邱绍峰 范戈
上海交通大学
摘要 介绍了WDM无源光网络作为一种宽带接入技术的优势及基本工作原理，并对其关键技术，如多波长激光器、波长路由器、波长监控、频谱分割、媒质接入控制等，作了分析和探讨。
关键词 WDM 无源光网络 光纤接入网
1 引言
无源光网络（PON）提供光线路终端（OLT）和多个光网络单元（ONU）的连接，共享OLT到远端节点（RN）之间的光纤媒质，具有成本低、便于维护、对各种业务透明等优点，同时PON能够平滑地过渡到FTTH，因而具有美好的发展前景。PON可以分为功率分割型无源光网络（PSPON）和波分复用型无源光网络（WDMPON）。PSPON采用星型耦合器分路，上/下行传送采用TDMA/TDM方式实现共享信道带宽，加上功率分路，从而限制了ONU数量。WDM技术使用多个波长信道增加系统容量，具有支持大量ONU的能力。同时考虑到接入网作为国家信息基础结构的重要组成部分，WDM技术具有长远的生命力，并且质优价廉的WDM器件将不断出现，因此，把WDM技术引入接入网是一个发展趋势。
2WDM-PON的原理
在PON中引入WDM技术有两种方案，一种是为每个ONU分配一对波长，分别用于上行和下行传输，这样就提供了OLT到各ONU固定的虚拟点对点双向连接。另一种是根据需要为ONU动态分配波长，各ONU能够波长共享，网络具有可重构性。
OLT中使用多波长光源，下传给ONU1、ONU2……ONUn的数据以直接调制或外调制方式，加到波长为λ1、λ2、……λn的光载波上发送，通过波长路由把信号分配给目的ONU，完成下行传输。上行传输时，ONU间采用WDMA解决信道争用问题，每个ONU使用一个特定的波长，因而不需要定时和网络同步。上行信号通过波长路由器复用到一跟光纤上，传到OLT接收端，由WDM接收机接收。
另一种方案称为可重构WDM-PON，其下行传输与第一种方案相同，上行传输时，ONU先使用控制信道向OLT发送传输申请，OLT调度申请为ONU分配波长和时隙，并在下行帧中通知ONU，ONU收到分配信息后，调谐到分配到波长上，在给定的时隙发送数据。在这种方案中，ONU需要配置一个固定发射机（控制信道）和一个可调发射机（数据信道），其优点是上行波长动态分配，能够支持更多的ONU，提高了波长信道的利用率。
3WDM-PON的关键技术
3.1多波长光源
目前有多种方法构造多波长光源。一种方法是选择一组波长接近的、离散的、可调谐的DFB激光器，利用温度调谐产生多波长的下行信号。由于各个波长独立调节，需要监控每个波长，系统变的非常复杂。集成DFB激光器阵列输出光谱可以通过控制温度统一调谐，易于实现波长监控。但由于DFB激光器输出波长随波导有效折射率变化，精确控制输出光谱与波长路由器信道间隔相当匹配困难。
第二种方法是采用多频激光器（MFL）。MFL包含N个光放大器和一个1'N的阵列波导光栅，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。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。16信道间隔为200GHz和20信道间隔为400GHz的MFL已有报道，直接调制速率为622Mbit/s。
3.2波分复用器
在WDM-PON中，波分复用器通常称为波长路由器，它解复用下行信号，并分配给指定的OUN，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、阵列波导栅等。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。由于石英玻璃的折射率随温度变化而发生变化，阵列波导光栅的信道波长受温度影响。为解决这一问题，已报道了几种对温度不敏感的波导型复用器，其中采用温度补偿方法的复用器对0-85℃范围内的温度变化不敏感，具有良好的性能，有望得广泛应用。
3.3WDM接收机
WDM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。
3.4波长监控
由于WDM-PON中采用多个波长，而且由于波长路由器一般放在露天，并且没有温度控制，因此，温度对于波长路由器通带变化的影响非常重要。一般说来，波长路由器的温差范围为-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WDM的波长间隔同数量级（100GHz-200GHz），将严重影响WDM-PON的工作。因此，需要OLT中进行波长的检测与调谐工作。或者可以采用Set-and -forget的方法，让各复用波长之间的间隔足够大（400GHz-500GHz），这样可以不对波长进行调整而使温度变化导致的通带偏移在允许范围内而不对系统性能发生不良影响。但是占用的宽光谱不仅仅使资源浪费，而且会使光谱大于正常EDFA的放大范围。另一种方法是采用对温度不敏感的波长路由器，可以不需要或简化波长监控。
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，温度按当前的方向改变ΔT，反之说明信道失配增加，温度以反方向改变ΔT。该方向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，这种方法需要附加的环回光纤，或一个监控信道和光纤光栅。对于上行采用频谱分割的WDM-PON，可以通过在OLT比较解复用前后的上行信号功率，进行波长监失只需增加耦合器，不需要附加的信道。
3.5ONU光源
在ONU的设计中，虽然各个ONU要产生不同的上行波长，为了安装和维护方便，要求各个ONU一模一样。ONU中产生的上行激光要功率足够大，能容忍或调整由于温度变化（-40-85℃）造成的波长偏移。宽调谐单模DFB激光器或DFB激光器阵列可以满足要求，但目前还处于实验阶段，同时造价昂贵，距实用化还很遥远。光环回技术和频谱分割光源是两种可行方案。
光环回技术是利用一部分下行光信号作为载波，在ONU中调制中，再发送到OLT。光环回技术避免了使用ONU光源，但也存在一些缺点。它要求OLT光源输出功率很大，以支持下行和上行传输，而且因为有来回两程，接收到的上行信号动态范围是一般动态范围的2倍。同时帧结构需要分成下行和上行两部分，假设平均分配，则上、下行的线速率加倍，接收机的灵敏度降低，增加了功率代价。对于单纤双向传输，还需考虑瑞利散射的影响。解决的办法是采用高功率OLT光源或在ONU中使用集成半导体光放大器的调制器。上行和下行信号要通过双纤传输，以避免瑞利散射产生的干扰。
频谱分割是采用宽带光源，如LED，发射光通过复用器后，输出信号谱都是原来宽带信号的一部分，输出信号的波长取决于跟LED相连的复用器端口。这里的光复用器相当于中心频率互不相同的一组光滤波器。与宽调谐单频激光器相比，宽带光源简单，成本低，因此频谱分割技术在WDM-PON中具有吸引力。但是复用器和解复用器的频谱响应引起的频谱分割损耗很大（18dB），而且LED的入纤功率一般只有-10dBm，造成了功率预算问题，另我钳制的F-P激光器或集成放大器的LED等宽带光源技术逐渐成熟将有望提供定喧光源。频谱分割会引起较大的线性串扰，限制了系统的动态范围，需要适当的选择复用器和解复用器的通带谱宽以及信道间隔。
3.6媒质访问控制（MAC）协议
在接入网中，用户数多于波长数，因此需要一种接入机制提供波长共享。许多用于广播-选择星型网的WDM MAC协议已经提出，但这些协议已经提出，但这些协议都是针对传输时延小、固定分组长度的局域网，在传输时延相当大的接入网中执行效率不高。另外，接入网中除数据业务外，还有语音、视频等实时业务，需要对不同的业务采用不同的调度策略，以提供QoS保证。
ONU位于系统的用户侧，提供接入网和用户网的线路终端功能，OLT位于网络侧，负责上行数据帧的调度和波长信道分配，并提供与宽带公用网的接口。ONU通过控制信道λc向OLT发送传输请求，请求内容为该ONU的地址以及待发送帧的长度。OLT收到传输请求后，根据ONU的地址将待发送帧的长度写入相应的请求队列，通过分组调度算法决定ONU的发送次序，然后通过信道分配算法为ONU分配信道，并将发送信息通过下行信道广播给ONU，ONU根据发送信息在分配的信道和时隙上安排数据帧的发送，这样便从逻辑上解决了共享信道的问题。另外，OLT通过测距系统测量各ONU的位置并通知ONU，ONU引入时延补偿，实现各信道时隙同步。
4结论
与其它宽带接入相比，WDM-PON初期投资大。此外，WDM-PON所需的各种光电器件还不成熟，如多频激光器、宽调谐单频激光器及集成放大器的LED等还没有进入大规模商用化段。对于上行传输，光环回技术或频谱分割都存在技术问题需要解决。但从长远看，一方面由于WDM技术在骨干网及城域网中的应用，促进WDM器件成熟和价格下降；另一方面，用户需求宽带业务是必然的趋势，密集波分复用技术会成为宽带接入的选择方案。
摘自《光通信技术》
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