON的優(yōu)點,在帶寬和用戶成本方面折中考慮。用戶和運營商投入的使用成本較低,且能保證較高的接入帶寬,同時使寬帶接入網在擴展和帶寬升級方面具有良好的靈活性,有利于TDM-PON向WDM-PON過渡升級。時分波分混合復用[9]的結構主要有基于時分多址(TDMA)混合型結構[10]、基于波分多址(WDMA)混合型結構[11]、TDM over WDM混合型結構[12]、WDM over TDM混合型結構和雙端環(huán)形樹接入型結構[13-14]等。但這些混合型結構中的光分配網均采用光功率分離器作為時分復用接入方式的關鍵器件,很大程度上限制了PON網絡的覆蓋范圍。高分支比的光功率分離器在提供較高的光網絡單元(ONU)接入數量的同時,產生巨大的功率損耗,大大降低ONU的接收功率,增大系統的誤碼率,從而降低網絡的覆蓋范圍。當前的混合型無源光網絡依然需要復雜的通信協議、時序同步等技術,才能避免不同ONU突發(fā)上行數據流所產生的沖突[15-19]。

鑒于此,提出一種時分波分混合復用無源光網絡系統。通過運用一組馬赫曾德爾干涉光開關陣列和一個高速鈮酸鋰馬赫曾德爾調制器,在為系統下行鏈路提供10 Gbit/s通信速率的同時,可節(jié)省大量光調制器的使用。結合波長重用技術,采用RSOA作為ONU上行鏈路的光調制器與光放大器[20],使ONU無需額外光源便能實現1.25 Gbit/s的上行數據傳輸,避免上行突發(fā)沖突。

1 系統工作原理與結構

時分波分混合復用無源光網絡系統主要由光線路終端(OLT)、光分配網(ODN)和ONU三部分組成。OLT負責業(yè)務數據的集中轉發(fā)、協議橋轉換、下行業(yè)務數據的光調制和上行業(yè)務數據的接收等。ODN采用2組無熱周期陣列波導光柵(AWG),將下行業(yè)務數據解復用后傳送至每個ONU,并對ONU的上行業(yè)務數據進行復用傳輸。而ONU的主要功能是接收、解析下行業(yè)務數據和發(fā)送、上傳用戶業(yè)務數據。

時分波分混合復用無源光網絡系統下行鏈路采用多波長時分復用的工作方式,上行鏈路采用波分復用工作方式。系統工作原理如圖1所示。從圖1(a)可看出,OLT以串行的工作方式為λ1～λ4光載波加載數據,在下行傳輸過程中,每一時刻光纖只有一個攜帶數據的光波在傳輸。經AWG解復用后,λ1～λ4的光信號被分配到相對應的ONU進行信號解調,此過程無需光功率分離,使得ONU具有較大的接收功率,降低了信號的誤碼率。從圖1(b)可看出,每個ONU上行鏈路的光波長是唯一的,可顯著提高ONU上行突發(fā)速率,此過程采用波分復用工作方式,無需MAC協議分配時隙上傳數據,在降低數據包傳輸延時的同時,可降低整個系統的冗余。

圖1 時分波分混合復用無源光網絡系統工作原理Fig.1 The working principle of hybrid TDM/WDM-PON system

1.2 系統結構

根據時分波分混合復用無源光網絡系統的工作原理,構建其系統結構,如圖2所示。

為了實現下行多波長時分復用的工作方式,在OLT模塊中,先將多路不同波長的分布反饋式激光器(DFB)輸出的光源用光功率分離器分為2部分:一部分輸入至AWG,然后復用到一路光纖中,作為ONU上行業(yè)務數據的光載波;另一部分輸入至馬赫曾德爾干涉光開關陣列,由陣列開關控制器選擇性地控制其中某一個開關閉合,接通并傳輸至AWG進行復用,實現多波長分時切換功能?；隈R赫曾德爾干涉儀原理的光開關與傳統的機械光開關相比,具有功耗低、開關速度高、與偏振無關、無移動部件、重復率高、體積小、壽命長等優(yōu)點[21],可大大縮短不同波長間的切換時間,提高系統響應速率。復用后的不同波長的光信號輸入至雙臂馬赫曾德爾調制器(MZM)進行下行數據調制。在電域里,通過設置直流偏置控制器、高頻本地振蕩器和混頻器的參數,實現光載波抑制調制格式,而陣列開關控制器對光開關進行有序控制,不同時間段內只開通一路波長的光信號,使其被調制,從而實現時分復用,達到在不同時間段對多個波長信號中的某一個波長信號進行調制的目的。

被調制的光信號與AWG復用的信號經光功率耦合器耦合后,再經摻鉺光纖放大器(EDFA)放大,輸入到ODN的標準單模光纖(SSMF)中進行傳輸,由AWG解復用后,傳輸給每個ONU。在ONU中,輸入的光信號先經第1級布拉格反射光柵分離出一個攜帶數據的光載波邊帶,再經光電探測器轉換為電信號,經電域處理后得到下行用戶數據;而剩下的光信號經第2級布拉格反射光柵,分離出光中心載波,再輸入至反射半導體光放大器(RSOA),用作ONU上行數據的載波,第2級布拉格反射光柵反射后的光信號也同時被光隔離器阻隔,防止干擾下行鏈路信號。多個ONU的上行光信號經ODN中的AWG匯聚復用,并經SSMF傳輸至OLT,由AWG解復用后,每路光信號分別經光電探測器轉換為電信號,最后經過相應處理得到每個用戶的上行數據。

圖2 時分波分混合復用無源光網絡系統結構Fig.2 The structure of hybrid TDM/WDM-PON system

2 仿真實驗

時分波分混合復用無源光網絡系統主要工作在C波段(1530～1560 nm)。實驗以8個ONU接入方式對其進行模擬仿真。OLT端采用8個不同波長的光源,頻率為193.1～193.8 THz,間隔100 GHz,輸出功率0 dBm。經過50∶50的光功率分離器后,一部分經光功率耦合器輸出,頻譜圖如圖3(a)所示;另一部分傳輸至馬赫曾德爾干涉光開關陣列,消光比為25 d B,AWG每個通道的帶寬40 GHz。在電域下,本地高頻振蕩器工作頻率為15 GHz,下行信號的速率為10 Gbit/s。通過設置直流電壓控制器,使調制器工作在最大傳輸點實現光載波抑制調制方式,光譜圖如圖3(b)所示。隨后與光信號耦合,如圖3(c)所示。由于被調制的光信號經過多個器件,功率損耗較大,增加了一級EDFA放大器,功率動態(tài)增益為18～35 d B,經SSMF傳輸后在ONU端進行接收。以ONU4為例,其接收的光信號的中心頻率為193.4 THz,如圖3(d)所示。FBG1的工作頻率為193.385 THz,帶寬20 GHz,光信號經FBG1濾波后,頻譜圖如圖3(e)所示,被PIN接收解調;另一部分被反射并輸入至FBG2,其工作頻率為193.415 THz,帶寬2 GHz,濾出中心載波如圖3(f)所示。隨后被RSOA調制器調制,產生一個1.25 Gbit/s速率的光信號,如圖3(g)所示;每個ONU的上行數據被RSOA調制后再經AWG復用,如圖3(h)所示;最后通過SSMF上傳至OLT解復用接收。

3 仿真結果與分析

在光纖通信系統中,接收機的靈敏度對系統性能的影響尤為重要,因此,仿真了8路ONU在不同接收光功率下的誤碼率,如圖4所示。從圖4可看出,當光信號經35 km傳輸后,每路ONU的接收誤碼率都在10-9以下時,平均接收光功率約為-24.3 d Bm,完全達到了以太網無源光網絡(EPON)系統要求的靈敏度指標[22]。圖5為不同光信噪比對誤碼率的影響。從圖5可看出,當接收信噪比達到19 d B以上時,誤碼率可維持在10-9dB以下。

聽到這話，皮特玩鬧的樣子一下子消失了，他臉色一沉，手往回一抽，突然間，我的下巴劇痛難忍，整張臉都是，眼前一片黑暗，耳朵嗡嗡作響。我眨了眨眼，踉蹌著走到一邊，感覺整個房間都在傾斜搖晃，完全不記得他的拳頭是怎么打到我的。

系統采用馬赫曾德爾干涉光開關陣列作為時分復用的關鍵器件,但以目前的工藝,馬赫曾德爾干涉光開關消光比參數做不到足夠大(＜30 dB)[23],因此需驗證馬赫曾德爾干涉光開關陣列的消光比對系統誤碼率的影響。圖6為下行鏈路中每個ONU在馬赫曾德爾干涉光開關陣列不同消光比下信號誤碼率。從圖6可看出,假定只對ONU3發(fā)送數據,當消光比為0時,每個ONU都能接收到ONU3的數據,且誤碼率較低;隨著消光比的增加,ONU3的誤碼率逐漸趨于穩(wěn)定,而其他ONU的誤碼率增大,直到消光比達到18 d B左右,用戶不再能接收到ONU3的數據。這表明,現有的馬赫曾德爾干涉光開關陣列性能足以滿足系統對消光比指標的要求。

圖3 時分波分混合復用無源光網絡系統的光譜Fig.3 Optical spectra of hybrid TDM/WDM-PON system

圖7為下行信號經過不同傳輸距離后的接收信號的眼圖。從10 km到30 km,接收信號的眼圖的變化較小;而從30 km到50 km,信號的衰減稍大;但經過50 km的SSMF傳輸后,其眼圖仍能保持一定的張開度,誤碼率維持在1.295 9×10-9左右,表明系統能以10 Gbit/s通信速率傳輸50 km以上。圖8為上行鏈路中各ONU在不同接收信噪比下的誤碼率。從圖8可看出,當接收信噪比達到17 d B時,誤碼率可維持在10-9dB以下。

圖4 下行鏈路中ONU在不同接收光功率下的誤碼率Fig.4 BER of ONU in case of different received optical power in downlink

圖5 下行鏈路中ONU在不同信噪比下的誤碼率Fig.5 BER of ONU in case of different SNR in downlink

圖6 下行鏈路中ONU在不同消光比下的誤碼率Fig.6 BER of ONU in case of different extinction ratio in downlink

圖7 下行鏈路中經不同傳輸距離后信號的眼圖Fig.7 Eye diagrams of signal after different transmission distance in downlink

圖8 上行鏈路中不同光信噪比下的誤碼率Fig.8 BER of ONU in case of different optical SNR in uplink

4 結束語

利用一組馬赫曾德爾干涉光開關陣列和一個高速鈮酸鋰馬赫曾德爾調制器,結合光載波抑制調制和波長重用等技術,重組了一種全新的時分波分混合復用工作方式的無源光網絡。仿真實驗結果表明,在傳輸50 km后,達到了10 Gbit/s的下行傳輸速率和1.25 Gbit/s的上行傳輸速率。此混合無源光網絡方案在實現高速率通信的情況下,能減少大量調制器的使用,降低了系統成本,為無源光網絡的發(fā)展提供了一種新的思路。

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編輯:張所濱

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

廣西自然科學基金(2011GXNSFB18069)

陳明(1979-),男,湖南新寧人,教授,博士,研究方向為太赫茲技術、光通信系統和網絡、光載無線通信、量子信息與量子光學等。E-mail:mchenqq2011@gmail.com

李衛(wèi),陳明,盛朋馳.10 Gbit/s時分波分混合復用無源光網絡系統[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(2):87-92.