基于反射濾波器實現(xiàn)載波重用無源光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

狄 晗，陳新橋，劉曉蕊，霍愷麗

(中國傳媒大學(xué) a.信息與通信工程學(xué)院; b.數(shù)據(jù)科學(xué)與智能媒體學(xué)院, 北京 100024)

0 引 言

提高無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Networks, PON)傳輸容量和降低光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit, ONU)成本是PON工程應(yīng)用的兩個關(guān)鍵[1-2]。近年來提出在波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)-PON中采用副載波重用(Subcarrier Multiplexing, SCM)技術(shù)，即SCM/WDM-PON技術(shù)[3-4]，能有效提高單波長的傳輸容量。

降低ONU成本的主要方法之一是載波重用技術(shù)[5-6]，目前提出的載波重用實現(xiàn)方法主要分為3類，一類方法是利用反射半導(dǎo)體光放大器(Reflective Semiconductor Optical Amplifier, RSOA)的增益飽和效應(yīng)對下行傳輸信號中的數(shù)據(jù)進行“擦除”，從而獲得上行傳輸?shù)墓廨d波[7]，該方法存在RSOA對下行信號上的數(shù)據(jù)擦除不干凈的問題；另一類方法是上下行傳輸采用同一個光載波，但采用不同的調(diào)制格式，實現(xiàn)載波重用[8]，該方法受到調(diào)制格式的限制；還有一類方法是，首先在光線路終端(Optical Line Terminal, OLT)中產(chǎn)生帶有光邊帶的光載波，然后在ONU中采用波長相關(guān)器件對光載波和光邊帶進行分離，利用分離出的光邊帶作為上行載波，實現(xiàn)載波重用[9]，該方法需要在ONU端采用兩個帶通濾波器分別濾出載波和邊帶，成本較高。

本文設(shè)計的SCM/WDM-PON系統(tǒng)是在ONU中使用無源反射濾波器來實現(xiàn)載波重用。利用從反射濾波器透射出的光信號作為上行信號的光載波，只需要1個光濾波器，成本低廉，結(jié)構(gòu)新穎，性能良好，具有重要的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的設(shè)計

PON結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化面臨兩個主要問題，一個是如何提高PON的OLT與ONU間的數(shù)據(jù)傳輸容量，另一個是如何降低ONU的結(jié)構(gòu)成本。

常規(guī)的PON結(jié)構(gòu)中，上下鏈路數(shù)據(jù)傳輸采用的是時分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)技術(shù)，即為TDM-PON結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的精密測距、突發(fā)工作模式和動態(tài)帶寬分配等技術(shù)。上下鏈路數(shù)據(jù)傳輸采用WDM技術(shù)時，即為WDM-PON結(jié)構(gòu)，它可極大地提高PON數(shù)據(jù)傳輸容量，是下一代PON的主要結(jié)構(gòu)。本文在WDM-PON結(jié)構(gòu)中增加了1種SCM結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效地提高WDM-PON單波長信道的傳輸容量。簡潔起見，本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中只設(shè)計了3和6 GHz的射頻(Radio Frequency，RF)載波做為副載波。用戶數(shù)據(jù)是先調(diào)制到這兩個副載波上，然后通過1個RF合成器合成為1路復(fù)合RF信號，再將其調(diào)制到光載波上。在實際應(yīng)用中，可設(shè)計多路RF副載波，這樣可進一步提高WDM-PON單波長信道傳輸容量。

圖1所示為基于反射濾波實現(xiàn)載波重用的SCM/WDM-PON系統(tǒng)設(shè)計框圖。PON中 OLT與ONU通過兩個光環(huán)行器和雙向傳輸光纖連接。系統(tǒng)的下行傳輸采用SCM/WDM復(fù)用技術(shù)。8個連續(xù)波激光器產(chǎn)生8個功率為6 dBm光載波，頻率從193.1到194.5 THz，頻率間隔為200 GHz。SCM中副載波采用兩個頻率為3和6 GHz的RF載波fRF1和fRF2。

圖1 基于反射濾波實現(xiàn)載波重用的SCM/WDM-PON系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖2所示為OLT發(fā)送模塊中1個發(fā)送單元的結(jié)構(gòu)示意圖。在發(fā)送單元中，首先采用SCM技術(shù)將兩個速率為1 Gbit/s的用戶數(shù)據(jù)m1和m2調(diào)制到副載波fRF1和fRF2上，然后采用功率合成器合成1路復(fù)合的RF信號，再通過1個90 °的混合耦合器將其與1個10 GHz的RF載波信號fRF合成1路RF復(fù)合信號，注入到馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach Zendel Modulator, MZM)調(diào)制下行光載波形成1路下行傳輸?shù)墓庑盘枴?個OLT發(fā)送單元發(fā)出的8路下行光信號通過1個Mux復(fù)合成1路下行光信號，復(fù)合下行光信號通過光纖傳輸?shù)絆NU端的Demux，經(jīng)解復(fù)用后送入ONU接收模塊中。

圖2 OLT發(fā)送單元框圖

圖3所示為ONU接收模塊中1個接收單元的結(jié)構(gòu)示意圖。輸入光信號首先經(jīng)反射濾波器濾波，將載波為193.1 THz的光信號濾出，再經(jīng)1個1×2分束器分成兩束光信號后，分別注入到兩個光檢測器中，實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，然后通過中心頻率分別為3和6 GHz的帶通濾波器后，送入到兩個振幅(Amplitude，AM)解調(diào)器中，恢復(fù)出下行數(shù)據(jù)信號m1和m2。

圖3 ONU接收單元框圖

圖4所示為ONU接收模塊中1個發(fā)送單元的結(jié)構(gòu)示意圖，從反射濾波器透射出的光信號是頻率為193.11 GHz的光邊帶信號，用它作為上行傳輸?shù)墓廨d波。上行數(shù)據(jù)經(jīng)一個AM調(diào)制器調(diào)制到193.11 GHz光載波上經(jīng)Mux1復(fù)用后由光纖回傳到OLT。

圖4 ONU發(fā)送單元框圖

圖5所示為OLT接收模塊中1個接收單元的結(jié)構(gòu)示意圖，從ONU回傳到OLT的光信號經(jīng)Demux1解復(fù)用，解調(diào)出的193.11 THz光信號先通過1個貝塞爾光帶通濾波器濾波后，送入到光檢測器中實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，再通過1個低通濾波器恢復(fù)出上行信號。

圖5 OLT接收單元框圖

2 仿真實驗

本文根據(jù)圖1，采用Optisystem仿真軟件，搭建了一個基于反射濾波器實現(xiàn)載波重用的SCM/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)。

2.1 仿真光譜圖

經(jīng)仿真實驗，得到圖1、3和5中標(biāo)注的SCM/WDM-PON系統(tǒng)中A～F各節(jié)點的光譜圖如圖6所示。其中，圖6(a)對應(yīng)A點光譜圖，圖6(b)對應(yīng)B點光譜圖，以此類推。

圖6(a)所示為下行鏈路中193.1 THz波長信道調(diào)制數(shù)據(jù)后的光譜圖。由圖可知，除載波193.100 GHz成分外，又調(diào)制了數(shù)據(jù)的193.103和193.106 GHz邊帶成分，還有沒調(diào)數(shù)據(jù)的193.110 GHz邊帶成分。圖6(b)所示為8個波長信道復(fù)合后形成的下行信號光譜圖，波長間隔為200 GHz。圖6(c)和6(d)分別為ONU模塊中接收單元-1中經(jīng)過反射濾波器反射的光信號和透射的光信號。由圖6(c)可知，反射光譜中有效地抑制了193.110 THz的光邊帶。圖6(d)中193.110 THz光邊帶具有較強的光功率。圖6(e)所示為ONU發(fā)送模塊中8個發(fā)送單元發(fā)出的8個波長經(jīng)Mux1復(fù)合形成的復(fù)合光信號光譜圖。圖6(f)所示為OLT接收模塊中接收單元-1的輸入光信號經(jīng)濾波器濾波后的光譜圖，其中193.110 THz上攜帶了上行傳輸數(shù)據(jù)信號。

圖6 SCM/WDM-PON 系統(tǒng)中各節(jié)點處的光譜圖

2.2 仿真眼圖

圖7所示為ONU接收模塊的接收單元-1中，從調(diào)制在3和6 GHz副載波上解調(diào)出來的下行數(shù)據(jù)信號的眼圖，品質(zhì)因子Q分別為9.8和6.4。圖8所示為OLT接收模塊的接收單元-1中，從193.11 THz光載波上解調(diào)出的上行數(shù)據(jù)信號的眼圖，Q值大約為7.8。

圖7 不同副載波上解調(diào)出的下行數(shù)據(jù)信號眼圖

圖8 193.11 THz上解調(diào)出的上行數(shù)據(jù)信號眼圖

3 系統(tǒng)性能分析

衡量系統(tǒng)性能指標(biāo)最重要的參數(shù)是傳輸數(shù)據(jù)的眼圖、誤碼率及Q值，在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，影響這些參數(shù)的主要因素有反射濾波器的反射系數(shù)、發(fā)射光載波的功率和傳輸光纖長度。下面逐一對它們進行分析研究。

3.1 反射濾波器的反射系數(shù)對上下行信號Q值的影響

反射濾波器一般采用衍射光纖光柵構(gòu)成，這種光纖光柵一般是通過一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制來制備的。光纖光柵的作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶透射或反射的濾波器，當(dāng)光信號通過光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。

本文所設(shè)計系統(tǒng)采用反射濾波器來實現(xiàn)ONU中載波重用。設(shè)置反射濾波器的反射波長為OLT中對應(yīng)發(fā)送單元的發(fā)射波長。影響反射濾波器性能最重要的指標(biāo)是其反射系數(shù)。以O(shè)NU接收模塊中接收單元-1中的反射濾波器為例，設(shè)濾波器的反射中心波長為193.1 THz，對反射系數(shù)在80%～100%范圍內(nèi)進行掃參，仿真結(jié)果如圖9所示。圖中Q1和Q2分別為從ONU接收單元-1中3和6 GHz副載波上解調(diào)出來的下行數(shù)據(jù)信號的Q值，Q3為OLT接收單元-1中，從193.11 THz處光載波上解調(diào)出的上行數(shù)據(jù)信號的Q值。由圖9可知，隨著反射系數(shù)的增加，上行數(shù)據(jù)信號的Q值逐漸減小，下行數(shù)據(jù)信號的Q值逐漸增大。這是由于反射系數(shù)越大，從濾波器反射的功率越大，透射的功率就越小，因此送入ONU接收單元解調(diào)部分的光功率就越大，解調(diào)出的下行數(shù)據(jù)信號的Q值就越大。由于ONU的發(fā)送單元是采用接收單元中反射濾波器透射光作為上行光載波，其功率隨反射濾波器反射系統(tǒng)的增大而減小，因此OLT接收單元從載波恢復(fù)出的上行數(shù)據(jù)信號的Q值就會減小。當(dāng)反射系數(shù)為97%時，系統(tǒng)上下行鏈路的Q值基本一致。

圖9 上下行傳輸數(shù)據(jù)信號的Q值與反射濾波器的反射系數(shù)關(guān)系圖

3.2 發(fā)射機的功率對系統(tǒng)傳輸性能的影響

OLT發(fā)送單元中，發(fā)射機的功率大小直接影響上、下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。在低功率情況下，一般系統(tǒng)性能會隨著發(fā)射功率的增加而增加；在高功率情況下，光纖的非線性效應(yīng)會隨著功率的增加而增加，系統(tǒng)的性能會隨輸入功率的增加而降低。因此，為了實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)，必須合理地選擇發(fā)射機功率。以O(shè)LT的發(fā)送單元-1為例，根據(jù)前面掃參分析的結(jié)果，設(shè)置反射系數(shù)為97%，其他參數(shù)保持不變，對發(fā)射機功率進行-4 ～8 dBm掃參，仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可知，隨著發(fā)射機功率的逐漸增加，上下行信號的Q值逐漸增大，系統(tǒng)性能進一步優(yōu)化，且只有當(dāng)發(fā)射機功率>0.5 dBm時，上下行眼圖的Q值才都>6。但當(dāng)功率增加到5 dBm時，系統(tǒng)Q值開始下降，這是因為當(dāng)載波功率過大時，系統(tǒng)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能開始下降。經(jīng)仿真可知，當(dāng)發(fā)射機功率大約為5 dBm時，系統(tǒng)性能較好。

圖10 上下行傳輸數(shù)據(jù)信號的Q值與發(fā)射機發(fā)射功率的關(guān)系圖

3.3 傳輸距離對系統(tǒng)傳輸性能的影響

根據(jù)前面掃參分析的結(jié)果，設(shè)置發(fā)射機的功率為5 dBm時，反射系數(shù)為97%，其他參數(shù)保持不變，對光纖的長度從21～30 km進行掃參，仿真結(jié)果如圖11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27.2 km處，上行信號的Q值降低到了6，圖中標(biāo)注的眼圖為上行信號在傳輸距離為27.2 km時的眼圖，對應(yīng)的Q值為6。這說明所設(shè)計的系統(tǒng)適宜傳輸距離<27.2 km的傳輸系統(tǒng)。

圖11 上下行傳輸數(shù)據(jù)信號的Q值與傳輸距離的關(guān)系圖

4 結(jié)束語

本文提出了基于反射濾波器實現(xiàn)載波重用的SCM/WDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理，采用Optisystem仿真光子模擬軟件搭建了仿真實驗系統(tǒng)。仿真實驗中，SCM采用3和6 GHz的RF載波作為副載波，WDM采用193.1～194.5 THz、間隔為200 GHz的8個光波作為光載波，用戶傳輸速率為1 Gbit/s。仿真實驗獲得的調(diào)制在兩個副載波上的下行傳輸數(shù)據(jù)的Q值分別為9.8和6.4，上行傳輸數(shù)據(jù)的Q值為7.8，驗證了系統(tǒng)的可行性。

本文研究了反射濾波器的反射系數(shù)、載波功率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)雙向反射濾波器的反射系數(shù)為97%、載波功率為5 dBm且傳輸距離<27.2 km時，系統(tǒng)性能較好的結(jié)論。

本文所設(shè)計的基于反射濾波器實現(xiàn)載波重用的SCM/WDM-PON系統(tǒng)具有傳輸容量大、性能優(yōu)良、成本低廉和可升級性強等優(yōu)點，在PON中具有重要的應(yīng)用前景。