訊號(hào)再調(diào)變被動(dòng)式高速寬帶光纖接取計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

丁 蕙

(南京森林警察學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院,南京210009 )

1 光通訊網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)電信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組件的特性，光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可大致分為主動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)(Active optical network; AON)與被動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)(Passive optical network; PON)兩種[1]。其中，又以被動(dòng)式光網(wǎng)絡(luò)最為矚目。由于被動(dòng)式組件不需耗電就可以完成信號(hào)處理，PON只有局端及終端設(shè)備需要用到電源，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與節(jié)點(diǎn)則可由光纖與被動(dòng)組件構(gòu)成，由于傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為無(wú)耗電的裝置，因此，在維護(hù)成本上會(huì)遠(yuǎn)低于的光纖銅纜混合網(wǎng)絡(luò)(Hybrid fibre-coaxial; HFC)。PON 可作為下一代新興的覆蓋最后一哩(Lastmile) 的寬帶接取網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]，因其在光分歧點(diǎn)上并不需要節(jié)點(diǎn)設(shè)備，只需使用一個(gè)簡(jiǎn)單的光分歧器(OpticalSplitter) 即可，目前已有多種不同的被動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被提出。亞洲為建置PON 網(wǎng)絡(luò)最多的國(guó)家，美國(guó)與歐洲PON 的數(shù)量目前也正快速地增加中。依照多任務(wù)器的類(lèi)型分類(lèi)而言，PON 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可區(qū)分為分時(shí)多任務(wù) (Time division multiplexing; TDM) 與分波多任務(wù) (Wavelength division multiplexing)兩種型式如圖1所示，在TDM-PON 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)，上傳與下傳使用不同單一波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸[3]，由不同子頻道所輸出的信號(hào)或數(shù)據(jù)流可以同時(shí)在一條通信線路上傳輸，各個(gè)子頻道則輪流占用此通信線路。時(shí)間域被劃分成周期循環(huán)的多個(gè)小時(shí)段，每段時(shí)間長(zhǎng)度是固定的，每個(gè)時(shí)段用來(lái)傳輸一個(gè)子頻道的信號(hào)。例如子頻道1 使用時(shí)間段1，子頻道2 使用時(shí)間段2，等，當(dāng)最后一個(gè)子頻道n 傳輸完畢，這樣的過(guò)程將會(huì)再次重復(fù)( 從1～n)?，F(xiàn)行商業(yè)的PON 網(wǎng)絡(luò)皆為分時(shí)多任務(wù)，包括ATM-PON、Broadband-PON、Etherne。

圖1 分時(shí)多任務(wù)- 被動(dòng)式光網(wǎng)絡(luò)(TDM-PON) 示意圖

另一方面，如圖2所示，WDM-PON 則是在單條光纖上使用多激光器發(fā)送多束激光，每個(gè)子頻道都傳輸于獨(dú)有區(qū)段內(nèi)，所以設(shè)施容量增大，相較于分時(shí)多任務(wù)，其帶寬效率潛力、接入速率、安全性和信號(hào)承載力方面有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。目前，GPON 系統(tǒng)是許多用戶(hù)一起分享帶寬，這會(huì)引起帶寬縮減問(wèn)題，導(dǎo)致用戶(hù)群得不到他們預(yù)期中的帶寬。而 WDM-PON 可提供10 或 20 倍以上的帶寬和單獨(dú)波長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)速度極快，可以在幾秒內(nèi)下載一首音樂(lè)或在幾分鐘內(nèi)下載一部電影。最近幾年，分波多任務(wù)的技術(shù)又實(shí)現(xiàn)了高密度分波多任務(wù) (Dense wavelength division multiplexing; DWDM)，所謂 DWDM 與 WDM 原理類(lèi)似，是指 DWDM 可以以高密度的方法讓8個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光信息同時(shí)通過(guò)一條光纖傳輸，最多可將約 80 筆的數(shù)據(jù)封包多任務(wù)放在單一光纖上傳輸，以達(dá)到充分寬帶的效果，同時(shí)也被視為未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ墓饩W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之一。

圖2 分波多任務(wù)- 被動(dòng)式光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON) 示意圖

2 ONU 搭配CLS技術(shù)

圖3 綜合長(zhǎng)距離被動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)(LR-PON) 的簡(jiǎn)化架構(gòu)圖

盡管WDM-PON 擁有技術(shù)上的巨大優(yōu)勢(shì)，可以提供相當(dāng)高帶寬的網(wǎng)絡(luò)，但其成本也隨著頻寬的增加而迅速地增長(zhǎng)，而成本剛好是使用者考慮的最關(guān)鍵因素[5]。如此一來(lái)，WDM-PON 會(huì)因WDM 光源的價(jià)格原因而無(wú)法普及化。另一方面，在WDM-PON 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，最重要的也是最具挑戰(zhàn)性的議題即WDM 激光光源數(shù)量的需求，在多個(gè)不同波長(zhǎng)同時(shí)工作時(shí)，最直接的WDM-PON 系統(tǒng)使用會(huì)系在 OLT 內(nèi)使用多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光光源，而每一個(gè)ONU 也會(huì)使用特定波長(zhǎng)的激光光源且相對(duì)應(yīng)于 OLT 內(nèi)的下傳光源波長(zhǎng)，其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接都按預(yù)先設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)進(jìn)行配置和工作。使用的用戶(hù)數(shù)越多，其需要的激光波長(zhǎng)數(shù)就會(huì)越多，需要不同波長(zhǎng)的激光光源種類(lèi)也越多，將會(huì)產(chǎn)生大量的儲(chǔ)備機(jī)房問(wèn)題。對(duì) ONU 的影響會(huì)尤其明顯[6]，因?yàn)槠涑杀緹o(wú)法像 OLT 一樣具有可分?jǐn)傂裕诔杀旧弦紤]。由于存在嚴(yán)重的 ONU 儲(chǔ)備機(jī)房問(wèn)題，固定光源的解決方案難以應(yīng)用于商用 WDM-PON 系統(tǒng)，因此使用無(wú)色光源的 ONU(Colorless-ONU) 模塊已成為當(dāng)前 WDM-PON 相關(guān)技術(shù)研究的方向。

圖4 使用RONU 時(shí)所產(chǎn)生之兩種RB 噪聲示意圖

無(wú)色光源 ONU 搭配中央化光源 (Centralized light source; CLS) 可達(dá)到最高的經(jīng)濟(jì)效益。如圖3、圖4所示，系統(tǒng)中的所有光源都置于 OLT 處，并通過(guò)數(shù)組波導(dǎo)光柵 (Arrayed waveguide grating; AWG) ( 或是使用 WDM Multiplexer)分割光譜向 ONU 提供光信號(hào)，而 ONU 重新調(diào)制信號(hào)后產(chǎn)生上傳信號(hào)。此操作方式的 ONU 也稱(chēng)為反射式 ONU(Reflective ONU; RONU)。AWG 分波下傳光源發(fā)出的光，提供給ONU 作為上傳光源，光信號(hào)不會(huì)浪費(fèi)。R-ONU 調(diào)制器價(jià)格低廉，其工作在操作溫度范圍內(nèi)不受偏振影響，且光帶寬范圍較大、噪聲低且插入損耗小。反射調(diào)變器有注入鎖模式的 Fabry-Perot 激光二極管 (FP-laser diode; FP-LD)、反射式半導(dǎo)體光放大器 (Reflective semiconductor optical amplifier; RSOA) 以及致電 - 吸光式調(diào)變器 ，可現(xiàn)無(wú)色 ONU。

此技術(shù)避免使用 ONU 光源，然而也存在缺點(diǎn)。 OLT 光源要很大輸出功率來(lái)支持上下傳的傳輸。若無(wú)高功率的 OLT 光，替代方法是放大上傳信號(hào)。為在 ONU和 OLT 間保持被動(dòng)設(shè)備，須在 ONU 內(nèi)放置放大器，以致 ONU 成本增加。另外，當(dāng) OLT 與 ONU 之間僅使用單一光纖同時(shí)傳輸上下傳訊號(hào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的雷利后向散射 (Rayleigh backscattering; RB)，造成信號(hào)干擾，若分離上下行信號(hào)，在不同的光纖里傳輸，就會(huì)成倍增加光纖數(shù)量、路由器端口數(shù)量，設(shè)備安裝維護(hù)的復(fù)雜度提高。如圖3所示，光源從 OLT 處由光回旋器及單模光纖散布到 RONU 中以產(chǎn)生上傳訊號(hào)。由于光纖傳輸?shù)谋举|(zhì)特性，將會(huì)導(dǎo)致兩種不同類(lèi)型的 RB 噪聲產(chǎn)生，并且在 OLT 中的光接收器對(duì)上傳訊號(hào)進(jìn)行干擾。載子 -RB 是當(dāng)光源從 OLT 處散布到 RONU 時(shí)被光纖反射所產(chǎn)生的。信號(hào) -RB 則是由于上傳訊號(hào)被光纖反射后回到 RONU 中，經(jīng)過(guò) RONU 的二次調(diào)變及放大所導(dǎo)致的。

3 被動(dòng)式訊號(hào)再調(diào)變光纖接取網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

因?yàn)樵?TDM-PON 中，每個(gè) ONU 距離局端的 OLT(Optical line termination)距離都不一樣，到達(dá) OLT 的功率必定都不一致。這樣會(huì)造成 OLT 必須接收不同功率的光訊號(hào)，使得 OLT 的光接收器變的相當(dāng)復(fù)雜，不僅影響接收性能，也造成成本上升。

因此，在本發(fā)明中，我們利用一個(gè)光旋波器(Optical Circulator, OC)以及一個(gè)被動(dòng)式功率平整器(Passive Power Equalizer)，其容易內(nèi)建在 OLT 模塊內(nèi)，并且可以由功率平整器來(lái)統(tǒng)一各個(gè) ONU的上傳功率，使得每個(gè) ONU 的光收發(fā)器傳送的訊號(hào)在到達(dá) OLT 時(shí)都可以幾乎一樣。可以簡(jiǎn)化 OLT 的接收器的復(fù)雜度，也可以提升整體接收的質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 提出的被動(dòng)式光模塊架構(gòu)

其主要通過(guò) FP-LD 的增益飽和特性使得每個(gè)上傳信號(hào)的功率大小被均化，可以簡(jiǎn)化OLT的接收器的復(fù)雜度，同時(shí)提升接收質(zhì)量?，F(xiàn)行 2.5 Gb/s TDM-PON 的傳輸技術(shù)是TDM 方式傳輸，因此在 OLT 端需要一個(gè) 2.5 Gb/s 的暴沖式光接收器(Burst-mode receiver; BMR)。但現(xiàn)階段若是要達(dá)到 10 Gb/s 的上傳信號(hào)的話，在 OLT 端則需要一個(gè)10 Gb/s 的 BMR，以目前的 BMR 技術(shù)而言，現(xiàn)階段僅能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)法有效將其產(chǎn)品化。因?yàn)?10 Gb/ s BMR 是影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，因此，我們提出以現(xiàn)行的光電通訊組件設(shè)計(jì)成 10 Gb/s 上傳信號(hào)的光纖接取網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不但不需改變?cè)镜墓饫w網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還可以解決無(wú) 10 Gb/s BMR 的窘境。如圖6所示，將 4 顆具 2.5 Gb/s 直接調(diào)變信號(hào)的自我注入式Fabry-Perot 激光二極管(FP-LD)放置于 TDM-PON 的 ONU 內(nèi)以作為 10 Gb/s 的上傳信號(hào)源。本研究方式簡(jiǎn)易且可以直接實(shí)現(xiàn) 10-Gb/s 的上傳數(shù)據(jù)率。圖7為我們所提出的“訊號(hào)再調(diào)變”長(zhǎng)程被動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖。

圖6 提出的10 Gb/s 之上傳信號(hào)TDM-PON 架構(gòu)

圖7 訊號(hào)再調(diào)變 DWDM-PON 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖。EAM:致電 - 吸光式調(diào)變器 ,SMF:單模光纖 ,EDFA:摻鉺光纖放大器 ,RSOA: 反射式半導(dǎo)體光放大器 ,FP-LD:FabryPerot激光二極管。

圖8 不同種類(lèi)ONU 所產(chǎn)生的下傳OFDM 及上傳NRZ

基頻數(shù)字訊號(hào)處理器 Digital signal processing; DSP) 被用來(lái)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的 16-QAM OFDM 訊號(hào)，搭配 4 GHz 取樣率總比特率 (Bit rate) 達(dá) 4 Gb/s 的 OFDM 訊號(hào)由 16 個(gè)次載波組成，共占據(jù) 1 GHz 的帶寬，每個(gè)次載波則采用 16-QAM 編碼格式。下傳 16-QAM OFDM 訊號(hào)經(jīng) 100 km單模光纖的傳輸后使用摻鉺光纖放大器 (Erbium doped fiber amplifier; EDFA) 補(bǔ)償光纖傳遞所導(dǎo)致的光損耗后被光接收器所偵測(cè)。在 ONU 中， 10%的下傳訊號(hào)能量被預(yù)放大-接收器(Pre-amplified receiver) 所接收，此接收器由一個(gè) EDFA、光帶通濾波器及 PIN 光偵測(cè)器所組成。所接收到的下傳模擬訊號(hào)經(jīng)由模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (Real-time 10 GHz sampling oscilloscope) 轉(zhuǎn)成數(shù)字訊號(hào)以便做訊號(hào)解調(diào)。解調(diào)的過(guò)程由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)執(zhí)行。誤碼率由測(cè)量到的 EVM(Error vector magnitude) 計(jì)算而得。其余 90% 的下傳訊號(hào)則傳送到 ONU 中的無(wú)色調(diào)變器進(jìn)行上傳訊號(hào)的調(diào)變。在研究當(dāng)中，我們分析3種不同種類(lèi)的無(wú)色調(diào)變器，包括了 EAM、 RSOA 與 FP-LD。每一種調(diào)變器皆以 2.5 Gb/s nonreturn-to-zero (NRZ) data 做直接調(diào)變。調(diào)變后的上傳訊號(hào)經(jīng)由另外一條單模光纖傳送回局端中的接收器做訊號(hào)的解調(diào)和誤碼率(Bit error rate; BER)的計(jì)算。由于下傳 OFDM-QAM 訊號(hào)的 ER(Extinction ratio)值會(huì)影響到上下傳訊號(hào)的傳輸質(zhì)量，故首先調(diào)查這項(xiàng)參數(shù)變化對(duì)傳輸質(zhì)量的影響。如8所示，降低下傳 OFDM 訊號(hào)的 ER 值可得到的功率代價(jià)更好的上傳的訊號(hào)質(zhì)量。對(duì)于以 EAM 所組成的 ONU 來(lái)說(shuō)，當(dāng) OFDM 的 ER 值為 3.7 dB 時(shí)，上下傳的訊號(hào)大約有 4 dB 的功率代價(jià) (Power penalty)?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用 RSOA 的增益飽合特性或者 FP-LD 的光注入鎖模特性皆可觀察到下傳 OFDM 訊號(hào)被明顯的抑制，從而得到質(zhì)量較好的上傳訊號(hào)，結(jié)果顯示，由于上傳 NRZ 訊號(hào)可以有效率的調(diào)變到下傳的訊號(hào)上，功率代價(jià)可以改進(jìn) 2-dB。進(jìn)一步比較以 RSOA 以及 FP-LD 為基底時(shí)訊號(hào)再調(diào)變系統(tǒng)的成果。從圖8得知 FP-LD 的光注入鎖模特性可以有效抑制下傳 OFDM 信號(hào)以便得到比較好的上傳 NRZ 信號(hào)。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)光纖通訊產(chǎn)業(yè)起步較慢，因此，發(fā)展光纖接取網(wǎng)絡(luò) (Fiber access network) 關(guān)鍵技術(shù)，建立局端接取設(shè)備技術(shù)同時(shí)研究光通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，及早建立 IP 化的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及完整化的布局，進(jìn)而由技術(shù)追隨者轉(zhuǎn)變成為領(lǐng)先者。其光纖傳輸信號(hào)可避免受電磁波的干擾，且具有低損耗的特性，可以提高傳輸通訊的質(zhì)量，光纖通訊網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)在寬帶接取網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案之一。本設(shè)計(jì)的光纖網(wǎng)絡(luò)可以提供相當(dāng)高速的帶寬，一次可以滿(mǎn)足用戶(hù)高帶寬的需求，免去日后需重新建置網(wǎng)絡(luò)的麻煩。