一種新型的低成本雙向傳輸相干無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

邱順利 ，楊毅 ，胡榮

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工程學(xué)院通信工程系，遼寧 沈陽 110136；3.武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信與網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

一種新型的低成本雙向傳輸相干無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

邱順利1，楊毅2，胡榮3

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工程學(xué)院通信工程系，遼寧 沈陽 110136；3.武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信與網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

基于相干光通信技術(shù)，提出一種采用直調(diào)激光器（DML）的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）收發(fā)裝置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要用于密集波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)。低成本的單DML同時用于上下行傳輸鏈路，以減少所需光源的數(shù)量。通過實(shí)驗(yàn)分析比較了不同驅(qū)動電壓及偏置電流對DML的影響，同時也分析了上下行數(shù)據(jù)的頻率間隔和反向瑞利散射對雙向傳輸系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較好的系統(tǒng)接收靈敏度性能，同時能夠有效降低相干無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

數(shù)字相干檢測；無源光網(wǎng)絡(luò)；光接入網(wǎng)絡(luò)

1 引言

將光相干檢測技術(shù)用于密集波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（ultra-dense wavelength division multiplexing-passive optical network，UDWDM-PON）能夠極大地提升系統(tǒng)性能，如提高系統(tǒng)接收靈敏度、延長傳輸距離、增加波長密度等。相干UDWDM-PON面臨的挑戰(zhàn)主要包括無色、成本、靈敏度等問題。針對無色要求的解決途徑主要是通過波長可調(diào)激光器來進(jìn)行通道的靈活選擇。同時相干檢測在不依賴光放大器的前提下能夠獲得較高的接收機(jī)靈敏度。然而相對于傳統(tǒng)的直接檢測系統(tǒng)而言，該方法仍然存在不足之處，主要體現(xiàn)在接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且成本昂貴[1-4]。傳統(tǒng)相干接收機(jī)需要獨(dú)立的窄線寬光源，以內(nèi)差或外差的方式與接收信號在90°光混頻器中進(jìn)行混頻，然后由平衡探測器進(jìn)行光電探測，因此單個集成相干接收機(jī)需要4對平衡探測器以接收偏置復(fù)用的發(fā)送信號。尋求一種成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定的相干接收的技術(shù)方案成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前其主要技術(shù)方案有兩種：一種方案是簡化相干接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時減少所需要光電探測器的數(shù)量，以降低成本，如Presi M[5]等人提出一種低成本的二進(jìn)制開關(guān)鍵控相干接收機(jī)，該方案利用相位變更的3×3光耦合器及3個光電探測器進(jìn)行相干接收；另一種方案則是使用低成本的激光器或者調(diào)制器以降低光網(wǎng)絡(luò)單元 （optical network unit，ONU）的成本。如使用直接調(diào)制分布反饋式激光器（DML）或者垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）作為調(diào)制光源[6,7]，方案二在發(fā)送端采用單個DML或VCSEL取代了原有的外部調(diào)制方案，即采用獨(dú)立光源與外部調(diào)制器來產(chǎn)生調(diào)制后的光信號，因此極大地降低了器件成本與體積。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種全新的低成本雙向傳輸ONU解決方案。該方案僅使用一個低成本的DML激光器，該DML激光器即被用于調(diào)制并傳輸上行數(shù)據(jù)，也被用作下行數(shù)據(jù)相干接收的本振光源。同時在接收端使用外差接收的技術(shù)以避免在雙向傳輸中瑞利反向散射的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于單個DML的雙向傳輸相干ONU系統(tǒng)具有良好的傳輸性能，同時實(shí)驗(yàn)分析也為未來構(gòu)建低成本的接入網(wǎng)絡(luò)提供了一定程度的指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

2.1 原理介紹

圖1（a）為基于單個DML的相干PON中ONU端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對于上行鏈路，OOK信號由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，并且直接驅(qū)動DML產(chǎn)生光信號。之后DML產(chǎn)生的光信號分成兩路，一路作為下行信號相干接收的本振光源，而另一路作為上行鏈路的傳輸信號，向OLT（optical line terminal）端傳輸上行數(shù)據(jù)。對于下行鏈路，其調(diào)制信號由一個光強(qiáng)度調(diào)制器（Mach-Zehnder modulator，MZM）調(diào)制產(chǎn)生，并且與DML產(chǎn)生的本振光通過一個光相干接收機(jī)拍頻接收。信號光為：Es(t)=As(t)exp(jωst+θs(t)) 其中，Es代表信號光場，As為信號光場幅度，ωs為光場頻率，θs(t)為信號光場相位。本振光為 ELo(t)=ALo(t)exp(jωLot)，其中，ELo代表信號光場，ALo為信號光場幅度，ωLo為本振光場頻率。最終通過平衡探測相干接收機(jī)的輸出信號如式（1）所示：

圖1 相干ONU系統(tǒng)

其中，I為輸出光電流，R為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，Ps為信號光功率，PLo為本振光功率，ωIF為信號光與本振光的差頻，θn為相位噪聲。如圖1（b）所示為上下行鏈路接收信號的數(shù)字信號處理算法。首先，通過下變頻算法估計中頻（intermediate frequency，IF），使得接收到的信號恢復(fù)到基帶信號；其次，通過一個低通濾波器濾出帶外噪聲（如瑞利反向散射干擾），再通過偏振無關(guān)的數(shù)字包絡(luò)檢測算法以消除偏振態(tài)變換對信號的影響；最后，對信號進(jìn)行判決并進(jìn)行誤碼檢測。

如圖2（a）所示，在相干接收的ONU中，本振光必須同下行信號波長具有一定的頻率間隔以避免瑞利反向散射干擾的影響（系統(tǒng)性能制約因素之一）。圖2（a）還顯示了DML調(diào)制消光比對于下行鏈路接收信號的性能的影響，該影響主要取決于DML驅(qū)動電壓的大小及偏置電流的選擇，這將在實(shí)驗(yàn)部分詳細(xì)討論。與之對應(yīng)的上行OLT端接收光譜如圖2（b）所示，最主要的差別在于其使用的是窄線寬ECL（external cavity laser）作為本振光源。低通濾波器（LPF）的作用是恢復(fù)上行信號并濾除瑞利反向散射噪聲。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)頻譜及眼圖

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證2.5 Gbit/s單波長雙向傳輸PON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在ONU端，僅使用一個DML既作為上行鏈路調(diào)制器同時也作為下行鏈路的本振光源。該DML僅由一個任意波形發(fā)生器 （arbitrary waveform generator，AWG）驅(qū)動，其輸出速率為 2.5 Gbit/s的 OOK信號。DML經(jīng)調(diào)制后輸出的光信號通過1∶2光耦合器分成兩路，一路輸出到光環(huán)形器中作為上行光信號，另一路作為本振光源輸入集成相干接收機(jī) （intradyne coherent receiver，ICR）中。集成相干接收機(jī)輸出的信號由實(shí)時采樣示波器進(jìn)行接收，并行通過離線數(shù)字信號處理算法恢復(fù)。

傳輸鏈路由兩段分別為40 km和20 km的光纖構(gòu)成，并且在其中間插入一個光衰減器以調(diào)節(jié)接收功率。在OLT端，也僅使用一個窄線寬的ECL作為光源，它既用作上行數(shù)據(jù)相干接收的本振光源，也作為下行信號的調(diào)制光載波。ECL波長設(shè)定為與DML波長相差幾GHz間隔，以避免上下行鏈路的信號串?dāng)_。下行鏈路2.5 Gbit/s的OOK信號同樣由一臺AWG產(chǎn)生，并且通過一個MZM進(jìn)行調(diào)制，加載到光信號上。考慮到PON系統(tǒng)的成本要求，整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未使用光放大器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)原理所述，要正確地對系統(tǒng)性能進(jìn)行評估，首先需對DML調(diào)制參數(shù)做出最優(yōu)化的設(shè)定，而控制DML調(diào)制性能的參數(shù)主要有兩個：輸入信號幅度、偏置電流的大小。首先將偏置電流設(shè)定為600 mA，同時選擇不同的驅(qū)動電壓幅度對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)中信號電壓幅度分別為0 V、0.5 V和1 V。值得注意的是，當(dāng)驅(qū)動電壓為0 V時，DML輸出為直流光。圖4（a）顯示了在上述3種情況下接收功率與系統(tǒng)誤碼率關(guān)系的曲線。由圖4（a）可得，驅(qū)動電壓越低，下行信號的接收性能越好。當(dāng)輸入電壓為0 V時，即將DML輸入直流光作為本振光源時，系統(tǒng)在7%的誤碼率門限下接收靈敏度約為-43.7 dBm。而當(dāng)輸入驅(qū)動電壓幅度為1 V時，大約會產(chǎn)生2 dB的靈敏度代價。之后將偏置電流設(shè)置為900 mA，在同樣的條件下測試下行信號接收靈敏度的性能。如圖4（b）所示，同偏置電流設(shè)定為600 mA一樣，當(dāng)驅(qū)動電壓越小時，系統(tǒng)性能越好。當(dāng)輸入電壓幅度一樣時，在900 mA偏置電流的條件下，性能靈敏度性能約有1 dB的性能提升。因此，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到結(jié)論：當(dāng)輸入偏置電流越大或者輸入驅(qū)動電壓越小，即DML輸出調(diào)制信號的消光比（extinction ratio，ER）越小時，下行鏈路信號的相干接收性能越好。

同理，根據(jù)不同DML的輸入信號幅度、偏置電流的大小，對上行信號的靈敏度和誤碼率性能進(jìn)行分析。其結(jié)果如圖5所示。不同于下行鏈路，對于上行鏈路來說，驅(qū)動電壓越大，ER越高，其性能越好。1 V驅(qū)動電壓相比0.5 V驅(qū)動電壓約有0.5 dB的靈敏度性能提升。同時偏置電流對系統(tǒng)性能的影響幾乎可以忽略不計。綜合上下行鏈路的性能影響，最終確定驅(qū)動電壓0.5 V、偏置電流900 mA為DML的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以對該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功率預(yù)算性能進(jìn)行分析。

圖4 下行鏈路在不同驅(qū)動電壓下的接收靈敏度

圖5 不同驅(qū)動電壓及偏置電流條件下上行信號接收靈敏度曲線

在雙向傳輸中，布里淵反向散射對系統(tǒng)性能有著不可忽略的影響，因此必須對其進(jìn)行一定的研究分析。實(shí)驗(yàn)分析了上下行鏈路在不同的頻率間隔下對雙向傳輸性能的影響。圖6（a）為下行鏈路在不同頻率間隔下的接收信號靈敏度曲線，圖6（b）為對應(yīng)上行鏈路接收信號的靈敏度曲線。由圖6可知，對于下行鏈路，最佳驅(qū)動電壓為0.5 V，頻率間隔為7.5 GHz。當(dāng)小于7.5 GHz時，布里淵反向散射會明顯對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。而對于上行鏈路，最佳驅(qū)動電壓為0.5 V，最佳頻率間隔為5 GHz。綜合上下鏈路統(tǒng)一要求，并考慮到12.5 GHz的 UDWDM頻率間隔標(biāo)準(zhǔn)，最終設(shè)定頻率間隔為7.5 GHz。

圖6 不同頻率間隔下，上下行信號接收靈敏度曲線

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在最佳系統(tǒng)參數(shù)下（驅(qū)動電壓為0.5 V、偏置電流為 900 mA、頻率間隔為 7.5 GHz），通過實(shí)驗(yàn)分析DML雙向傳輸PON的性能，其結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過60 km的光纖傳輸和VOA衰減，在7%的FEC門限下，上行鏈路的接收靈敏度約為-45 dB，而下行鏈路約為-43 dB。參考文獻(xiàn)[5]中，系統(tǒng)在1.25 Gbit/s速率下的功率預(yù)算約為48 dB，其下行信號檢測需要采用額外的光源作為本地振蕩器。本文所提方法以3 dBm的入纖功率計算，在2.5 Gbit/s速率下能夠支持46/48 dB的下/上行功率預(yù)算，因此在功率預(yù)算方面能夠提供相同的性能。但是，在相干接收過程中對上行信號發(fā)送所用DML進(jìn)行復(fù)用，使之同時作為下行相干檢測的本地振蕩器，因此較參考文獻(xiàn)[5]進(jìn)一步節(jié)約了獨(dú)立光源所需成本。

圖 7 上行鏈路（US）及下行鏈路（DS）接收靈敏度曲線

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于直調(diào)激光器（DML）的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）收發(fā)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要用于密集波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（UDWDM-PON）之中，且具有較高的成本效益。在該系統(tǒng)中，低成本的單DML同時用于上下行傳輸鏈路之中，以減少所需光源的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于常規(guī)相干接收的方案，該方法同樣具有較好的系統(tǒng)接收靈敏度性能，同時能夠有效降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

[1]WONG E.Next-generation broadband access networks and technologies[J].Journal of IEEE Lightwave Technology,2012,30(4)：597-608.

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[5]PRESIM,CORSINIR,CIARAMELLA E.Experimental demonstration ofa novelpolarization-independentcoherent receiver for PONs[C]//Optical Fiber Communication Conference,March 9-13,2014,San Francisco,USA.New Jersey:IEEE Press,2014:1-3

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A novel low cost bidirectional transmission coherent passive optical network system

QIU Shunli1,YANG Yi2,HU Rong3
1.State Grid Liaoning Electric Power Company Information and Communication Company,Shenyang 110006,China 2.Department of Communication Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,China 3.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks,Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,Wuhan 430072,China

Based on the coherent optical reception technology,a cost-effective structure for the optical network unit(ONU)transceivers in ultra-dense wavelength division multiplexing passive optical network using a single directly modulated laser(DML)was proposed.To reduce the number of required light sources,only one DML was used in both upstream and downstream links.By experimental investigations,the impacts of driving amplitude and bias current on DML’s performance were analyzed.Meanwhile,the impact of frequency spacing between upstream and downstream signal and the Rayleigh backscattering interference on system performance were investigated.The method has better performance of system receiving and can effectively reduce the cost and complexity of coherent passive optical network system.

digital coherent detection,passive optical network,optical access network

The National Natural Science Foundation of China（No.61505154）

TN929.11

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016202

2016-05-03；

2016-07-13

邱順利，xhz050212@163.com

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61505154）

邱 順 利 （1961-），男 ，國 網(wǎng) 遼 寧 省 電 力 有 限公司信息通信分公司高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)通信規(guī)劃、計劃與工程管理工作，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶跋嚓P(guān)技術(shù)、光纖通信系統(tǒng)等。

楊毅（1965-），女，沈陽工程學(xué)院通信工程系副教授，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化研究與教學(xué)工作，主要研究方向?yàn)橹悄芘c光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

胡榮（1982-），男，博士，武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信與網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級工程師,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)、短距離光互聯(lián)及子系統(tǒng)以及下一代光接入網(wǎng)絡(luò)等,在國內(nèi)外知名期刊和會議上發(fā)表了25篇以上的論文。