基于EML的UDWDM无源光网络系统及光传输方法

摘要

本发明公开了一种超密集波分复用无源光网络系统，属于光纤通信技术领域。所述系统包括：光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU；所述光网络单元ONU实现‘λ‑to‑the‑user’方案。本发明利用零差相干平衡探测技术，提升了光接收机的灵敏度，大幅度提升了光网络的输出信噪比，优化了光网络的灵活性与传输性能；ONU内利用低功耗、大带宽的EML作为发射机，不仅降低光通信网络中用户端的成本，而且非常适用于高要求的光接入网传输；本发明的超密集波分复用无源光网络系统，设计简单，稳定性好，成本低且易于大规模实施，为未来用户端提供了一种高速率可大规模部署的集成化方案。

权利要求

1.一种基于电吸收调制激光器EML的超密集波分复用UDWDM无源光网络系统，所述系统包括：光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU，所述光线路终端OLT、所述光分配网络ODN和所述光网络单元ONU依次连接，其特征在于，所述光网络单元ONU实现‘λ‑to‑the‑user’方案，所述‘λ‑to‑the‑user’方案为：每个光网络单元ONU对应一个用户，每个用户使用单独一个波长，相邻用户间信道间隔仅为25GHz；

所述光网络单元ONU和所述光线路终端OLT的接收机采用零差平衡接收机；

所述零差平衡接收机包括：本振光发射机，光纤耦合器，光电探测器，跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪；所述本振光发射机，光纤耦合器，光电探测器，跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪依次连接；

所述本振光发射机用于产生与信号光束同频的本振光束，与所述信号光束在所述光纤耦合器上发生干涉，产生干涉光束，所述干涉光束被所述光电探测器和所述跨阻抗放大器检测和放大后，在所述电减法器输出端减去噪声和直流信号，放大差分信号，输出最大光电流，最后通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光线路终端OLT的发射机部分包括：马赫增德尔调制器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述零差平衡接收机包括2个光电探测器和2个跨阻抗放大器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤耦合器为2*2光纤耦合器，所述信号光束与所述本振光束在所述2*2光纤耦合器以50:50的分光比发生干涉。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光分配网络ODN包括：20公里标准单模光纤、分波器；所述20公里标准单模光纤、分波器连接，通道之间的间隔为25GHz。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光线路终端OLT和所述光网络单元ONU的信号源为：伪随机二进制序列被不归零发生器转换成的电信号。

7.一种基于电吸收调制激光器EML的全双工光传输方法，其特征在于，上行传输时，利用电吸收调制激光器EML作为发射机，上行传输的过程包括：上行发射信号加载到所述电吸收调制激光器EML上调制，并输出光信号；

输出的光信号通过光纤传输后进入接收器，在接收器内，信号光束在2×2光纤耦合器上以50:50的分光比与同频本振光束发生干涉，并输出干涉光束；

利用两个光电探测器和跨阻抗放大器对干涉光束进行检测和放大后，利用电减法器减去噪声和直流信号，放大差分信号，从而输出最大光电流；

通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，下行传输时，利用马赫曾德尔调制器作为发射机，下行传输的过程包括：下行发射信号加载到所述马赫曾德尔调制器上调制，并输出光信号；

输出的光信号通过光纤传输后进入接收器，在接收器内，信号光束在2×2光纤耦合器上以50:50的分光比与同频本振光束发生干涉，并输出干涉光束；

利用两个光电探测器和跨阻抗放大器对干涉光束进行检测和放大后，利用电减法器减去噪声和直流信号，放大差分信号，从而输出最大光电流；

通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

9.一种光纤通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于，所述光纤通信系统利用权利要求1‑6任一所述的一种基于电吸收调制激光器EML的超密集波分复用UDWDM无源光网络系统实现全双工光传输。

说明书

基于EML的UDWDM无源光网络系统及光传输方法

技术领域

[0001] 本发明涉及基于EML的UDWDM无源光网络系统及光传输方法，属于光纤通信技术领域。

背景技术

[0002] 随着人们对于数据的需求越来越大，大容量的超密集波分复用(UDWDM)无源光网络(PON)正在快速发展。

[0003] UDWDM‑PON是一种“点对点”多信道传输系统，因每个用户独享一对波长，故系统在时域上没有限制，可以在大规模增加用户数量的同时，实现单用户的高速信息传输。一般由一个光网络终端OLT，一个光分配网络ODN和多个相邻信道间隔小于等于25GHz的光网络单元ONU组成。OLT可代表运营商，ONU可代表住宅等用户端，从OLT输出的下行信号能通过UDWDM‑PON输入到不同ONU上，从ONU输出的上行信号也能通过UDWDM‑PON传输到OLT上，这种信号传输网络系统能有效的为当今电信网络的终端用户提供高速的宽带服务。

[0004] 在带宽资源急剧匮乏的今天，在目前的密集波分复用技术(DWDM‑PON)在传输网已经实现400Gb/s以上，但接入网依然徘徊在500Mb/s到1Gb/s，这远远达不到未来对光接入网的需求。这其中最重要的因素在于传统的波分复用技术(WDM‑PON)以及密集波分复用技术(DWDM‑PON)在光分发单元(ODN)采用了昂贵的光滤波器件(例如复用器MUX和解复用器DEMUX)，而UDWDM‑PON由于引入相干检测技术，在ODN使用低成本光分波器(OPS)提供多个波长给每个ONU，在ONU端使用相干检测技术接收对应的波长，从而实现电子滤波而避免使用昂贵且不稳定的光滤波技术，特别是在0.2nm间隔以下。

[0005] 综上所述，UDWDM‑PON为未来‘绿色光网络’的实现提供了一种可能性，为了促进UDWDM‑PON的商业部署，人们必须极大的降低ONU的成本，关键在于其是否可集成化。市面上目前的接收机一般是采用直接探测技术，遵循的是平方速率检测原理，只能检测信号强度信息，并且容易受到色散损伤的限制。这种技术的接收灵敏度低，光纤容量小，传输距离短，在超密集波分复用下无法实现滤波的作用，而目前的相干检测由于采用雪崩光电二极管作为接收机的一部分，由于体积大，又难以集成。因而设计一种可集成化的光网络单元迫在眉睫。

发明内容

[0006] 为了解决目前的超密集波分复用无源光网络成本高、接收灵敏度低、输出信噪比低的问题，本发明提供了一种基于EML的UDWDM无源光网络系统及光传输方法。

[0007] 本发明的第一个目的在于提供一种基于电吸收调制激光器EML的超密集波分复用UDWDM无源光网络系统，所述系统包括：

[0008] 光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU，所述光线路终端OLT、所述光分配网络ODN和所述光网络单元ONU依次连接，其特征在于，

[0009] 所述光网络单元ONU实现‘λ‑to‑the‑user’方案,即每个ONU对应一个用户，每个用户使用单独一个波长，相邻用户间信道间隔仅为25GHz。

[0010] 所述光网络单元ONU和所述光线路终端OLT的接收机采用零差平衡接收机；

[0011] 所述零差平衡接收机包括：本振光发射机，光纤耦合器，光电探测器，跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪；所述本振光发射机，光纤耦合器，光电探测器，跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪依次连接；

[0012] 所述本振光发射机用于产生与信号光束同频的本振光束，与所述信号光束在所述光纤耦合器上发生干涉，产生干涉光束，所述干涉光束被所述光电探测器和所述跨阻抗放大器检测和放大后，在所述电减法器输出端减去噪声和直流信号，放大差分信号，输出最大光电流，最后通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

[0013] 可选的，所述光线路终端OLT的发射机部分包括：马赫增德尔调制器。

[0014] 可选的，所述零差平衡接收机包括2个光电探测器和2个跨阻抗放大器。

[0015] 可选的，所述光纤耦合器为2*2光纤耦合器，所述信号光束与所述本振光束在所述2*2光纤耦合器以50:50的分光比发生干涉。

[0016] 可选的，所述光分配网络ODN包括：20公里标准单模光纤、分波器；所述20公里标准单模光纤、分波器连接，通道之间的间隔为25GHz。

[0017] 可选的，所述光线路终端OLT和所述光网络单元ONU的信号源为：伪随机二进制序列被不归零发生器转换成的电信号。

[0018] 本发明的第二个目的在于提供一种基于电吸收调制激光器EML的全双工光传输方法，上行传输时，利用电吸收调制激光器EML作为发射机，上行传输的过程包括：

[0019] 上行发射信号加载到所述电吸收调制激光器EML上调制，并输出光信号；

[0020] 输出的光信号通过光纤传输后进入接收器，在接收器内，信号光束在2×2光纤耦合器上以50:50的分光比与同频本振光束发生干涉，并输出干涉光束；

[0021] 利用两个光电探测器和跨阻抗放大器对干涉光束进行检测和放大后，利用电减法器减去噪声和直流信号，放大差分信号，从而输出最大光电流；

[0022] 通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

[0023] 可选的，下行传输时，利用马赫曾德尔调制器作为发射机，下行传输的过程包括：

[0024] 下行发射信号加载到所述马赫曾德尔调制器上调制，并输出光信号；

[0025] 输出的光信号通过光纤传输后进入接收器，在接收器内，信号光束在2×2光纤耦合器上以50:50的分光比与同频本振光束发生干涉，并输出干涉光束；

[0026] 利用两个光电探测器和跨阻抗放大器对干涉光束进行检测和放大后，利用电减法器减去噪声和直流信号，放大差分信号，从而输出最大光电流；

[0027] 通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

[0028] 本发明的第三个目的在于提供一种光纤通信系统，包括发射端和接收端，所述光纤通信系统利用上述的一种基于电吸收调制激光器EML的超密集波分复用UDWDM无源光网络系统实现全双工光传输。

[0029] 本发明有益效果是：

[0030] 本发明采用‘λ‑to‑the‑user’方案，即每个用户占用一个独有的波长λ，避免相邻用户间由于波长共享造成的信号拥堵与串扰。在波段有限的情况下为实现波长的合理分配，必然需要实施信道间隔小于50GHz的超密集波分复用技术，由于目前的光接入网使用光滤波来分配不同的用户波长，目前光滤波从技术上难以做到信道间隔小于50GHz，且滤波成本过于高昂。为了解决这个问题，本发明利用成本低廉的功分器与相干检测方案来实现超密集波分复用技术面临的信道间隔问题，使用相干检测来精准匹配分配到用户的具体波长。此外，光线路终端和光网络单元的接收机采用了零差平衡接收机，利用零差相干平衡探测技术，还提升了光接收机的灵敏度，扩展了链路容量，大幅度提升了光网络的输出信噪比，优化光网络的灵活性与传输性能；

[0031] 光网络单元ONU内选择了低功耗，大带宽的EML作为发射机，且所采用的调制器、光电探测均为可集成化的III‑V族半导体器件PIN和电子放大器TIA，体积小，成本低，集成度高，不仅简化ONU内使用的集成元件，降低光通信网络中用户端的成本，而且非常适用于高要求的光接入网传输；

[0032] 本发明设计的基于EML的超密集波分复用无源光网络系统，设计简单，稳定性好，成本低且易于大规模实施，为未来用户端提供了一种高速率可大规模部署的集成化方案。

附图说明

[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0034] 图1是本发明基于电吸收调制激光器(EML)的25Ghz超密集波分复用(UDWDM)无源光网络系统的设计框架图；

[0035] 其中1是不归零信号转换器，2是伪随机二进制序列，3是EML，4是循环器，5是分波器，6是标准单模光纤，7是可调节衰减器，8是耦合器，9是马赫曾德尔调制器，10是光电探测器，11是跨阻抗放大器，12是电减法器，13是误码率分析仪，14是均衡滤波器，15是本振光发射机。

[0036] 图2是20公里和背对背(BtB)传输在10‑Gb/s下的下行单用户单向传输的误码率曲线图。

[0037] 图3是20公里和背对背(BtB)传输在10‑Gb/s下的上行单用户单向传输的误码率曲线图。

[0038] 图4是20公里和背对背(BtB)传输在10‑Gb/s下的下行单用户双向传输的误码率曲线图。

[0039] 图5是20公里和背对背(BtB)传输在10‑Gb/s下的上行单用户双向传输的误码率曲线图。

[0040] 图6是20公里和背对背(BtB)传输在10‑Gb/s下的下行多用户双向传输的误码率曲线图。

[0041] 图7是20公里和背对背(BtB)传输在10‑Gb/s下的上行多用户双向传输的误码率曲线图。

具体实施方式

[0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0043] 实施例一：

[0044] 本实施例提供一种超密集波分复用无源光网络系统，所述系统包括：光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU，所述光线路终端OLT、所述光分配网络ODN和所述光网络单元ONU依次连接；

[0045] 光网络单元ONU采用‘λ‑to‑the‑user’方案，所述‘λ‑to‑the‑user’方案为：每个光网络单元ONU对应一个用户，每个用户使用单独一个波长，相邻用户间信道间隔仅为25GHz。

[0046] 实施例二

[0047] 本实施例提供一种超密集波分复用无源光网络系统，如图1所示，所述系统包括：光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU，所述光线路终端OLT、所述光分配网络ODN和所述光网络单元ONU依次连接。

[0048] 光网络单元ONU采用‘λ‑to‑the‑user’方案，所述‘λ‑to‑the‑user’方案为：每个光网络单元ONU对应一个用户，每个用户使用单独一个波长，相邻用户间信道间隔仅为25GHz。

[0049] 光网络单元ONU的发射机部分包括：伪随机二进制序列、不归零信号转换器、电吸收调制激光器EML；接收机部分采用零差平衡接收机，包括本振光发射机，2*2光纤耦合器，2个光电探测器，2个跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪；本振光发射机，光纤耦合器，光电探测器，跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪依次连接；

[0050] 光线路终端OLT的发射机部分包括：伪随机二进制序列、不归零信号转换器、马赫增德尔调制器；接收机部分采用零差平衡接收机，包括本振光发射机，2*2光纤耦合器，2个光电探测器，2个跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪；本振光发射机，光纤耦合器，光电探测器，跨阻抗放大器，电减法器，均衡滤波器和误码率分析仪依次连接。

[0051] 光分配网络包括：ODN包括：20公里标准单模光纤、分波器；分波器将网络划分为多个通道，每个通道之间的间隔为25GHz。

[0052] 本振光发射机用于产生与信号光束同频的本振光束，与信号光束在2*2光纤耦合器上以50:50的分光比发生干涉，产生干涉光束，干涉光束被两个光电探测器和两个跨阻抗放大器检测和放大后，在电减法器输出端减去噪声和直流信号，放大差分信号，输出最大光电流，最后通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

[0053] 本实施例的光线路终端和光网络单元的接收机均采用了零差平衡接收机，利用零差相干平衡探测技术，提升了光接收机的灵敏度，扩展了链路容量，使用两个检测器更加提高了接收灵敏度，能大幅度提高光网络的输出信噪比，极大地优化了光网络的灵活性与传输性能。

[0054] 实施例三

[0055] 本实施例提供一种基于电吸收调制激光器EML的全双工光传输方法，该方法在上行传输时，利用电吸收调制激光器EML作为发射机，上行传输的过程包括：

[0056] 上行发射信号加载到所述电吸收调制激光器EML上调制，并输出光信号；

[0057] 输出的光信号通过光纤传输后进入接收器，在接收器内，信号光束在2×2光纤耦合器上以50:50的分光比与同频本振光束发生干涉，并输出干涉光束；

[0058] 利用两个光电探测器和跨阻抗放大器对干涉光束进行检测和放大后，利用电减法器减去噪声和直流信号，放大差分信号，从而输出最大光电流；

[0059] 通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

[0060] 下行传输时，利用马赫曾德尔调制器作为发射机，下行传输的过程包括：

[0061] 下行发射信号加载到所述马赫曾德尔调制器上调制，并输出光信号；

[0062] 输出的光信号通过光纤传输后进入接收器，在接收器内，信号光束在2×2光纤耦合器上以50:50的分光比与同频本振光束发生干涉，并输出干涉光束；

[0063] 利用两个光电探测器和跨阻抗放大器对干涉光束进行检测和放大后，利用电减法器减去噪声和直流信号，放大差分信号，从而输出最大光电流；

[0064] 通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。

[0065] 本实施例的方法利用零差相干平衡探测技术，提升了光接收机的灵敏度，扩展了链路容量，大幅度提升了光网络的输出信噪比，极大地优化了光网络的灵活性与传输性能；光网络单元ONU内选择了低功耗，大带宽的EML作为发射机，不仅简化ONU内使用的集成元件，降低光通信网络中用户端的成本，而且非常适用于高要求的光接入网传输。

[0066] 为了进一步验证本发明的系统和方法能够优化了光网络的灵活性与传输性能，进行了实验，如图1所示，在10Gb/s数据传输速率下，使用伪随机二进制序列测量以单片EML为上行发射机的20km零差平衡探测双向光传输性能的实验，数据信号以不归零脉冲格式编码。下行传输中，伪随机二进制序列经过不归零脉冲发生器转换为电信号，通过马赫曾德尔调制器加载到波长为1550.1nm的连续激光上进行幅度调制，经过20km标准单模光纤传输后，载有信息的光信号进入ONU进行零差平衡探测。信号光束和频率相同的本振光光束在一个2*2光纤耦合器上以50:50的分光比发生干涉，利用两个光电探测器和跨阻抗放大器检测与放大此干涉光束后，通过减法器将产生的光电流相减，减去噪声和直流信号，放大差分信号，输出最大光电流。最后通过均衡滤波器输出低噪声电信号，从误码率分析器中检测得到最终输出信号的误码率。该系统主要参数如下表所示：

[0067] 表1系统参数表

[0068]

[0069] 该仿真实验在单向或双向，单用户或多用户的上行或下行传输等不同条件下的误‑4码率曲线如图2，3，4，5，6，7所示。在BER＝2.4×10 的前向纠错水平下，不同情况的接收灵敏度如下表所示：

[0070] 表2不同情况下接收灵敏度表

[0071]

[0072]

[0073] 由于光纤的背散射和反射效应，随着单向传输向双向传输的转变，上行传输对BtB和20公里光纤的接收灵敏度分别提高了0.4dB和2dB。在双向上行传输中，BtB和20公里光纤之间的损失为1.8dB，比单向上行传输不同通信距离之间的损失大1.6dB。尽管与单用户相比，多用户的多通道传输会增加信号间串扰和交叉相位调制的负面影响，造成的灵敏度损失约为3dB左右，但整个全双工光通信系统的接收灵敏度始终小于‑31dBm，仍然属于优质传输质量，证明相邻ONU2对ONU1的影响不大，本发明的超密集波分复用无源光网络UDWDM‑PON系统适合推广应用。

[0074] 本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

[0075] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。