WDM-PON中基于RSOA的有線無線鏈路融合實現(xiàn)載波重用系統(tǒng)的研究

狄晗，陳新橋，劉曉蕊

（中國傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100024）

1 引言

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是光纖接入的主要實現(xiàn)手段[1]。PON 主要由光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）構(gòu)成。提高PON 的傳輸容量和降低ONU 的成本是PON 工程應(yīng)用的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題[2][3]。WDM-PON 的用戶獨享整個波長信道的帶寬，提供更大的容量、更寬的覆蓋范圍，同時可以透明傳輸各種協(xié)議的業(yè)務(wù)，成為了提高PON傳輸容量的最成熟的解決方案[4][5]。

ONU 中作上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓廨d波的成本是決定ONU 成本高低的關(guān)鍵[6][7]。在ONU 中上行光載波不采用有源的激光器來產(chǎn)生，而是利用對下行光載波的重用，這是降低ONU 成本的一種主要方法之一，該方法稱為載波重用技術(shù)[8][9]。本文采用MZM 同時調(diào)制連續(xù)波激光光源與有線和無線數(shù)據(jù)，用于下行鏈路。利用RSOA 實現(xiàn)載波重用技術(shù)在上行鏈路上提供可靠的雙向光通道[10]。采用波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的容量。成本低廉，性能良好，具有重要的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

圖1 為RSOA 實現(xiàn)載波重用的WDM-PON 系統(tǒng)設(shè)計框圖。PON 中OLT 與ONU 通過兩個光環(huán)形器和雙向傳輸光纖連接。系統(tǒng)的下行傳輸采用WDM復(fù)用技術(shù)。WDM 中采用4個光載波，分別從4個連續(xù)波(Continuous Wave, CW)激光器發(fā)射，頻率從193.1 THz 到193.4THz，頻率間隔為100GHz。4 個OLT 發(fā)送模塊形成的下行光信號通過一個波分復(fù)用器（Multiplexers, Mux）復(fù)合成一路光信號，通過光纖傳輸?shù)揭粋€波分解復(fù)用器（Demultiplexers, Demux），經(jīng)解復(fù)用后送入ONU接收模塊中。

圖1基于RSOA實現(xiàn)載波重用的WDM-PON系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖2 為OLT 的發(fā)送模塊中的一個發(fā)射單元結(jié)構(gòu)示意圖。在發(fā)射單元中，馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach Zendel modulator, MZM)的端口1 由載波頻率為20GHz的調(diào)幅器驅(qū)動，調(diào)幅器驅(qū)動的是2.5Gb/s 基帶信號，端口2 采用1Gb/s 基帶信號。激光器發(fā)射的光載波首先經(jīng)過偏振控制器后輸入到MZM 進(jìn)行調(diào)制，形成一路下行傳輸?shù)墓庑盘枴?/p>

圖2 OLT發(fā)射單元框圖

圖3 為ONU 接收模塊中一個接收單元結(jié)構(gòu)示意圖。輸入光信號經(jīng)一個1×3 分束器分成三束光信號后，其中兩路信號分別注入到兩個光檢測器中，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出有線信號和無線信號。其中無線信號的恢復(fù)要額外通過一個20GHz 的振幅調(diào)制(Amplitude Modulation,AM)解調(diào)器。最后一路信號傳輸?shù)絆NU 發(fā)射單元，將光通道的剩余功率傳輸?shù)絉SOA，重新調(diào)制信號與上行數(shù)據(jù)。

圖3 ONU接收單元框圖

圖4為ONU接收模塊中的發(fā)射單元結(jié)構(gòu)示意圖，其輸入光信號是從ONU 接收單元1 發(fā)出的，ONU 的上行數(shù)據(jù)經(jīng)一個RSOA，送入到ONU單元的波分復(fù)用器后，經(jīng)雙向傳輸光纖回傳到OLT。其中上行信號為1gb/s的基帶信號。

圖4 ONU發(fā)射單元框圖

圖5 為OLT 接收模塊中一個接收單元結(jié)構(gòu)示意圖，以O(shè)LT 接收單元1 為例，從ONU 回傳到OLT 的光信號，首先經(jīng)過一個波分解復(fù)用器進(jìn)行波長的解復(fù)用，送入到檢測器中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，再通過一個低通濾波器，恢復(fù)出上行信號。

圖5 OLT接收單元框圖

3 仿真實驗結(jié)果

根據(jù)圖1，采用OptiSystem 仿真軟件，搭建了一個基于RSOA 實現(xiàn)載波重用的WDM-PON 系統(tǒng)。仿真的各種參數(shù)采用前面設(shè)計中的參數(shù)。

圖6 為OLT 發(fā)射單元1 中193.1THz 處經(jīng)下行信號(有線和無線)調(diào)制后的單個信道的光譜圖。圖7為4 個波長信道復(fù)合后形成的下行信號的光譜圖，波長間隔為100GHz。圖8 為ONU 發(fā)射單元1 中經(jīng)RSOA“擦除”后的信號光譜圖。圖9 為ONU 發(fā)送模塊中4 個發(fā)射單元發(fā)出的4 個波長經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)合形成的復(fù)合光信號光譜圖。

圖6 193.1THz調(diào)制光譜圖

圖7 下行4波長信道光譜圖

圖8 經(jīng)RSOA“擦除”后的信號光譜圖

圖9 上行4波長信道復(fù)合光譜圖

圖10 193.1Thz上解調(diào)出的下行有線信號眼圖

圖11 193.1Thz上解調(diào)出的下行無線信號眼圖

圖12 193.1Thz上解調(diào)出的上行信號眼圖

4 系統(tǒng)性能分析

衡量系統(tǒng)性能指標(biāo)的最重要的參數(shù)是傳輸數(shù)據(jù)的眼圖、誤碼率及Q值，本文所設(shè)計的系統(tǒng)中影響這些參數(shù)的主要因素有RSOA的注入電流、MZM的消光比和發(fā)射機(jī)的功率。下面逐一對它們進(jìn)行分析研究。

4.1 MZM消光比對上下行信號Q值的影響

調(diào)制器的消光比是影響系統(tǒng)傳輸性能的重要因素，消光比直接影響到RSOA 的“擦除”效果。全“0”輸出時的平均光功率與全“1”時輸出的平均光功率之比被稱為消光比。系統(tǒng)的下行通過幅度調(diào)制光信號而得到，這樣信號的振幅壓縮情況受下行光信號的消光比影響比較明顯，因此，在調(diào)制系統(tǒng)中擦除下行光信號的效果也會受消光比取值大小的影響，最終，整個系統(tǒng)的上行光信號傳輸情況都會受到影響。以O(shè)NU 接收模塊中的接收單元1 中為例，對MZM 的消光比進(jìn)行從17dB 到24dB 進(jìn)行掃參，仿真結(jié)果如圖13所示，從圖中可以看到，隨著調(diào)制器消光比的增加下行信號的Q 值逐漸增加，而上行信號的Q 值逐漸減少。由消光比的定義可知，當(dāng)消光比越大時，數(shù)字信號“0”和數(shù)字信號“1”之間的光功率比就越大，差值就越大。對上行信號來說，RSOA 對差值較大的信號“擦除”是比較困難的，RSOA“擦除”的不干凈，會直接干擾上行信號的調(diào)制，導(dǎo)致上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量降低，信號的Q 值就越低。而這種信號的差值對下行信號的接收是有利的，所以下行信號的Q 值逐漸增加。從仿真可以看出，當(dāng)消光比大約為20dB 時，系統(tǒng)性能較好。

圖13 上下行傳輸數(shù)據(jù)信號的Q值與MZM消光比的關(guān)系圖

4.2 發(fā)射機(jī)的功率對系統(tǒng)傳輸性能的影響

OLT發(fā)射單元中，發(fā)射機(jī)的功率大小直接影響下行和上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。根據(jù)前面的掃參結(jié)果，設(shè)置當(dāng)消光比為21dB時，以O(shè)LT的發(fā)射單元1為例，對發(fā)射機(jī)的功率從-5dBm到15dBm進(jìn)行掃參，仿真結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看到，隨著發(fā)射機(jī)的功率的逐漸增加，下行有線信號和無線信號的Q值緩慢增加，上行信號的Q值變化不大。但是當(dāng)發(fā)射機(jī)的功率進(jìn)一步增加時，下行有線信號和無線信號的Q值緩慢下降，上行信號的Q值則快速下降。結(jié)果表明，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著OLT端發(fā)射機(jī)功率的增加，下行數(shù)據(jù)鏈路的傳輸性能先是緩慢增加隨后緩慢下降，總體變化不大，而上行數(shù)據(jù)鏈路的傳輸性能先是適當(dāng)增加然后快速下降。這是由于當(dāng)發(fā)射機(jī)的功率增加時，ONU端接收到的信號功率也較大，此時，RSOA的注入光功率也在增加，由于增益飽和效應(yīng)，使得RSOA的“擦除”效果較好。上行信號的調(diào)制受下行信號的干擾較小，上行鏈路的通信質(zhì)量較高，Q值也相對較大。但是當(dāng)OLT端發(fā)射機(jī)的功率進(jìn)一步增加時，RSOA的注入光功率過大，由于RSOA已經(jīng)增益飽和，經(jīng)RSOA輸出的“0”電平值和“1”電平值不能接近完全一致，此時RSOA對下行鏈路的“擦除”效果不理想，上行信號的調(diào)制受到下行信號的干擾較大，上行鏈路的通信質(zhì)量迅速降低，使得上行信號的Q值變差。從圖14中可以看出，當(dāng)發(fā)射機(jī)的功率大約為6.2dBm時，系統(tǒng)的性能較好。

圖14 上下行傳輸數(shù)據(jù)信號的Q值與發(fā)射機(jī)發(fā)射功率關(guān)系圖

4.3 光纖長度對系統(tǒng)傳輸性能的影響

根據(jù)前面掃參分析的結(jié)果，設(shè)置消光比為20dB，發(fā)射機(jī)的功率為6.2dBm。以O(shè)LT的發(fā)射單元1為例，其他參數(shù)保持不變，對光纖的長度從26-34km進(jìn)行掃參。仿真結(jié)果如圖15所示，隨著光纖長度的增加，上下行傳輸數(shù)據(jù)信號的Q 值都隨傳輸距離的增大而減小，大約在32.8km處，上行信號的Q值降低到了5.9。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)各項參數(shù)不變的情況下，增加光纖的長度會降低系統(tǒng)上下行傳輸信號的Q值，降低系統(tǒng)的傳輸性能。因為光纖長度越大，傳輸過程中引入的各種噪聲也越大。從圖中可以看出，當(dāng)光纖長度達(dá)到32.8km時，由于上行信號的Q值已經(jīng)降低到5.9，不能滿足通信需求。而PON一般用于FTTH，由于FTTH的距離一般都是比較近的，所以在短距離傳輸中，采用RSOA不影響上行鏈路的通信質(zhì)量，能夠獲得較高的Q值，滿足雙向通信系統(tǒng)的需求。這說明所設(shè)計的系統(tǒng)適宜傳輸距離小于32.8km以內(nèi)的傳輸系統(tǒng)。

圖15 傳輸距離對系統(tǒng)傳輸性能的影響

5 系統(tǒng)性能分析

提出了一種實現(xiàn)無線有線融合的WDM-PON結(jié)構(gòu)，采用RSOA實現(xiàn)載波重用。分析了其工作原理，采用光子模擬軟件搭建了仿真實驗系統(tǒng)。最后對仿真結(jié)果以及影響系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行的分析，具體工作如下：

(1)提出了采用RSOA 實現(xiàn)WDM-PON 系統(tǒng)“無色”O(jiān)NU 的實現(xiàn)方案，建立WDM-PON 載波重用的理論模型。

(2)仿真實現(xiàn)了下行鏈路中同時傳遞有線信號和無線信號，上行鏈路中利用RSOA 實現(xiàn)載波重用。仿真實驗中，WDM 采用193.1-193.4THz 的間隔為100GHz 的4 個光波作為光載波。仿真實驗獲得下行傳輸鏈路中，有線信號的Q 值為14.1、無線信號的Q值為12.8，上行傳輸數(shù)據(jù)的Q 值為9.7，驗證了該方案的可行性。

(3)研究了發(fā)射機(jī)的功率、MZM 消光比和傳輸距離對上下行數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響，得出當(dāng)發(fā)射機(jī)的功率為6.2 dBm，MZM 消光比為20dB，且傳輸距離小于32.8km時，系統(tǒng)的性能較好的結(jié)論。