WDM PON關鍵技術及應用

隨著人們對通信需求的增長，光纖接入(FTTx)得到了快速發(fā)展。以無源光網絡(PON：Passive Optical Network)技術為主的光纖接入技術已經以多種形態(tài)在全球得到了廣泛應用。全球FTTx用戶數(shù)2009年底已超過6000萬，比2008年增長35%。其中，亞洲約占81%，北美約占11%，歐洲約占8%。2009年中國已成為FTTx用戶數(shù)最大的國家，其次是日本和韓國。由于各國經濟狀況的不同，F(xiàn)TTx在日本覆蓋率已很高，將逐漸進入飽和期，其他國家還仍然處在發(fā)展期。

當前，在我國全業(yè)務運營和網絡融合的背景下，高帶寬應用如視頻會議、實時游戲、IPTV等正不斷涌現(xiàn)，尤其是HDTV、網真等視頻業(yè)務，對網絡接入帶寬提出了更高的要求，也推動著新的FTTx技術層出不窮。此外，“三網融合”的逐步推進、物聯(lián)網的逐漸普及、云計算、移動互聯(lián)網的發(fā)展以及固定和移動融合(FMC)等也將有力推動高帶寬業(yè)務的應用和相應網絡的快速發(fā)展。因此，未來光纖接入技術將向更高速率、更多傳輸波長、更廣覆蓋范圍(包括長距離、大分路比)的方向發(fā)展。

為了適應未來光接入網絡的發(fā)展需求，我國“十一五”863計劃及時啟動了“低成本的多波長以太網綜合接入系統(tǒng)(λ-EMD)”重大課題的研究;歐盟FP7計劃也將WDM PON的研究列為重點攻關的項目?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/WDM">WDM PON和WDM-TDM PON技術的λ-EMD系統(tǒng)具有光纖資源利用充分、對速率和業(yè)務完全透明、安全性高、易管理維護、傳輸距離長、擴展性好等特點，能夠極大的節(jié)約主干光纖和其他光分配網絡建設及維護費用，擴大用戶覆蓋范圍和增加用戶接入數(shù)量，為運營商構建具有更大接入容量、更高傳輸速率、面向全業(yè)務運營的全新光接入網提供了理想的解決方案。

一、WDM PON基本原理及主要特點

1. WDM PON基本原理

WDM PON是一種采用波分復用技術的、點對點的無源光網絡。即在同一根光纖中，雙向采用的波長數(shù)目大于3個以上，利用波分復用技術實現(xiàn)上行接入，能夠以較低的成本提供較大的工作帶寬，是光纖接入未來重要的發(fā)展方向。典型的WDM PON系統(tǒng)由三部分組成：光線路終端(OLT：Optical Line Termination)、光波長分配網絡(OWDN：Optical Wavelength Distribution Network)和光網絡單元(ONU：Opitcal Network Unit)，見圖1。OLT是局端設備，包括光波分復用器/ 解復用器(OM/OD)。一般具有控制、交換、管理等功能。局端的OM/OD在物理上與OLT設備可以是分立的。OWDN是指在位于OLT與ONU之間，實現(xiàn)從OLT到ONU或者從ONU到OLT的按波長分配的光網絡。物理鏈路上包括饋線光纖和無源遠端節(jié)點(PRN：Passive Remote Node)。PRN主要包括熱不敏感的陣列波導光柵(AAWG：Athermal Arrayed Waveguide Grating)，AAWG是波長敏感無源光器件，完成光波長復用、解復用功能。 ONU放置在用戶終端，是用戶側的光終端設備。

下行方向，多個不同的波長ld1……ldn在局端OM/OD合波后傳送到OWDN，按照不同波長分配到各個ONU中。上行方向，不同用戶 ONU發(fā)射不同的光波長lu1……lun到OWDN中，在OWDN的PRN處合波，然后傳送到OLT。完成光信號的上下行傳送。其中，下行波長ldn和上行波長lun可工作在相同波段，也可工作在不同波段。

圖1、典型的WDM-PON框圖[center]

2.WDM PON的主要特點

采用波分復用技術的PON技術主要特點有：

1)更長的傳輸距離。由于WDM PON中AAWG的插入損耗比傳統(tǒng)的TDM PON系統(tǒng)中光功率分路器的插入損耗要小，因此在OLT或 ONU激光器輸出功率相等的情況下，WDM PON傳輸距離更遠，網絡覆蓋范圍更大。

2)更高的傳輸效率。在WDM PON中上行傳輸時，每個ONU均使用獨立的、不同的波長通道，不需要專門的MAC協(xié)議，故系統(tǒng)的復雜度有很大的降低，傳輸效率也得到了大幅提高。

3)更高的帶寬。WDM PON是典型的點對點的網絡架構，每個用戶獨享一個波長通道的帶寬，不需要帶寬的動態(tài)分配，其能夠在相對低的速率下為每個用戶提供更高的帶寬。

4)更具安全性。每個ONU獨享各自的波長通道帶寬，所有ONU在物理層面上是隔離的，不會相互產生影響，因此更具安全性。

5)對業(yè)務、速率完全透明。由于電信號在物理層光路不做任何處理，無需任何封裝協(xié)議。

6)成本更低。由于WDM PON中光源無色技術的應用，使得ONU所用光模塊完全相同，解決了器件的存儲問題的同時，也降低了OPEX和CAPEX。且單纖32波~40波，可擴展至80波，節(jié)約主干光纖和OSP費用。

7)更易維護。避免OTDR由于高插入損耗對光纖線路等測量限制。另外，無色光源技術的應用，使得維護更方便。

二、WDM PON關鍵技術

WDM PON技術的規(guī)模商用首先需要解決光模塊的互換性，尤其是ONU側光模塊。固定波長光源的方案難以應用于商用的WDM PON中，因此“無色”光源技術是WDM PON系統(tǒng)攻關的關鍵技術。

目前，無色ONU方案包括但不限于此三種：可調激光器、注入鎖定FP-LD和波長重用RSOA方式，其技術特點分析如下。

可調激光器作為無色ONU的方案，即可調激光器工作在特定波長，可通過輔助手段對波長進行調諧，使用激光器發(fā)射不同的波長。采用此種方案的系統(tǒng)不需要種子光源，且可調激光器的調諧范圍較寬，可達50nm。采用直接調制可以實現(xiàn)2.5Gb/s以上的傳輸速率，若采用外調制技術可實現(xiàn)10Gb/s的傳輸速率，且傳輸距離大于 20km，整個網絡擴展性好。但不足之處在于，系統(tǒng)需要網絡協(xié)議控制，需要對ONU波長控制，增加了ONU設計的復雜度，且目前成本較高。

注入鎖定FP-LD方式作為無色ONU的方案，即FP-LD在自由運行時為多縱模輸出，當有適當?shù)耐獠糠N子光注入時，被激發(fā)鎖模輸出與種子光波長相一致的光信號，F(xiàn)P-LD鎖定輸出的工作波長與種子光源和波分復用/解復用的通道波長相對應。采用此方案的系統(tǒng)無需制冷控制，網絡架構簡單。不足之處在于受限于傳輸速率和傳輸距離，且成本較高。由于鎖模器件FP-LD調制速率低，理論帶寬為0.2Ghz-4Ghz，且器件模間噪聲大，不宜于高速率的傳輸系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)中需要兩個種子光源，若用在混合PON中，上行信號對種子光源的要求更高，高功率的種子光源存在安全問題。由于種子光源的問題，使得傳輸距離受限于20km，且系統(tǒng)不宜于擴展。