【光电通信】WDM-PON有哪些关键技术和器件？

来源:今日光电发布时间:2022-12-232144浏览

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为了在接入网部分提供更高的带宽，全球运营商都开始逐步实施“光进铜退”计划，部署以EPON、GPON为代表的无源光网络。从技术而言，EPON、GPON都工作在时分复用方式下，可统称为TDM-PON。

TDM-PON在单一波长上为每用户分配时间片的机制，既限制了每用户的可用带宽，又大大浪费了光纤自身的可用带宽。将波分复用技术引入到PON系统中，即WDM-PON，将可以极大地增加用户接入带宽，满足用户的终极需求，因此WDM-PON也被认为是下一代接入网的解决方案。

发射机光源

1. ONU光源
WDM-PON系统中的各种ONU光源技术都属于单波长光源的范畴。FP-LD和RSOA是当前WDM-PON系统主要使用的无色ONU的实现技术。
其中FP-LD已广泛应用于现在的光通信系统中，在WDM-PON系统中使用的FP-LD虽然略有不同（如要求前表面反射率较低而后表面较高），但其成本仍然比较低廉，并且产量也相对较大。
而对SOA而言，本身在光网络和光模块中有多种应用，除了作为放大器使用外，利用其非线性效应还可实现调制、波长变换、再生以及高速（尤其是40Gb/s以上）光交换等各种功能。对其结构进行略微改动即可得到反射型器件RSOA，这在WDM-PON系统中尤为有用。

总的来说，SOA/RSOA器件虽然功能多样，工艺也较成熟，并且可针对不同的应用进行参数优化，但可视作仍然停留在实验室应用阶段，商用市场才处于起步阶段，当前也没有需要广泛应用SOA/RSOA器件的驱动力。世界上制造SOA/RSOA产品的供应商还不太多，规模比较大的包括英国的CIP、苏格兰的Kamelian等，韩国的ETRI也在自行研制用于WDM-PON系统的RSOA器件并提供给Corecess。
但目前用于WDM-PON的RSOA器件价格还比较昂贵，有待于生产的规模化以进一步降低成本。
2. OLT光源
而对OLT而言，由于要使用不同的波长与各个ONU进行通信，使用这种单波长光源的方案就很不方便。OLT光源也可以采用宽谱光源频谱分割的方式，但由于频谱分割会引入较大的损耗（约18dB），会造成功率预算紧张，因此目前主要采用多波长光源。
多波长光源是在一个集成的器件上，可以同时产生多个波长的光，它很适合用作WDM-PON系统中的OLT光源。目前多波长光源主要有以下几种。
多频激光器（MFL）：如图1所示，在多频激光器中，集成了一个1×N的阵列波导光栅和N个光放大器，阵列波导光栅的每个输入端集成一个光放大器。在光放大器和阵列波导光栅输出端之间形成一个光学腔，如果放大器提供足够的增益克服腔内的损耗，则有激光输出，输出波长由阵列波导光栅的滤波特性决定。通过直接调制各个放大器的偏置电流，就可以产生多波长的下行信号。

图1：多频激光器结构示意图

MFL的波长间隔由阵列波导光栅中的波导长度差决定，可以精确控制，各波长可以通过控制同一个温度统一调节，便于波长监控，是理想的OLT光源。在多频激光器中也可以进行直接调制，但由于激光腔比较长，调制速度也受到限制。16信道间隔为200GHz和20信道间隔为400GHz的MFL已经推出，直接调制速率为622Mbit/s。
增益耦合DFB激光器阵列：DFB激光器阵列是在同一衬底上制造多个性质相同的InGaAsP/InP多量子阱波导激光器，它是一种集成的多波长光源。DFB激光器阵列在一个激光器模块上将增益耦合机制和调谐能力结合起来，波长调谐是通过控制温度来实现的。器件上集成了薄膜电阻，控制其温度可以改变波长，这种方式可得到几近连续的调谐。这种器件的优点在于紧凑的尺寸和高速调制特性，但是它也存在一个主要问题，即难以精确控制阵列中每个激光器的波长，因为每个激光波长是由独立的滤波器决定的。
超连续激光光源：使用飞秒级激光器产生一个飞秒级脉冲，经过非线性介质传输后，由于自相位调制效应导致脉冲扩展和线性频率啁啾。在展宽的频谱上，波长随时间线性增加，因而不同的波长占用不同的时隙，下行数据通过TDM方式调制在各信道上。展宽的频谱可被放大和分路，以支持多个PON，为大量用户所共享。

波分复用器

在WDM-PON中，波分复用器通常称作波长路由器，它解复用下行信号，并分配给指定的ONU，同时把上行信号复用到一根光纤，传输到OLT。它的主要指标有插入损耗、串音、信道间距、偏振依赖性和温度敏感性等。

目前已有多种结构的器件，如薄膜干涉滤光片、声光滤波器、光纤光栅、AWG等。在通道数不多的情况下，薄膜干涉滤波器和光纤光栅是比较好多一种选择；而对于16路以上的WDM系统，复用/解复用器件大多选用AWG，这主要是因为AWG是损耗与通路数无关。最近几年发展的阵列波导光栅具有尺寸小、易于集成、通道间距窄、性能稳定等优点，促进了WDM-PON的发展。
虽然目前AWG在DWDM系统中已经被广泛使用，但应用于PON网络时，无法使用有源的温控装置，将会面临由于温度变化引起的波长漂移问题，因此热不敏感AWG对WDM-PON系统至关重要。
目前热不敏感的AWG技术上已比较成熟，但价格与普通AWG相比稍贵，如果能够量产并得到广泛应用，热不敏感的AWG的成本将与普通AWG的成本基本相当。

WDM接收机

WDM-PON系统中的接收机包括光电探测器和信号恢复的伴随电路（数字光接收机）。
常用的光电探测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管，根据所需的敏感度有不同的应用。数字光接收机通常由前置放大器、主放大器和时钟数据恢复电路（CDR）组成。
WDM-PON中接收机由解复用器和接收机阵列组成。在WDM接收机中，需考虑解复用器处的线性串音，线性串音会引起功率损耗迅速增加。控制串音的方法有对来自各ONU的功率均衡，对接收信号进行双重滤波等。

波长监控

由于WDM-PON中采用多个波长，而且由于AWG一般放在露天，并且没有温度控制，因此温度对于AWG通带变化的影响非常重要。一般说来，AWG的温差范围为-40~85℃，通带偏移率为0.011nm/℃。因此，在这样的温差下，波长将有1.4nm的偏移。这样的偏移将与DWDM的波长间隔在同一数量级上（100~200GHz），将严重影响WDM-PON的工作。因此，需要在OLT中进行波长的检测和调谐工作。
波长监控采用差分算法，比较一个信道的发送功率与通过波长路由器的功率，得到差值信号，如果小于上一时刻的差值信号，温度按当前方向改变ΔT，反之说明信道失配增加，温度以反方向改变ΔT。该方法要适当选取温度调节的速率和步距ΔT。
波长监控可采用监测下行信道功率和监测上行信道功率实现。对于只在下行采用 WDM的复合PON，只能监测下行信道功率，这种方法需要附加环回光纤，或一个监控信道和光纤光栅。对于上行采用频谱分割WDM-PON，可以通过在OLT比较解复用前后的上行信号功率，进行波长监控只需增加耦合器，不需要附加的信道。