WDM-PON中基于RSOA的有线无线链路融合实现载波重用系统的研究

狄晗，陈新桥，刘晓蕊

（中国传媒大学信息与通信工程学院，北京 100024）

1 引言

无源光网络（PON）是光纤接入的主要实现手段[1]。PON 主要由光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）构成。提高PON 的传输容量和降低ONU 的成本是PON 工程应用的两个关键技术问题[2][3]。WDM-PON 的用户独享整个波长信道的带宽，提供更大的容量、更宽的覆盖范围，同时可以透明传输各种协议的业务，成为了提高PON传输容量的最成熟的解决方案[4][5]。

ONU 中作上行数据传输的光载波的成本是决定ONU 成本高低的关键[6][7]。在ONU 中上行光载波不采用有源的激光器来产生，而是利用对下行光载波的重用，这是降低ONU 成本的一种主要方法之一，该方法称为载波重用技术[8][9]。本文采用MZM 同时调制连续波激光光源与有线和无线数据，用于下行链路。利用RSOA 实现载波重用技术在上行链路上提供可靠的双向光通道[10]。采用波分复用技术进一步提高了系统的容量。成本低廉，性能良好，具有重要的应用前景。

2 系统的设计

图1 为RSOA 实现载波重用的WDM-PON 系统设计框图。PON 中OLT 与ONU 通过两个光环形器和双向传输光纤连接。系统的下行传输采用WDM复用技术。WDM 中采用4个光载波，分别从4个连续波(Continuous Wave, CW)激光器发射，频率从193.1 THz 到193.4THz，频率间隔为100GHz。4 个OLT 发送模块形成的下行光信号通过一个波分复用器（Multiplexers, Mux）复合成一路光信号，通过光纤传输到一个波分解复用器（Demultiplexers, Demux），经解复用后送入ONU接收模块中。

图1基于RSOA实现载波重用的WDM-PON系统设计框图

图2 为OLT 的发送模块中的一个发射单元结构示意图。在发射单元中，马赫曾德尔调制器(Mach Zendel modulator, MZM)的端口1 由载波频率为20GHz的调幅器驱动，调幅器驱动的是2.5Gb/s 基带信号，端口2 采用1Gb/s 基带信号。激光器发射的光载波首先经过偏振控制器后输入到MZM 进行调制，形成一路下行传输的光信号。

图2 OLT发射单元框图

图3 为ONU 接收模块中一个接收单元结构示意图。输入光信号经一个1×3 分束器分成三束光信号后，其中两路信号分别注入到两个光检测器中，实现光电转换，恢复出有线信号和无线信号。其中无线信号的恢复要额外通过一个20GHz 的振幅调制(Amplitude Modulation,AM)解调器。最后一路信号传输到ONU 发射单元，将光通道的剩余功率传输到RSOA，重新调制信号与上行数据。

图3 ONU接收单元框图

图4为ONU接收模块中的发射单元结构示意图，其输入光信号是从ONU 接收单元1 发出的，ONU 的上行数据经一个RSOA，送入到ONU单元的波分复用器后，经双向传输光纤回传到OLT。其中上行信号为1gb/s的基带信号。

图4 ONU发射单元框图

图5 为OLT 接收模块中一个接收单元结构示意图，以OLT 接收单元1 为例，从ONU 回传到OLT 的光信号，首先经过一个波分解复用器进行波长的解复用，送入到检测器中实现光电转换后，再通过一个低通滤波器，恢复出上行信号。

图5 OLT接收单元框图

3 仿真实验结果

根据图1，采用OptiSystem 仿真软件，搭建了一个基于RSOA 实现载波重用的WDM-PON 系统。仿真的各种参数采用前面设计中的参数。

图6 为OLT 发射单元1 中193.1THz 处经下行信号(有线和无线)调制后的单个信道的光谱图。图7为4 个波长信道复合后形成的下行信号的光谱图，波长间隔为100GHz。图8 为ONU 发射单元1 中经RSOA“擦除”后的信号光谱图。图9 为ONU 发送模块中4 个发射单元发出的4 个波长经波分复用器复合形成的复合光信号光谱图。

图6 193.1THz调制光谱图

图7 下行4波长信道光谱图

图8 经RSOA“擦除”后的信号光谱图

图9 上行4波长信道复合光谱图

图10 193.1Thz上解调出的下行有线信号眼图

图11 193.1Thz上解调出的下行无线信号眼图

图12 193.1Thz上解调出的上行信号眼图

4 系统性能分析

衡量系统性能指标的最重要的参数是传输数据的眼图、误码率及Q值，本文所设计的系统中影响这些参数的主要因素有RSOA的注入电流、MZM的消光比和发射机的功率。下面逐一对它们进行分析研究。

4.1 MZM消光比对上下行信号Q值的影响

调制器的消光比是影响系统传输性能的重要因素，消光比直接影响到RSOA 的“擦除”效果。全“0”输出时的平均光功率与全“1”时输出的平均光功率之比被称为消光比。系统的下行通过幅度调制光信号而得到，这样信号的振幅压缩情况受下行光信号的消光比影响比较明显，因此，在调制系统中擦除下行光信号的效果也会受消光比取值大小的影响，最终，整个系统的上行光信号传输情况都会受到影响。以ONU 接收模块中的接收单元1 中为例，对MZM 的消光比进行从17dB 到24dB 进行扫参，仿真结果如图13所示，从图中可以看到，随着调制器消光比的增加下行信号的Q 值逐渐增加，而上行信号的Q 值逐渐减少。由消光比的定义可知，当消光比越大时，数字信号“0”和数字信号“1”之间的光功率比就越大，差值就越大。对上行信号来说，RSOA 对差值较大的信号“擦除”是比较困难的，RSOA“擦除”的不干净，会直接干扰上行信号的调制，导致上行数据传输的通信质量降低，信号的Q 值就越低。而这种信号的差值对下行信号的接收是有利的，所以下行信号的Q 值逐渐增加。从仿真可以看出，当消光比大约为20dB 时，系统性能较好。

图13 上下行传输数据信号的Q值与MZM消光比的关系图

4.2 发射机的功率对系统传输性能的影响

OLT发射单元中，发射机的功率大小直接影响下行和上行数据传输的误码率。根据前面的扫参结果，设置当消光比为21dB时，以OLT的发射单元1为例，对发射机的功率从-5dBm到15dBm进行扫参，仿真结果如图14所示。从图中可以看到，随着发射机的功率的逐渐增加，下行有线信号和无线信号的Q值缓慢增加，上行信号的Q值变化不大。但是当发射机的功率进一步增加时，下行有线信号和无线信号的Q值缓慢下降，上行信号的Q值则快速下降。结果表明，在其他参数不变的情况下，随着OLT端发射机功率的增加，下行数据链路的传输性能先是缓慢增加随后缓慢下降，总体变化不大，而上行数据链路的传输性能先是适当增加然后快速下降。这是由于当发射机的功率增加时，ONU端接收到的信号功率也较大，此时，RSOA的注入光功率也在增加，由于增益饱和效应，使得RSOA的“擦除”效果较好。上行信号的调制受下行信号的干扰较小，上行链路的通信质量较高，Q值也相对较大。但是当OLT端发射机的功率进一步增加时，RSOA的注入光功率过大，由于RSOA已经增益饱和，经RSOA输出的“0”电平值和“1”电平值不能接近完全一致，此时RSOA对下行链路的“擦除”效果不理想，上行信号的调制受到下行信号的干扰较大，上行链路的通信质量迅速降低，使得上行信号的Q值变差。从图14中可以看出，当发射机的功率大约为6.2dBm时，系统的性能较好。

图14 上下行传输数据信号的Q值与发射机发射功率关系图

4.3 光纤长度对系统传输性能的影响

根据前面扫参分析的结果，设置消光比为20dB，发射机的功率为6.2dBm。以OLT的发射单元1为例，其他参数保持不变，对光纤的长度从26-34km进行扫参。仿真结果如图15所示，随着光纤长度的增加，上下行传输数据信号的Q 值都随传输距离的增大而减小，大约在32.8km处，上行信号的Q值降低到了5.9。从图中可以发现，在系统各项参数不变的情况下，增加光纤的长度会降低系统上下行传输信号的Q值，降低系统的传输性能。因为光纤长度越大，传输过程中引入的各种噪声也越大。从图中可以看出，当光纤长度达到32.8km时，由于上行信号的Q值已经降低到5.9，不能满足通信需求。而PON一般用于FTTH，由于FTTH的距离一般都是比较近的，所以在短距离传输中，采用RSOA不影响上行链路的通信质量，能够获得较高的Q值，满足双向通信系统的需求。这说明所设计的系统适宜传输距离小于32.8km以内的传输系统。

图15 传输距离对系统传输性能的影响

5 系统性能分析

提出了一种实现无线有线融合的WDM-PON结构，采用RSOA实现载波重用。分析了其工作原理，采用光子模拟软件搭建了仿真实验系统。最后对仿真结果以及影响系统的参数进行的分析，具体工作如下：

(1)提出了采用RSOA 实现WDM-PON 系统“无色”ONU 的实现方案，建立WDM-PON 载波重用的理论模型。

(2)仿真实现了下行链路中同时传递有线信号和无线信号，上行链路中利用RSOA 实现载波重用。仿真实验中，WDM 采用193.1-193.4THz 的间隔为100GHz 的4 个光波作为光载波。仿真实验获得下行传输链路中，有线信号的Q 值为14.1、无线信号的Q值为12.8，上行传输数据的Q 值为9.7，验证了该方案的可行性。

(3)研究了发射机的功率、MZM 消光比和传输距离对上下行数据传输质量的影响，得出当发射机的功率为6.2 dBm，MZM 消光比为20dB，且传输距离小于32.8km时，系统的性能较好的结论。