WDM-PON中基于RSOA的有線無線鏈路融合實現載波重用系統的研究

狄晗，陳新橋，劉曉蕊

（中國傳媒大學信息與通信工程學院，北京 100024）

1 引言

無源光網絡（PON）是光纖接入的主要實現手段[1]。PON 主要由光線路終端（OLT）和光網絡單元（ONU）構成。提高PON 的傳輸容量和降低ONU 的成本是PON 工程應用的兩個關鍵技術問題[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議的業務，成為了提高PON傳輸容量的最成熟的解決方案[4][5]。

ONU 中作上行數據傳輸的光載波的成本是決定ONU 成本高低的關鍵[6][7]。在ONU 中上行光載波不采用有源的激光器來產生，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[8][9]。本文采用MZM 同時調制連續波激光光源與有線和無線數據，用于下行鏈路。利用RSOA 實現載波重用技術在上行鏈路上提供可靠的雙向光通道[10]。采用波分復用技術進一步提高了系統的容量。成本低廉，性能良好，具有重要的應用前景。

2 系統的設計

圖1 為RSOA 實現載波重用的WDM-PON 系統設計框圖。PON 中OLT 與ONU 通過兩個光環形器和雙向傳輸光纖連接。系統的下行傳輸采用WDM復用技術。WDM 中采用4個光載波，分別從4個連續波(Continuous Wave, CW)激光器發射，頻率從193.1 THz 到193.4THz，頻率間隔為100GHz。4 個OLT 發送模塊形成的下行光信號通過一個波分復用器（Multiplexers, Mux）復合成一路光信號，通過光纖傳輸到一個波分解復用器（Demultiplexers, Demux），經解復用后送入ONU接收模塊中。

圖1基于RSOA實現載波重用的WDM-PON系統設計框圖

圖2 為OLT 的發送模塊中的一個發射單元結構示意圖。在發射單元中，馬赫曾德爾調制器(Mach Zendel modulator, MZM)的端口1 由載波頻率為20GHz的調幅器驅動，調幅器驅動的是2.5Gb/s 基帶信號，端口2 采用1Gb/s 基帶信號。激光器發射的光載波首先經過偏振控制器后輸入到MZM 進行調制，形成一路下行傳輸的光信號。

圖2 OLT發射單元框圖

圖3 為ONU 接收模塊中一個接收單元結構示意圖。輸入光信號經一個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，實現光電轉換，恢復出有線信號和無線信號。其中無線信號的恢復要額外通過一個20GHz 的振幅調制(Amplitude Modulation,AM)解調器。最后一路信號傳輸到ONU 發射單元，將光通道的剩余功率傳輸到RSOA，重新調制信號與上行數據。

圖3 ONU接收單元框圖

圖4為ONU接收模塊中的發射單元結構示意圖，其輸入光信號是從ONU 接收單元1 發出的，ONU 的上行數據經一個RSOA，送入到ONU單元的波分復用器后，經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發射單元框圖

圖5 為OLT 接收模塊中一個接收單元結構示意圖，以OLT 接收單元1 為例，從ONU 回傳到OLT 的光信號，首先經過一個波分解復用器進行波長的解復用，送入到檢測器中實現光電轉換后，再通過一個低通濾波器，恢復出上行信號。

圖5 OLT接收單元框圖

3 仿真實驗結果

根據圖1，采用OptiSystem 仿真軟件，搭建了一個基于RSOA 實現載波重用的WDM-PON 系統。仿真的各種參數采用前面設計中的參數。

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

圖6 193.1THz調制光譜圖

圖7 下行4波長信道光譜圖

圖8 經RSOA“擦除”后的信號光譜圖

圖9 上行4波長信道復合光譜圖

圖10 193.1Thz上解調出的下行有線信號眼圖

圖11 193.1Thz上解調出的下行無線信號眼圖

圖12 193.1Thz上解調出的上行信號眼圖

4 系統性能分析

衡量系統性能指標的最重要的參數是傳輸數據的眼圖、誤碼率及Q值，本文所設計的系統中影響這些參數的主要因素有RSOA的注入電流、MZM的消光比和發射機的功率。下面逐一對它們進行分析研究。

4.1 MZM消光比對上下行信號Q值的影響

調制器的消光比是影響系統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。系統的下行通過幅度調制光信號而得到，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，在調制系統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，整個系統的上行光信號傳輸情況都會受到影響。以ONU 接收模塊中的接收單元1 中為例，對MZM 的消光比進行從17dB 到24dB 進行掃參，仿真結果如圖13所示，從圖中可以看到，隨著調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，當消光比越大時，數字信號“0”和數字信號“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制，導致上行數據傳輸的通信質量降低，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，當消光比大約為20dB 時，系統性能較好。

圖13 上下行傳輸數據信號的Q值與MZM消光比的關系圖

4.2 發射機的功率對系統傳輸性能的影響

OLT發射單元中，發射機的功率大小直接影響下行和上行數據傳輸的誤碼率。根據前面的掃參結果，設置當消光比為21dB時，以OLT的發射單元1為例，對發射機的功率從-5dBm到15dBm進行掃參，仿真結果如圖14所示。從圖中可以看到，隨著發射機的功率的逐漸增加，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。但是當發射機的功率進一步增加時，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。結果表明，在其他參數不變的情況下，隨著OLT端發射機功率的增加，下行數據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，而上行數據鏈路的傳輸性能先是適當增加然后快速下降。這是由于當發射機的功率增加時，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，使得RSOA的“擦除”效果較好。上行信號的調制受下行信號的干擾較小，上行鏈路的通信質量較高，Q值也相對較大。但是當OLT端發射機的功率進一步增加時，RSOA的注入光功率過大，由于RSOA已經增益飽和，經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，上行信號的調制受到下行信號的干擾較大，上行鏈路的通信質量迅速降低，使得上行信號的Q值變差。從圖14中可以看出，當發射機的功率大約為6.2dBm時，系統的性能較好。

圖14 上下行傳輸數據信號的Q值與發射機發射功率關系圖

4.3 光纖長度對系統傳輸性能的影響

根據前面掃參分析的結果，設置消光比為20dB，發射機的功率為6.2dBm。以OLT的發射單元1為例，其他參數保持不變，對光纖的長度從26-34km進行掃參。仿真結果如圖15所示，隨著光纖長度的增加，上下行傳輸數據信號的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。從圖中可以發現，在系統各項參數不變的情況下，增加光纖的長度會降低系統上下行傳輸信號的Q值，降低系統的傳輸性能。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，當光纖長度達到32.8km時，由于上行信號的Q值已經降低到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量，能夠獲得較高的Q值，滿足雙向通信系統的需求。這說明所設計的系統適宜傳輸距離小于32.8km以內的傳輸系統。

圖15 傳輸距離對系統傳輸性能的影響

5 系統性能分析

提出了一種實現無線有線融合的WDM-PON結構，采用RSOA實現載波重用。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。最后對仿真結果以及影響系統的參數進行的分析，具體工作如下：

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

(2)仿真實現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，上行傳輸數據的Q 值為9.7，驗證了該方案的可行性。

(3)研究了發射機的功率、MZM 消光比和傳輸距離對上下行數據傳輸質量的影響，得出當發射機的功率為6.2 dBm，MZM 消光比為20dB，且傳輸距離小于32.8km時，系統的性能較好的結論。