CN101682458A - 使用无源dpsk解调的光pon网络 - Google Patents

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Abstract

光PON网络包括中心局，其生成N个DPSK调制的光信号，其中N是大于1的整数；光耦合，其将N个信号连接到至少一个光纤；远离中心局的无源分配节点，其具有耦合到光纤的至少一个输入端口和多个输出端口，该节点布置成将N个信号的第一波长传送到其输出端口中的至少一个；以及至少一个光网络单元，通过各自的光纤连接到无源分配节点的第一输出端口。该无源分配节点包括阵列波导光栅，该阵列波导光栅提供其输入端口与第一输出端口之间的无源光连接，并且对于该连接，该阵列波导光栅用作具有选定带宽和分布的带通滤波器，使得传递到输入节点的DPSK光信号在输出端口处被转换成亮度调制的信号。

Description

使用无源DPSK解调的光PON网络
技术领域
本发明涉及光网络、特别是无源光网络(PON)中的改进。
背景技术
接入网已知是以下类型，即其中通常位于提供商所在地的中心局通过光纤连接到通常位于住宅所在地或企业所在地的多个光网络单元(ONU)。为了降低成本，这些网络常常是无源的，称为光PON网络，一般意味着中心局CO与ONU之间的路由选择装置无需任何电源或光源。这大大地降低基础设施的成本，并意味着所有光源位于提供商所在地，这增加了安全性。光纤可以约为几公里长，且无源网络中的主要局限性是光传输损耗。
在简单的布置中，对于向下游信号使用一个波长并且使用时分复用(TDM)将信号的一部分分配到每个ONU。对于向上游信号可以使用不同的波长。然后可以使用简单的无源分路器将信号的正确部分发送到每个ONU。
在改良中，还公知使用波分复用(WDM)，从而由CO发送出多于一个波长的光信号，其中为每个ONU分配一个波长(虽然也可以为它们分配多于一个)。然后可以用要发送到ONU的信息来调制每个信号。为了将正确的波长信号路由到正确的ONU，提供了无源分配节点，其接进来自CO的光纤。该节点的功能是分离出这些波长并将它们发送到正确的ONU。使用多于一个波长，相比具有单个波长的简单TDM网络增加了网络的容量。
许多不同形式的调制可以使用，但是已经提出的一种公知网络使用差分相移键控(DPSK)以在每个光信号上编码信息。在此方案中，通过更改或调制信号的相位以在光信号上编码信息。然后可通过查看信号的相位，并且在DPSK的具体情况中通过将信号的给定“位(bit)”的相位与先前位的相位比较，从信号恢复信息。这种调制方案是有利的，因为DPSK的固有属性是当网络中存在半导体光放大器时它几乎不会遭受交叉增益调制。
为了将调制的信号解码，已经提出在每个ONU提供相位灵敏解调器，该相位灵敏解调器通常采用马赫-曾德尔(Mach Zender)型干涉仪的形式。在简单的实现中，这包括位于光电二极管前的延迟线干涉仪。因为DPSK通过随时间更改信号的相位来编码二进制信号，所以延迟线允许使用干涉仪将信号的位与信号的较早(延迟的)位进行比较。干涉仪的输出将是强度调制的，并可以使用光电二极管读取，以显示从位到位相位如何变化。
申请人认识到在每个ONU提供线延迟干涉仪是成本高昂的。由于分配节点与ONU之间的色散效应，也会产生问题。虽然这可以使用色散补偿光纤来克服，但这又增加了成本。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种光网络，包括：
中心局(CO)，其生成N个差分相移键控DPSK调制的光信号，每个光信号编码要跨越网络传送的信息，其中N是大于1的整数，
光耦合部件，其将N个信号连接到至少一个光波导，例如光纤，
位于远离中心局的无源分配节点，其具有耦合到光纤的至少一个输入端口和多个输出端口，该节点布置成将N个信号的第一波长传送到其输出端口中的至少一个，以及
至少一个光网络单元(ONU)，其通过各自的光波导连接到无源分配节点的第一输出端口，
其特征在于，该无源分配节点包括阵列波导光栅(AWG)，该阵列波导光栅(AWG)提供其输入端口与第一输出端口之间的无源光连接，并且对于该连接，阵列波导光栅(AWG)用作具有选定的带宽和分布(profile)的带通滤波器，使得传递到输入节点的DPSK光信号在输出端口被转换成强度调制的信号。
使用AWG在一个装置中执行从DPSK到IM(强度调制)的转换，同时执行将波长分配到不同的输出端口，这消除了要在ONU执行的DPSK信号的解码的需要。这可以提供成本上的降低和增强的健壮性。
中心局CO通常将设在中心位置中，具有携带到位于企业、家庭用户所在地或街边的无源分配节点的信号的光纤，其中光纤长度为几公里或更长以提供本地环网(local loop network)。
该AWG可用作具有为DPSK信号的位速率的0.4倍与0.7倍之间的带宽的窄带通滤波器，以及优选为0.5倍与0.7倍之间，最优选的是基本上为或确切地为0.6倍。该带宽视为3db带宽。
该AWG可用作在频域中具有近似的或确切的高斯分布的滤波器。
该AWG可将单个输入端口连接到N个输出端口，其中N大于10或20或更多。可以存在与中心局CO发送出的DPSK调制的信号波长的一样多的输出端口。该AWG可仅将单个波长发送到其输出端口的每个，正如本领域中公知的。
无源分配节点的每个输出端口可连接到各自的光网络单元(ONU)。
ONU可包括直接检测器，例如其输出传递到放大器的光电检测器。这远比现有技术的干涉仪检测器便宜。
每个ONU可包括反射式半导体光放大器(RSOA)，它将接收的信号调制并将其重新传送回无源分配节点。它可将该信号或许与通过功率分配器加入的一个或多个其他返回信号一起发送回AWG的单独的输出节点。AWG利用其再循环的特性，然后将它连接回连接到中心局的光纤，在中心局可以检测该信号并将其解调。这形成完全无源的网络，其中所有光信号仅在CO产生。
DPSK调制的光信号还可以是时分复用(TDM)的，因为对于从CO发送出的信号，可仅在给定时间期间应用该调制，其间的间隔是不调制的，因此它们可以由ONU调制以将发送回CO的向上游信号编码。因此AWG的输出端口处的信号将包含TDM-IM信号。
中心局CO可以传送具有基本为1550nm波长的DPSK调制的信号。它们的范围可在例如1540与1560nm之间。这确保了对于大多数类型的光纤，光纤损耗最小化。
中心局CO可以在20千兆位/秒(Gbit/second)或10千兆位/秒或也许50或100千兆位每秒的速率调制信号。
光耦合部件可包括光环行器。其后可跟随双向半导体光放大器以提升中心局处的向下游和向上游信号。
该光网络可以是无源的PON，并且可包括接入网。可以根据CO的运营商提供的服务和/或ONU的拥有者或用户的要求以一定范围的不同信息来调制光信号。通常，该信息可包括语音数据、视频数据或因特网数据或诸如此类，或这些类型的数据的组合。
根据第二方面，本发明提供一种用于在无源光PON网络中使用的无源分配节点，其包括具有用于到中心局(CO)的连接的至少一个输入端口和至少两个输出端口的窄带宽阵列波导光栅(AWG)，所述至少两个输出端口各适合于到光网络单元(ONU)的连接，其中AWG相对于输入节点与输出节点之间的每个连接用作在频域中基本具有高斯分布的带通滤波器。
该AWG可具有多于两个输出节点，并且可对于输入端口和输出端口之间的每个连接用作具有高斯分布的窄带宽滤波器。
对于从输入端口到输出端口的每个连接，该AWG可具有为预期的输入信号编码位速率的0.6倍的滤波器带宽。这样，该滤波器将模仿适合的延迟线干涉仪的效果以用于解码DPSK信号。
许多已建光纤网络传送具有10GHz、20GHz或40GHz或更高的中心频率和调制速率(位速率)的光。因此可选择AWG带通滤波器以提供这个速率的约0.6倍的带宽，分别例如6GHz、12GHz或24GHz。
相信该分配节点可容易地用于升级现有的光PON，因为当在已经采用DPSK调制的任何系统中使用时，无需在光纤的中继或中心局的功能中进行更改。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的一个实施例，其中：
图1是根据本发明的第一方面的无源PON的实验实施例的示意概图；
图2是用于证明概念的图1的实验设置的详细示意图；
图3示出实验设置的(a)向上游和(b)向下游信道的BER测量；
图4是示出AWG的信道在频域中的适合响应曲线的图；以及
图5是基于设置在硅基板上的多个平面光波导的使用的一种类型的AWG的表示。
具体实施方式
附图的图1所示的网络依赖于NRZ-DPSK(非归零DPSK)向下游信号和能够执行多波长解调的无源WDM分路器。该无源分路器同时起对于所有DPSK信道的同时解调器、信道分配器的作用，并且消除对于色散补偿的需要。双向光放大器(例如饱和SOA)提供双向放大以补偿TDM分路器损耗。
该网络包括通常位于提供商所在地的中心局10。这执行通过光纤15或其他等效光路径发送将信息编码的向下游信号的功能(应对本申请中的术语光纤给予涵盖多组光纤、光波导等的广义解释)。中心局10还执行从光纤接收向上游信号并从其提取编码的信息的功能。在其他布置中，中心局可以简单地使它从其他网络接收的信号通过，而不是生成它们或将它们解码。
光纤15连接到远程无源分配节点20，远程无源分配节点20将多个波长分路，使得一个波长被传送到单个输出端口。因此，对于来自PON的单个光纤上的N个输入波长，分配节点20将它们分路到N个输出端口上。
在本示例中通过另一个或多个长度的光纤25连接到每个输出端口的是通常位于订户所在地的光网络单元30。此功能在于将它接收的光信号上编码的信息解码。它还向分配节点发送回以信息编码的返回信号。因此，在中心局与OPU之间建立了双向通信。
中心局10使用差分相移键控(DPSK)在向下游发送的每个光信号上编码信息。无源分配节点将其转换成输出端口处的强度调制，使得ONU只需布置成读取强度信号，而无需执行基于相位的解调。
在图示的示例中，WDM分路器由位于分配节点的定制的窄带阵列波长光栅(AWG)滤波器来实现。该AWG是具有高斯分布且每个信道上的带宽为位速率的0.6倍的选定组件，如附图的图4所示。它是本架构中的关键组件，起着三重作用。它充当到ONU的WDM信道分配器。它还同时将所有DPSK向下游信号解调，从而去除每个ONU处的昂贵且与波长相关的解调器，并使得该接收器仅成为简单的光电二极管。而且，它允许信号忍耐更大量的累积的色散，从而避免DCF的额外损耗。
附图的图5中给出AWG的架构的一个示例。它包括一组在硅基板上制造的不同长度的平面光波导52。输入端口50连接到来自CO的输入光纤，并通过自由空间区域51与这些光波导的一端间隔开，使得进入的光在端口50与自由空间区域51之间的接口处折射。每个光波导52具有稍微不同的长度，并且耦合到每个光波导52的光波经受不同相位的改变(取决于光波导的长度)。这些光波导的另一端以线性阵列布置在第二自由空间区域53的一侧，光从每个波导穿过第二自由空间区域53折射到分别连接到一组输出端口54之一的一组波导。由于来自每个波导的光之间的相长干涉，所以每个输出端口将接收到不同波长的光。
实验验证
该方案已使用双向单馈线系统(bidirectional single feeder system)通过实验方式验证。该双向单馈线系统具有以20千兆位/秒在20公里的标准单模光纤(SMF)上传送且以1千兆位/秒通过RSOA进行IM-DD再调制的8个WDM DPSK信道。
附图的图2中示出实验设置。在中心局(CO)，200GHz网格(grid)上的8个向下游DPSK信道(从λ1＝1542.9nm到λ8＝1554.1nm)由AWG-1进行波长复用，并由单个LiNbO3相位调制器(PM)进行调制。此调制器不产生乱真IM，并由27-1伪随机位序列(PRBS)来驱动，其最接近于21.7Gb/s的8B/10B千兆位以太网。21.7Gb/s的位速率是根据适当匹配AWG-2带宽来选取的。为了降低解调的向下游业务的光消除无线电(ER)，将电驱动信号Vdata的振幅降低，即低于调制器的Vπ值。通过控制Vdata，可以产生具有范围从4到10.2dB的ER值的信号。
在通过用于选择向上游业务的光环行器(OC)之后，这8个向下游信道通过SOA(半导体光放大器)进行放大。该SOA是一种具有500Ma处17dB小信号增益、10dBm输出饱和功率、0.8dB的PDG和6.9dB噪声因数的商用装置。SOA处的输入和输出功率分别是0dBm和9dBm。
SOA同时充当分别用于向下游和向上游业务的升压器和预放大器。注意，由于DPSK信号的CE(恒定包络)属性，SOA中向下游信道之间的XGM(交叉增益调制)得以抑制。有限量的四波混合(FWM)产物(product)(低于信号-34dB)可以忽略。
8个放大的信道被投入到SMF(单模光纤)馈线(G652,20公里长，色散D＝16.5ps/nm/km以及4.2dB的损耗)中，并到达无源分配节点。这通过定制的AWG(图中的AWG-2)来实现，该定制的AWG具有在ITU-T网格上间隔50GHz的32个信道。每个信道的FWHM(全波半最大值)是12.5GHz，具有几乎为高斯的分布且没有乱真色散。AWG-2插入损耗在每个峰值传输波长处大约为4dB。此装置在本架构中起着主要的作用。它将WDM信号路由到不同的无色ONU并且还充当每个DPSK信道上的同时解调器。实际上，具有这些特性(高斯分布、等于位速率的60％的FWHM)的窄带滤光器将DPSK信号转换成IM信号。而且，这种检测方案允许对累积色散的更高的忍耐，所述累积色散在20Gb/s变成≈4000ps/nm(≈G.652的60公里)。这消除对任何DCF的需要，否则DCF在如此高的位速率是必须的以补偿信号失真。
虽然AWG-2滤波器的形状并非精确地为高斯形，但是信号显示解调之后明显的眼状开口(参见图1b)。AWG-2解调的向下游信号经过用于仿真时分多址(TDMA)操作的功率分配器，然后馈送到无色ONU中。
在该ONU处，信号通过1:2分路器进一步分路。将一部分发送到接收器；将另一部分发送到向上游传送器以用于再调制。ONU接收器包括可变光衰减器(VOA1)以及光电二极管。由错误分析器执行误码率(BER)测量。ONU传送器按照20dB小信号增益、80mA处的5dBm输出饱和功率以及PDG＜1.5dB来实现。1Gb/s IM 27-1PRBS向上游信号由RSOA生成，RSOA直接将解调的20Gb/s向下游业务再调制。注意，解调的向下游(ER＝6.6)的调制振幅被RSOA的增益饱和挤压。分配比为1∶4的功率分配器保证了RSOA处等于-14dBm的输入功率，从而产生具有5dBm起动功率的向上游信号。
再调制的向上游信号被SOA预放大。应该注意，DPSK向下游信号具有较高的功率和CE，有效地钳制了SOA增益。因此，由向下游信号饱和的该装置提供了9dB的压缩增益。在CO处，向上游业务由OC选择，并通过小尺寸DCF模块(补偿170ps/nm/km)。这是必需的，因为检测到的IM信号仍具有再调制高位速率的向下游信号而生成的某些残余DPSK调制。但是，注意其损耗是低的并且是不重要的。然后向上游业务通过100GHz带通滤波器(BPF)进行波长解复用，并最终被雪崩光电二极管(APD)接收器接收。
为了仿真其他7个向上游信号，并评估它们对SOA动态性的影响，使用附加的1Gb/s调制的信号，其在AWG-2之后，在λs＝1549.3nm具有2dBm的光功率。注意，这7个向上游信道携带相同的信息，并且全部是同相的：对于XGM效应，这是最坏的情况。
通过BER测量确定PON性能，如附图的图3所示。在图3a中，比较关于两个ER值的向下游业务的背靠背BER测量：10.2dB(我们的设备可用的最大值)和6.6dB(在实验中使用的最优值)。在两种情况中，均使用AWG-2作为DPSK解调器。由于较低的ER，即使没有向上游信号，在10-9处有1.4dB的惩罚。当通过包含由RSOA再调制的向上游信号以及由信道仿真的其他来评估整个系统时，记录的惩罚分别是2.3和2.8dB。有限的附加惩罚是由于向上游信道的功率增加而引起的XGM调制所致。
在图3a中，还报告20公里的SMF之后背靠背与传送的信号(ER＝6.6dB)之间的BER比较。可忽略的惩罚确认了通过消除任何DCF及其对应的损耗而产生的基于AWG的检测系统的效率。
图3b中报告了对向上游业务的BER测量。相对于背靠背，在BER＝10-9处有3dB的惩罚。该惩罚部分是由较低ER导致的，并且部分是由背反射导致的。实际上，为了减少来自SOA的乱真反射，在低驱动电流体制(regime)(340mA)中操作SOA，因此将其(饱和)增益降低到9dB；这提供了将反射最小化并确保所要求功率量到达ONU的最优折衷。

Claims (12)

1.一种光网络，包括：
中心局，所述中心局生成N个差分相移键控调制的光信号，其中N是大于1的整数，
光耦合部件，所述光耦合部件将所述N个信号连接到至少一个光波导，
无源分配节点，位于远离所述中心局，所述无源分配节点具有耦合到光纤的至少一个输入端口和多个输出端口，所述节点布置成将所述N个信号的第一波长传送到其输出端口中的至少一个，以及
至少一个光网络单元，通过各自的光波导连接到所述无源分配节点的第一输出端口，
其特征在于，所述无源分配节点包括阵列波导光栅，所述阵列波导光栅提供其输入端口与所述第一输出端口之间的无源光连接，并且对于该连接，所述阵列波导光栅用作具有选定带宽和分布的带通滤波器，使得传递到所述输入节点的所述差分相移键控光信号在所述输出端口被转换成强度调制的信号。
2.如权利要求1所述的光网络，其中所述阵列波导光栅用作具有所述差分相移键控信号的位速率的0.4倍与0.7倍之间的带宽的带通滤波器。
3.如权利要求2所述的光网络，其中所述阵列波导光栅具有基本上是所述差分相移键控信号的位速率的0.6倍的带宽。
4.如权利要求1、2或3所述的光网络，其中所述阵列波导光栅用作在频域中基本上具有高斯分布的滤波器。
5.如前面任一项权利要求所述的光网络，其中所述光网络单元包括直接检测器，例如光电检测器，所述直接检测器测量从所述阵列波导光栅的相应输出端口输出的信号的强度。
6.如前面任一项权利要求所述的光网络，其中所述或每个光网络单元包括反射式半导体光放大器，所述放大器调制所接收的信号并将其重新传送回所述无源分配节点。
7.一种光网络，其中在中心局还将差分相移键控调制的光信号进行时分复用。
8.如前面任一项权利要求所述的光网络，其中所述中心局传送具有基本为1550nm波长的差分相移键控调制的信号。
9.如前面任一项权利要求所述的光网络，其中所述中心局以20千兆位/秒的速率调制所述信号，并且所述阵列波导光栅具有12GHz的带宽。
10.如前面任一项权利要求所述的光网络，其中所述网络是无源光网络。
11.一种用于在无源光网络中使用的无源分配节点，包括阵列波导光栅，所述阵列波导光栅具有用于到中心局的连接的至少一个输入端口和至少两个输出端口，所述至少两个输出端口各适合于到光网络单元的连接，其中所述阵列波导光栅相对于所述输入节点与所述输出节点之间的每个连接用作在频域中基本上具有高斯分布的带通滤波器。
12.如权利要求11所述的无源分配节点，其中所述阵列波导光栅具有为预期的输入信号编码位速率的0.6倍的滤波器带宽。
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