CN101426154B - 一种可用作wdm-pon光源的外腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种可用作WDM-PON光源的基于半导体增益介质的外腔激光器。由光线路终端(OLT)、远端节点(RN)、光网络单元(ONU)以及传输光纤组成，在OLT内设无源模块1，在RN内设无源模块2；无源模块1与OLT内的DWDM波分复用/解复用器3及OLT收发单元5构成外腔激光器，无源模块2与RN内的DWDM波分复用/解复用器4及ONU内的ONU发射单元6构成外腔激光器。本发明采用的光源利用一个由无源器件构成的模块，代替昂贵的有源器件来实现相同的功能，可以大大改善系统的可靠性，并且降低系统成本，结构简单，使用方便可靠。

Description

一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器

所属技术领域

本发明属于波分复用无源光网络(WDM-PON)技术领域，具体涉及到一种可用作WDM-PON光源的基于半导体增益介质的外腔激光器。

背景技术

目前，无源光网络(PON)是解决接入网“最后一公里”、实现FTTX的最具吸引力的技术。PON按信号分配方式可以分为功率分割型无源光网络(PS-PON)和波分复用型无源光网络(WDM-PON)。目前，APON、BPON、EPON、GPON均属于PS-PON。WDM-PON则是将波分复用技术运用在PON中，光波分复用器将光线路终端(OLT)发出的多波长信号集中到一个光纤中传输到远端节点(RN)，再利用远端节点(RN)的光波分复用器将信号根据波长不同分配到各路光网络单元(ONU)。WDM-PON结合了WDM技术和PON拓扑结构的优点，日益成为一种高性能的接入方式。WDM-PON采用波长作为用户端光网络单元ONU的标识，利用波分复用技术实现上行接入，能够提供较宽的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时，还可以避免时分多址技术中ONU的测距、快速比特同步等诸多技术难点，并且在网络管理以及系统升级性能方面具有明显优势。目前，WDM-PON系统面临的最大困难是器件成本过高，多数仍处于实验室的理论研究阶段。但在光接入网方面表现突出的韩国，最近开始测试并小规模试商用WDM-PON系统。随着技术的进步，波分复用光器件和有源器件的成本大幅度下降，WDM-PON技术将成为PON接入网发展的方向。

现在WDM-PON系统面临的最大困难是有源器件成本太高，特别是OLT光源和ONU光源。

OLT光源一般有如下几种：

1.一组波长接近的、离散的、可调谐的DFB激光器(DFB激光器阵列)， 利用温度调谐产生多波长的下行信号。DFB激光器阵列输出光谱可以通过控制温度统一调谐，容易实现波长监控，但由于DFB激光器输出波长随波导有效折射率变化，很难精确控制输出光谱与波长路由器信道间隔匹配。

2.采用多频激光器(MFL)。MFL是一种基于集成半导体放大器和WGR(Waveguide Grating Router)技术的新型WDM激光器，包含N个光放大器和一个1x 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。

3.波长锁定FP激光器。最近，基于波长锁定FP激光器的WDM-PON系统被采纳并开始商用。该系统把FP激光器作为OLT和ONU的信号发射器。该方案需要一个或多个高功率宽带光源为FP激光器提供波长锁定的输入光。

ONU光源一般有如下几种：

1.单频激光器。目前，宽调谐单模DFB激光器阵列可以满足要求，但由于价格昂贵、仍处于实验阶段，距市场化应用还有一定的距离。

2.回环。光回环技术是利用OLT发出的一部分下行光信号作为载波，在ONU中调制上行信号，再发送到OLT。光回环技术避免了使用ONU光源，但也存在一些缺点。它要求OLT光源输出功率很大，以支持上下行传输。回环的另一个缺点是，为了避免瑞利后向散射造成的较大干扰，必须将上下行信号分离在不同的光纤里进行传输，导致光纤数量、路由器端口数量成倍增加，设备安装维护的复杂度提高。

3.宽光源光谱分割。WDM-PON系统中普遍采用窄带光滤波器对宽频谱的光源进行频谱分割，使每个WDM信道获得唯一光波作为上行光源。频谱分割WDM-PON系统采用宽带光源(如LED，发光二极管)，与可调谐单频激光器相比，宽带光源简单，成本低，对成本敏感的接入网很有吸引力。光谱分割的主要缺点是频谱分割导致光功率损耗很大，造成功率预算紧张；同时，由于多模或宽带光源固有的几种噪声(模分散噪声、强度噪声、光差拍噪声)的存在，使得调制速率受限。

4.宽光源+波长锁定FP激光器。FP激光器要专门设计使得注入锁定波长 和FP波长匹配。

5.宽光源+反射型半导体光放大器(RSOA)。该方案是在OLT端利用宽带光源和波分复用器提供下行的种子光，该种子光在ONU端被RSOA放大，同时通过调制RSOA产生上行信号。

在现有的WDM-PON系统中，以采用上述4和5方案为多。在这两种方案中，在OLT端都必须要有宽带光源或者波长可调激光器提供种子光。

说明书附图图1为现在典型的WDM-PON系统结构示意图。由光线路终端(OLT)、远端节点(RN)、光网络单元(ONU)以及传输光纤组成。光线路终端(OLT)内包括一组收发单元、光波分复用/解复用器和宽带光源。光波分复用/解复用器将光源发出的多波长信号集中到一个光纤中传输到远端节点(RN)，再利用远端节点(RN)的光波分复用/解复用器将信号根据波长不同分配到各路光网络单元(ONU)。一般OLT端和ONU端分别利用C波段和L波段宽带光源作为种子光源。假设上行和下行的波长分别为λu和λd，则λu和λd分别属于L波段或者C波段。宽带光源1作为ONU的种子光源，宽带光源2作为OLT的种子光源。要求宽带光源的光谱覆盖工作波段，功率足够大以激发发射单元Tx(半导体激光器FP-LD或者反射型光放大器RSOA)。

发明内容

本发明的目的是针对WDM-PON系统中有源器件ONU/OLT光源成本昂贵，不利于WDM-PON系统推广应用得缺陷，提供一种采用无源器件构成的外腔激光器，以一种简单实用的方式实现WDM-PON中ONU/OLT光源的无色化(colorless)，降低光源成本，推动WDM-PON系统的实用化。

本发明的技术解决方案是：一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，由光线路终端(OLT)、远端节点(RN)、光网络单元(ONU)以及传输光纤组成，在OLT和RN内分别设无源模块。无源模块与OLT内的DWDM波分复用/解复用器及OLT收发单元构成外腔激光器，无源模块与RN内的DWDM波分复用/解复用器及ONU内的ONU发射单元构成外腔激光器。

本发明改进的WDM-PON系统结构与图1基本相同，但OLT内的两个宽带光源被无源模块代替，在RN里加了一个无源模块。无源模块与OLT内的DWDM波分复用/解复用器及n个发射单元Tx构成了n个外腔激光器。而无源模块与RN内的DWDM波分复用/解复用器及ONU内的m个发射单元Tx构成了m个外腔激光器。

下面说明本发明的外腔激光器原理。

以一个ONU单元为例的本发明的外腔激光器结构。ONU单元内无源模块由两个相同的波分复用器件和一个部分反射部分透射器件组成，部分反射部分透射器件与波分复用器件和波分复用器件用光纤连接。ONU发射单元由波分复用器、发射器件和探测器构成，并封装在一起构成单纤双向收发合一器件。三个波分复用器件都是将C波段和L波段光信号分开的波分复用器，它们的作用是将上行信号和下行信号分开或合波。其中无源模块中的两个波分复用器件配对使用，以便在上行光路上加入部分反部分透器件，而对下行信号没有改变。部分反部分透器件是指对上行信号波段λu的光有部分反射部分透射的功能。

下行信号λd进入无源模块后，经过第一波分复用器件后，与上行信号λu分开不经过同一根光纤，再由第二波分复用器件、DWDM波分复用/解复用器、第三波分复用器件后，进入探测器。由探测器及解调电路检出下行信号。

在无源模块内上行信号λu光路上，我们加入了一个对λu部分反射部分透射的光器件，这样光器件作为外腔激光器的出射腔面，与发射器件，一般采用反射型半导体光放大器(RSOA)构成了谐振腔。而DWDM波分复用/解复用器则成为谐振腔的选模元件，它的波长决定了该外腔激光器的激射波长，SOA成为谐振腔的增益介质。这样在合理设计该外腔激光器参数的条件下，可以实现由波分复用/解复用器决定的DWDM波长激射。通过改变RSOA电流可以实现上行信号的调制和发生。上行信号从部分反射部分透射器件输出后由第一波分复用器件进入传输光纤上行到OLT单元。

以上所述是以一个ONU单元为例。实际上，DWDM波分复用/解复用器有多少通道与ONU单元的RSOA相连，就可以产生多少个DWDM波长的上行信号。

OLT端的光源也可由类似结构实现。只是形成的外腔激光器针对的波段不同。ONU光源产生λu的激光，而OLT端的光源产生λd的激光。

本发明的有益效果是：本发明采用的光源利用一个由无源器件构成的模块，该无源模块可以直接放在OLT终端或远端节点RN处，与OLT的发射单元或ONU单元结合构成外腔激光器，可以省掉用来提供种子光的两个高功率宽带光源。无源器件的稳定性比有源器件的好，用无源器件代替昂贵的有源器件来实现相同的功能，可以大大改善系统的可靠性，并且降低系统成本。本发明采用现有成熟的无源器件工艺，结构简单，使用方便可靠。

附图说明

图1：现有典型的WDM-PON系统结构示意图

图2：本发明的WDM-PON系统结构示意图

图3：ONU端光源结构示意图

图4：OLT端光源结构示意图

图中：1.OLT内无源模块，2.RN内无源模块，3.OLT内DWDM波分复用/解复用器，4.ONU内DWDM波分复用/解复用器，5.OLT收发单元，6.ONU发射单元，7.第一波分复用器件，8.第二波分复用器件，9.部分反射部分透射器件，10.ONU第三波分复用器，11.ONU发射器件，12.ONU探测器，13.OLT第三波分复用器，14.OLT发射器件，15.OLT探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图2为利用本发明光源的改进的WDM-PON系统结构。一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，由光线路终端(OLT)、远端节点(RN)、光网络单元(ONU)以及传输光纤组成，在OLT内设无源模块1，在RN内设无源模块2；无源模块1与OLT内的DWDM波分复用/解复用器3及OLT收发单元5构成外腔激光 器，无源模块2与RN内的DWDM波分复用/解复用器4及ONU内的ONU发射单元6构成外腔激光器。

所述无源模块1和无源模块2由两个相同的第一波分复用器件7、第二波分复用器件8和一个部分反射部分透射器件9组成，部分反射部分透射器件9与第一波分复用器件7和第二波分复用器件8用光纤连接。

所述ONU发射单元6由第三波分复用器10、发射器件11和探测器12构成，并封装在一起构成单纤双向收发合一器件。

所述OLT收发单元5由第三波分复用器13、发射器件14和探测器15构成，并封装在一起构成单纤双向收发合一器件。

图3是以一个ONU单元为例的本发明的外腔激光器结构。

ONU发射器件11采用反射型半导体光放大器(RSOA)，也可采用半导体光放大器加上一个反射器件，或者半导体激光器的一个腔面镀上足够低的增透膜使之不能激射。ONU发射器件11通过对半导体激光器一个腔面镀高反膜，另外一个腔面镀增透膜实现，并封装成同轴形式。RSOA可以对λu波段的光实现高增益。探测器12采用普通InGaAs探测器，可以探测C/L波段的光信号。

第一波分复用器件7、第二波分复用器件8、第三波分复用器10都是将C波段和L波段光信号分开的波分复用器。其中第一波分复用器件7和第二波分复用器件8采用现在已经大量应用的波分复用光纤器件。第三波分复用器10采用波分复用膜片，与发射器件11和ONU探测器12封装在一起构成单纤双向收发合一器件。三个波分复用器的作用是将上行信号和下行信号分开或合波。其中第一波分复用器件7和第二波分复用器件8配对使用以便在上行光路上加入部分反部分透器件9，而对下行信号没有改变。

λu部分反部分透器件9是指对上行信号波段λu的光有部分反射部分透射的功能，也采用部分反射部分透射膜片进行封装耦合成光纤器件，方便与第一波分复用器件7和第二波分复用器件8的连接。光纤之间的连接可以采用法兰盘连接或者直接熔接的方式实现。

DWDM波分复用/解复用器4采用阵列波导光栅(AWG)形式的多通道DWDM器件。

如图3所示，下行信号λd进入无源模块2后，经过第一波分复用器件7后，与上行信号λu分开，在无源模块2内，下行信号λd与上行信号λu不经过同一根光纤，再经第二波分复用器件8、DWDM波分复用/解复用器4、第三波分复用器10后，进入探测器12。由探测器12及解调电路检出下行信号。

在无源模块2内上行信号λu光路上，我们加入了一个对λu部分反射部分透射的光器件9。这样光器件9作为外腔激光器的出射腔面，与RSOA构成了谐振腔。而DWDM波分复用/解复用器4则成为谐振腔的选模元件，它的波长决定了该外腔激光器的激射波长，RSOA成为谐振腔的增益介质。这样在合理设计该外腔激光器参数的条件下，可以实现由波分复用/解复用器4决定的DWDM波长激射。通过改变RSOA电流可以实现上行信号的调制和发生。上行信号从部分反射部分透射器件9输出后由第一波分复用器件7进入传输光纤上行到OLT单元。

图4是以一个OLT单元为例的本发明的外腔激光器结构。

OLT发射器件14采用反射型半导体光放大器(RSOA)。该器件和图3中的ONU发射器件11一样，通过对半导体激光器一个腔面镀高反膜，另外一个腔面镀增透膜实现，并封装成同轴形式。RSOA可以对λd波段的光实现高增益。探测器15采用普通InGaAs探测器，可以探测C/L波段的光信号。

第一波分复用器件7、第二波分复用器件8、第三波分复用器13都是将C波段和L波段光信号分开的波分复用器。其中第一波分复用器件7和第二波分复用器件8采用现在已经大量应用的波分复用光纤器件。第三波分复用器13采用波分复用膜片，与发射器件14和OLT探测器15封装在一起构成单纤双向收发合一器件。三个波分复用器的作用是将上行信号和下行信号分开或合波。其中第一波分复用器件7和第二波分复用器件8配对使用以便在下行光路上加入部分反部分透器件9，而对上行信号没有改变。

λd部分反部分透器件9是指对上行信号波段λd的光有部分反射部分透射的功能，也采用部分反射部分透射膜片进行封装耦合成光纤器件，方便与第一波分复用器件7和第二波分复用器件8的连接。光纤之间的连接可以采用法兰盘连接或者直接熔接的方式实现。

DWDM波分复用/解复用器3采用阵列波导光栅(AWG)形式的多通道DWDM器件。

如图4所示，上行信号λu进入无源模块1后，经过第一波分复用器件7后，与下行信号λd分开，在无源模块1内，下行信号λd与上行信号λu不经过同一根光纤，再经第二波分复用器件8、DWDM波分复用/解复用器3、第三波分复用器13后，进入探测器15。由探测器15及解调电路检出上行信号。

在无源模块1内下行信号λd光路上，我们加入了一个对λd部分反射部分透射的光器件9。这样光器件9作为外腔激光器的出射腔面，与RSOA构成了谐振腔。而DWDM波分复用/解复用器3则成为谐振腔的选模元件，它的波长决定了该外腔激光器的激射波长，RSOA成为谐振腔的增益介质。这样在合理设计该外腔激光器参数的条件下，可以实现由波分复用/解复用器3决定的DWDM波长激射。通过改变RSOA电流可以实现下行信号的调制和发生。下行信号从部分反射部分透射器件9输出后由第一波分复用器件7进入传输光纤下行到RN单元。

Claims (8)

1.一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，由光线路终端OLT、远端节点RN、光网络单元ONU以及传输光纤组成，其特征是：在OLT内设无源模块(1)，在RN内设无源模块(2)，OLT内无源模块(1)和RN内无源模块(2)分别由第一波分复用器件(7)、第二波分复用器件(8)和一个部分反射部分透射器件(9)组成，第一波分复用器件(7)和第二波分复用器件(8)为两种相同的器件，部分反射部分透射器件(9)与第一波分复用器件(7)和第二波分复用器件(8)用光纤连接，OLT内无源模块(1)中的部分反射部分透射器件(9)设置在第一波分复用器件(7)和第二波分复用器件(8)之间的下行光纤光路上，RN内无源模块(2)中的部分反射部分透射器件(9)设置在第一波分复用器件(7)和第二波分复用器件(8)之间的上行光纤光路上；OLT内无源模块(1)与OLT内的DWDM波分复用/解复用器(3)及OLT收发单元(5)构成外腔激光器，RN内无源模块(2)与RN内的DWDM波分复用/解复用器(4)及ONU内的ONU发射单元(6)构成外腔激光器；ONU发射单元(6)由ONU第三波分复用器(10)、ONU发射器件(11)和ONU探测器(12)构成，并封装在一起构成单纤双向收发合一器件；OLT收发单元(5)由OLT第三波分复用器(13)、OLT发射器件(14)和OLT探测器(15)构成，并封装在一起构成单纤双向收发合一器件。

2.如权利要求1所述的一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，其特征是ONU发射器件(11)和OLT发射器件(14)是反射型半导体光放大器、半导体光放大器加上一个反射器件，或者半导体激光器的一个腔面镀上足够低的增透膜使之不能激射。

3.如权利要求1所述的一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，其特征是ONU发射器件(11)和OLT发射器件(14)采用反射型半导体光放大器，半导体光放大器一个腔面镀高反膜，另外一个腔面镀增透膜，并封装成同轴形式。

4.如权利要求1所述的一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，其特征是ONU探测器(12)和OLT探测器(15)是InGaAs探测器。

5.如权利要求1所述的一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，其特征是OLT内DWDM波分复用/解复用器(3)和RN内DWDM波分复用/解复用器(4)采用阵列波导光栅形式的多通道DWDM器件。

6.如权利要求1所述的一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，其特征是第一波分复用器件(7)和第二波分复用器件(8)是波分复用光纤器件，波分复用器件采用膜片镀膜或者光纤熔锥方式实现。

7.如权利要求1所述的一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，其特征是ONU中的第三波分复用器(10)和OLT中的第三波分复用器(13)采用波分复用膜片。

8.如权利要求1所述的一种可用作WDM-PON光源的外腔激光器，其特征是部分反射部分透射器件(9)通过镀部分反射部分透射光学膜来实现。

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