波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

張磊

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)福建有限公司，福州 350003）

21世紀(jì)是信息大爆炸時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)（Internet）作為獲取信息最直接有效的媒介已成為人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中密不可分的部分,且用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求已越來(lái)越高。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因具備較好的帶寬控制能力、組網(wǎng)靈活、良好的擴(kuò)展和升級(jí)能力，適應(yīng)“光進(jìn)銅退”的策略要求，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)低成本FTTx的最具潛力的接入方式。目前，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）已形成了A/BPON、EPON、GPON和WDM-PON等一系列技術(shù)概念。其中，前三類均屬于時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，而WDM-PON為波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)。以上PON技術(shù)各有特點(diǎn)，各具優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

本文中，我們將著重呈現(xiàn)WDM-PON在未來(lái)接入網(wǎng)發(fā)展中擁有的巨大機(jī)遇，同時(shí)也闡述目前它所面臨的主要挑戰(zhàn)，并進(jìn)一步分析指出WDM-PON在技術(shù)層面上亟待解決的問(wèn)題和未來(lái)研究發(fā)展方向。

1 WDM-PON的機(jī)遇

全光纖無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)因能提供高帶寬、高速率、高質(zhì)量的“三高服務(wù)”，被視為下一代寬帶接入技術(shù)的代表——“最后1 km”的最終解決形式。目前，國(guó)內(nèi)已大規(guī)模采用EPON或GPON等時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（TDM-PON）開始鋪設(shè)FTTx接入網(wǎng)。盡管EPON或GPON技術(shù)能提供較高的上、下行總帶寬（通常達(dá)1.25或2.5 Gbit/s）,但其時(shí)分復(fù)用的本質(zhì)導(dǎo)致單個(gè)用戶最終分享到的帶寬僅30～80 Mbit/s，如表1所示[1]。因此，隨著用戶帶寬需求的提高，這些TDMPON接入網(wǎng)帶寬也將面臨帶寬枯竭的問(wèn)題。

與TDM-PON不同，波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（WDMPON）基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，無(wú)需與其他用戶共享帶寬，而是每個(gè)用戶專享一個(gè)完整的波長(zhǎng)信道帶寬，因而能提供超高帶寬、完全透明的接入服務(wù)。從表1中比較可知，WDM-PON能提供單個(gè)用戶高達(dá)10 Gbit/s的帶寬服務(wù)，某種程度上而言這是取之不盡、用之不竭的帶寬配給，如此寬的帶寬完全能滿足“三網(wǎng)融合”及未來(lái)接入網(wǎng)帶寬的發(fā)展需求。另一方面，EPON、GPON等TDM-PON下行信號(hào)均通過(guò)廣播方式傳輸給每一位用戶，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)透明性降低，使得信息在傳遞過(guò)程中可能引入一些不安全因素。相比較地，WDM-PON采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳送保證了信號(hào)更加透明、可靠，增加了網(wǎng)絡(luò)的安全性。正是因?yàn)閃DM-PON的眾多優(yōu)點(diǎn)，使得其在下一代寬帶光接入網(wǎng)中將具有非常強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此被公認(rèn)為解決帶寬緊缺問(wèn)題的理想選擇之一。

表1 TDM-PON與WDM-PON性能比較

2 WDM-PON的挑戰(zhàn)

盡管WDM-PON能提供超高的接入速度及理想的網(wǎng)絡(luò)安全性，但目前WDM-PON作為FTTx的一種接入技術(shù)仍處于初級(jí)發(fā)展階段，制約WDM-PON發(fā)展的主要原因?yàn)椋篧DM-PON的鋪設(shè)成本以及后期維護(hù)成本過(guò)于高昂。盡管它能提供幾百倍于ADSL的接入速度，但其成本也相應(yīng)地為ADSL的5～7倍以上。根據(jù)目前通信市場(chǎng)的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，安裝ADSL的成本通常僅需1～2年的時(shí)間就能收回，然而WDM-PON的成本卻至少需5～6年才能收回。因此，成本高昂已制約了WDM-PON的快速發(fā)展，已成為WDM-PON進(jìn)一步發(fā)展的最大挑戰(zhàn)。

圖1 典型的WDM-PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

PON通常由3部分構(gòu)成，即中心局端（central office或OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU或ONT）及遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)（RN）。圖1為典型的雙向運(yùn)行WDM－PON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)圖1中WDM-PON存在64個(gè)用戶，由于每個(gè)用戶上行和下行鏈路各需要1個(gè)特定波長(zhǎng)的光發(fā)射器（Tx和TL）和光接收器（Rx），于是整個(gè)WDM-PON系統(tǒng)中將需要128個(gè)波長(zhǎng)不同光發(fā)射器和128個(gè)光接受模塊。目前商用的光發(fā)射器大多采用分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器，如此眾多的DFB激光器將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)成本非常高。然而，這些光發(fā)射器及光接受模塊均集中在中心局端和光網(wǎng)絡(luò)單元。因此，除了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后期維護(hù)成本，WDM-PON的主要成本體現(xiàn)在中心局端（central office或OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU或ONT）兩部分。

3 WDM-PON的潛在發(fā)展方向

因此，為正確應(yīng)對(duì)WDM-PON成本高昂的挑戰(zhàn)，最直接可行的方法就是降低中心局端OLT和光網(wǎng)絡(luò)單元ONU所采用的大量光源的成本。為此，必須向努力實(shí)現(xiàn)OLT光源的中心化及ONU光源的無(wú)色化而邁進(jìn)。這也是國(guó)際上近年興起的在WDM-PON領(lǐng)域的兩個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向。

3.1 ONU無(wú)色光源技術(shù)

在設(shè)計(jì)WDM-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，ONU端光源的選用是非常重要的，它將直接決定系統(tǒng)上行信道的性能，是整個(gè)接入網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。如圖1中所示，傳統(tǒng)的ONU光源采用分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB）來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)專門波長(zhǎng)DFB僅負(fù)責(zé)一個(gè)ONU，因此價(jià)格比較昂貴。為此，開發(fā)一種波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（無(wú)色）、廉價(jià)的ONU光源是十分必要的。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了許多技術(shù)以期望解決這一問(wèn)題。主要的ONU無(wú)色光源技術(shù)包括以下幾種。

3.1.1 寬帶光源頻譜分割技術(shù)

為了節(jié)約成本，不少學(xué)者已提出利用廉價(jià)的LED或光纖型ASE等寬帶光源產(chǎn)生ONU端的發(fā)射光源。如圖2所示[2]，在ONU端將一個(gè)寬帶光源經(jīng)過(guò)梳狀濾波器進(jìn)行譜線分割，產(chǎn)生眾多等間隔、不同波長(zhǎng)的光載波，而后在每路光載波上調(diào)制上行數(shù)據(jù)。盡管利用此類技術(shù)能極大的降低ONU端成本，然而技術(shù)上也存在著一些難以逾越的障礙，主要有：（1）LED或ASE光源等通常輸出功率較低，這就限制了用戶的數(shù)量；（2）因?yàn)長(zhǎng)ED或ASE光源屬于非相干光源，引入的強(qiáng)度噪聲較大，從而也限制了上行傳輸?shù)乃俣?；盡管利用飽和型SOA增益能一定程度的壓制寬帶光源本身的強(qiáng)度噪聲[3]，但效果也不盡理想。目前，利用此類技術(shù)通常僅能實(shí)現(xiàn)約622 Mbit/s的傳輸速率。

圖2 寬帶光源頻譜分割技術(shù)的ONU無(wú)色光源

3.1.2 注入鎖定RSOA或FP-LD技術(shù)

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，反射型半導(dǎo)體光放大器（RSOA）及法布里－珀羅激光二極管（FPLD）等器件已經(jīng)相當(dāng)成熟，價(jià)格已比較低。但因其本身并不能產(chǎn)生單色光，從而不能直接作為光發(fā)射器用于光網(wǎng)絡(luò)中，只有通過(guò)外部窄帶種子光注入其中進(jìn)行受迫振蕩才能產(chǎn)生準(zhǔn)單模光輸出。其輸出波長(zhǎng)由注入的光波長(zhǎng)決定,因此也能保證ONU端光源的無(wú)色化。通常情況下，根據(jù)注入種子光的方式不同，可以將此類技術(shù)分為自注入鎖定RSOA（或FP-LD）技術(shù)[4]和外注入鎖定FP-LD（或RSOA）技術(shù)[5]。

圖3 （a）自注入鎖定RSOA技術(shù)結(jié)構(gòu)圖；（b）外注入鎖定FP-LD技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

圖3（a）和（b）分別為利用自/外注入鎖定RSOA（或FP-LD）技術(shù)的理想網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。圖3(a)中，反射型RSOA和寬帶反射鏡（BR）通過(guò)陣列波導(dǎo)光柵（AWG）選模后能構(gòu)成自反饋，從而引發(fā)RSOA在AWG的特定波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)受迫振蕩產(chǎn)生準(zhǔn)單模輸出，加載傳輸上行信號(hào)。相比較地，圖3（b）中，中心局端分配的種子光傳遞到ONU端后注入鎖定FP-LD，調(diào)制上行數(shù)據(jù)后再傳輸回中心局端。

3.1.3 副載波調(diào)制及載波再使用技術(shù)

最近，為進(jìn)一步減少系統(tǒng)成本及節(jié)省密集波分復(fù)用的可用信道波長(zhǎng)以提高傳輸容量，研究者們針對(duì)下行載波入手展開了一系列前沿創(chuàng)新性的工作。早期的工作大多集中在利用基帶調(diào)制方式的載波再使用技術(shù)，其運(yùn)行原理為：在ONU端將下行信號(hào)分成兩部分，其中一部分供探測(cè)解調(diào)下行信號(hào)，而另一部分經(jīng)過(guò)放大和整形之后再調(diào)制上行數(shù)據(jù)，供上行鏈路使用。利用該技術(shù)必須要求下行信號(hào)的調(diào)制深度不能太大，否則再次調(diào)制上行數(shù)據(jù)時(shí)容易造成上/下行碼混亂，引入較大的誤碼率。

Attygalle和Xu等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了副載波調(diào)制技術(shù)[6,7]。如圖4所示，在高速下行數(shù)據(jù)經(jīng)歷馬赫－曾德爾調(diào)制器（MZM）時(shí)，同時(shí)也插入一個(gè)低頻信號(hào)（LO）聯(lián)合調(diào)制，即在光載波上引入一個(gè)低頻副載波。從頻譜上看，此時(shí)下行數(shù)據(jù)將主要加載在副載波頻段，經(jīng)一段饋線（feeder fiber）傳輸，在遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)RN處由一個(gè)延遲線干涉儀（DI）將光載波和副載波在頻譜上分離，攜帶下行信號(hào)的副載波部分經(jīng)基帶探測(cè)后獲得下行數(shù)據(jù)，而不攜帶下行信號(hào)的光載波經(jīng)放大后再調(diào)制上行數(shù)據(jù)用于上行傳輸。因?yàn)楦陛d波的使用，上/下行信號(hào)之間盡管使用同一光載波，但也不會(huì)引起混亂，從而無(wú)需限定下行信號(hào)的調(diào)制深度，進(jìn)而有利于提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。利用此技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了1.25 Gbit/s的上/下行雙向傳輸。

3.2 OLT中心化光源技術(shù)

以上3.1小節(jié)中所涉及的技術(shù)均為使ONU端無(wú)色化而提出的，目前國(guó)際上為了降低OLT光源主要采用如下技術(shù)。

3.2.1 寬帶光源頻譜分割技術(shù)

與3.1小節(jié)中用于ONU端的寬帶光源頻譜分割技術(shù)類似，OLT端也可以采用類似的方法實(shí)現(xiàn)下行信號(hào)的傳輸。利用此技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了下行傳輸速率為622 Mbit/s的WDM-PON傳輸[8]，進(jìn)一步利用寬帶光源頻譜分割后的多波長(zhǎng)光源注入鎖定FP-LD,實(shí)現(xiàn)了C波段用于下行，L波段用于上行，U波段用于監(jiān)控的雙向運(yùn)轉(zhuǎn)WDM-PON[9]。然而，同樣是因?yàn)閷拵Ч庠幢旧淼姆窍喔尚裕瑥?qiáng)度噪聲大，導(dǎo)致WDM-PON傳輸速率較低，通常僅能實(shí)現(xiàn)622 Mbit/s的傳輸速率。

3.2.2 多波長(zhǎng)激光源作為OLT中心光源

若采用一種相干光源代替以上非相干寬帶光源，強(qiáng)度噪聲得以削弱，從而將有望實(shí)現(xiàn)高速率傳輸?shù)腤DM-PON。要同時(shí)考慮OLT光源的中心化，且兼顧光源具有良好的相干性，多波長(zhǎng)激光器是最好的選擇。

圖4 副載波調(diào)制技術(shù)

考慮到與WDM-PON全光纖網(wǎng)絡(luò)的兼容性和集成性，選用多波長(zhǎng)光纖激光器作為OLT中心化光源將是理想選擇。多波長(zhǎng)光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、插入損耗小、多波長(zhǎng)激射等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛研究，具有較大的應(yīng)用前景。利用多波長(zhǎng)光纖激光器作為WDM-PON的中心化光源，目前已實(shí)現(xiàn)了上/下行1.25 Gbit/s的傳輸[10]。

4 總結(jié)

隨著各種寬帶業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，用戶對(duì)接入網(wǎng)帶寬的需求不斷增長(zhǎng)，寬帶化已成為接入網(wǎng)發(fā)展的最顯著特征，預(yù)計(jì)在未來(lái)3～5年內(nèi)單個(gè)用戶帶寬將超過(guò)100 Mbit/s, 至2020年帶寬需求將達(dá)1 Gbit/s。如此大的帶寬需求對(duì)xDSL技術(shù)而言是無(wú)法滿足的，甚至對(duì)TDM-PON而言也是難以實(shí)現(xiàn)的。然而，對(duì)于利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù), 幾乎能提供無(wú)限量帶寬的WDM-PON而言卻是一種莫大的機(jī)遇。目前WDM-PON未能實(shí)現(xiàn)大范圍鋪設(shè)的主要障礙就是其成本過(guò)于高昂，如何降低其成本成為目前WDM-PON研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。由于WDM-PON的主要成本位于中心局端和光網(wǎng)絡(luò)單元的眾多光源成本，因此許多研究已針對(duì)此癥結(jié)進(jìn)行了大量研究。主要包括發(fā)展ONU端無(wú)色光源技術(shù)和OLT端中心化光源技術(shù)。當(dāng)然，面臨WDM-PON高成本問(wèn)題，也不能僅僅局限于從降低光源的成本這個(gè)角度加以考慮，恰當(dāng)?shù)年P(guān)注也應(yīng)放在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、減小后期維護(hù)成本等方面。

[1]Lee C H， Sorin W V， Kim B Y. Fiber to the home using a PON infrastructure[J]. Journal of Lightwave Technology, 2006, 24:4568-4583.

[2]Akimoto K， Kani J， Teshima M， Iwatsuki K. Super-dense WDM transmission of spectrum-sliced incoherent light for wide-area access network[J]. Journal of Lightwave Technology, 2003, 21: 2715.

[3]McCoy A D， et al. Noise suppression of incoherent light using a gain-saturated SOA: implications for spectrum-sliced WDM systems[J].Journal of Lightwave Technology, 2005, 23: 2309-2319.

[4]Kang J M, et al. Self-seeded reflective semiconductor optical amplifier based optical transmitter for up-stream WDM-PON link[J]. IET Optoelectronics, 2007, 1: 77-81.

[5]Wen Y J, Chae C J. WDM-PON upstream transmission using fabry Perot laser diodes externally injected by polarization-insensitive spectrum-sliced supercontinuum pulses[J]. Optics Communications, 2006,260: 691-695.

[6]M. Attygalle T A, Hewitt D, NirmalathasA. WDM passive optical network with subcarrier transmission and baseband detection scheme for laser-free optical network units[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2006, 18: 1279-1281.

[7]Xu Z, Wen, et al. WDM-PON architectures sith a single shared interferometric filter for carrier-reuse upstream transmission[J]. Journal of Lightwave Technology, 2007, 25: 3669-3677.

[8]Lee J H, et al. Broadband, high power, erbium fibre ASE-based CW supercontinuum source for spectrum-sliced WDM PON applications[J].Electronics Letters, 2006, 42: 549-550.

[9]Hoshi T, et al. 10-Gbps DWDM transmission using multifrequency light source with 50-GHz channel spacing[A]. Optical Fiber Communication Conference[C]. OFC2007, 1-3.

[10]羅正錢. 多波長(zhǎng)光纖激光器及其在波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[D]. 廈門: 廈門大學(xué), 2009.