CN102412905B - 波分时分混合无源光网络系统 - Google Patents

Abstract

提供一种波分时分混合无源光网络系统，包括中心局、多个光网络单元和位于中心局与多个光网络单元之间的远端节点，中心局具备：多个光源，用于发射多种波长的下行信号光；多个接收机，分别接收从所述多个光网络单元发出且经由远端节点传输来的上行信号光；以及多个复用/解复用器，对下行信号光和所述上行信号光进行复用及解复用；所述远端节点用于对来自中心局的所述下行信号光进行复用，并且对来自所述光网络单元的上行信号光进行解复用；所述光网络单元分别具备：内部环形耦合器；将下行信号光分离为信号光和注入光的光分离单元；接收分离后的信号光的下行数据接收机；以及接收注入光且产生上行信号光的MEMS可调谐激光器。

Description

波分时分混合无源光网络系统

技术领域

本发明涉及波分时分混合无源光网络(WDM-TDM-PON)，具体地说，涉及利用光线路终端(OLT，Optical Line Terminal)的下行信号光对作为光网络单元(ONU，Optical Network Unit)的光源的MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems)可调谐激光器进行注入锁定的高速大容量的波分时分混合无源光网络系统。

背景技术

无源光网络(PON，Passive Optical Network)技术作为解决接入网“最后一公里”的关键技术，已经被广泛应用于光纤到户(FTTH)系统。波分时分混合无源光网络结合了时分复用无源光网络的光功率分配所带来的优点和波分复用无源光网络的波长路由的优点，被认为是下一代光纤接入网的最佳解决方案。波分时分混合无源光网络系统可以在传统的时分复用无源光网络的基础上通过增加波长的方法来增加服务的用户数量，既不影响已有用户的使用带宽，同时提供更高的安全性和协议透明性，增加了网络容量扩展的弹性。相比于通过增加波长数目来提高系统容量的波分复用无源光网络，波分时分混合无源光网络的系统结构和配置更为灵活，系统制造成本更小。

通常的波分时分混合无源光网络系统主要包括中心局(CO，Central Office)、远端节点(RN，Remote Node)和光网络单元(ONU)。中心局主要包含光发射模块、光接收机以及波分复用/解复用器等，负责提供网络间的光接口和相关交换任务，为光网络单元提供数据传送并对来自光网络单元的数据信息进行管理和监控。中心局在下传数据时发射多波长信号，下行信号经远端节点进行解复用并发送到相应的光网络单元。并且，每个光网络单元的上传信号经远端节点进行复用后传送回中心局。远端节点中的光分支设备采用无源光器件、例如阵列波导光栅(AWG，Arrayed WaveguideGrating)。每个光网络单元都具备独立的用于接收和发送数据信息的光收发机。由于使用了WDM复用/解复用器来代替光功率分配器，使得传输中光功率损耗降低，相应的传输距离延长。同时，结合WDM的优点，波分时分混合无源光网络系统可以最大可能地利用网络带宽，并且可以在不改变基础设备的情况下升级网络带宽。然而，其大规模的推广受限于大量昂贵的光发射/接收模块以及光波分复用/解复用器件，特别是光网络单元的发射模块，要求其具备无色、透明、价格低廉等特性。

目前，利用多种方法来构造光网络单元的发射模块，例如基于分布反馈式激光器(DFB，Distributed Feed Back)、反射型半导体光放大器(RSOA，Reflective Semiconductor Optical Amplifer)、注入锁定法布里-泊罗(FP，Fabry-Perot)激光器和可调谐激光器(TL，Tunable Laser)构成光网络单元的发射模块。基于分布反馈式激光器的光网络单元需要不同波长的分布反馈式激光器光源，通常一个用户对应一个分布反馈式激光器，不具备扩展性，满足ITU-T波长规定的分布反馈式激光器也很昂贵。另外，还需要使用稳定波长振动的额外设备，例如温度稳定器或者稳流器，这带来了系统建设费用高昂的问题。

最近，基于RSOA、注入锁定FP激光器或TL的光网络单元由于具有无色光源、可扩展的特征，被广泛关注。然而，基于RSOA或者注入锁定FP激光器的光网络单元需要光线路终端提供大功率的种子ASE(放大自发辐射，Amplified Spontaneous Emission)光源或者分布反馈式激光器，限制了可扩展的用户数量。基于可调谐激光器的光网络单元虽然不存在上述问题，但其昂贵的价格限制了其在波分时分混合无源光网络系统中的应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于MEMS可调谐激光器的波分时分混合无源光网络系统。

为了实现上述目的，本发明涉及的波分时分混合无源光网络系统，包括中心局、多个光网络单元和位于所述中心局与多个光网络单元之间的远端节点，其中，所述中心局具备：多个光源，用于发射多种波长的下行信号光；多个接收机，分别接收从所述多个光网络单元发出且经由所述远端节点传输来的上行信号光；以及多个复用/解复用器，对所述下行信号光和所述上行信号光进行复用及解复用；所述远端节点用于对来自所述中心局的所述下行信号光进行复用，并且对来自所述光网络单元的所述上行信号光进行解复用；所述光网络单元分别具备：内部环形耦合器；将所述下行信号光分离为信号光和注入光的光分离单元；接收分离后的所述信号光的下行数据接收机；以及接收所述注入光且产生所述上行信号光的MEMS可调谐激光器。

此外，优选的是，所述光分离单元是多模干涉仪或复用/解复用器。

另外，优选的是，MEMS可调谐激光器是注入锁定式的MEMS可调谐激光器。

此外，优选的是，还具备：宽谱光源，用于产生宽谱种子光；以及耦合器，对所述下行信号光和所述宽谱种子光进行混合。

另外，优选的是，所述复用/解复用器是阵列波导光栅。

此外，优选的是，在所述中心局与所述远端节点之间分别传输上行信号光和下行信号光的传输光纤是不同种类的单模光纤。

如前所述，可调谐激光器应用于波分复用的光通信网络，一个需要重点考虑的问题是可调谐激光器输出波长与ITU-T规定波长对准的问题，传统的解决方案是采用外部的控制电路和FP标准具实现可调谐激光器输出波长锁定。本发明所提出的无色波分时分混合无源光网络系统，采用注入锁定的MEMS可调谐激光器作为光网络单元中的光源，因此，能够实现输出波长和ITU-T规定波长的自对准。

在光网络单元中，从中心局的光线路终端输出的下行信号光注入到MEMS可调谐激光器，使直接调制的MEMS可调谐激光器输出光载波波长被锁定为下行信号光的载波波长，从而实现光网络单元的输出波长和ITU-T波长标准的自对准，大大降低了系统对可调谐激光器输出波长的要求，降低了光网络单元的成本。在光线路终端，可以采用单波长的分布反馈激光器(DFB)、DBR可调谐激光器或者频率分割的放大自发辐射(ASE)光源作为下行信号光的光源。由于MEMS可调谐激光器为单模工作(边模抑制比约为20dB)，能够以较小的注入光功率实现波长锁定。相对于基于FP激光器和RSOA的波分时分混合无源光网络系统，降低了系统对大功率的宽谱种子光源或者DFB激光器的需求，减小了系统的成本。

另一方面，相对于典型的基于分布布拉格(DBR，DistributedBragg Reflectors)(包含取样光栅分布布拉格(SG-DBR)和超结构取样光栅分布布拉格(SSG-DBR)等)的半导体可调谐激光器和基于机械调谐的外腔半导体可调谐激光器，基于微机电系统(MEMS)的宽带可调谐外腔激光器具有具备价格低廉的优势，还有诸如高调谐精度、高稳定性、快速调谐(微秒级)和低功耗等优点，同时能保持传统机械外腔半导体激光器光谱线宽窄、调谐范围大的优点。MEMS的制作可采用标准的光刻工艺来实现，整个器件可以采用无源对准的光纤耦合方式和普通的蝶形(butterfly)封装，可以实现工业上大规模的生产，还便于与其它光学器件集成。MEMS可调谐激光器的不足之处在于其边模抑制比稍小(约20dB)，但是本发明中，我们使用下行信号光对其进行注入锁定，一方面能实现输出波长和ITU-T波长的自对准，同时能显著的增加其边模抑制比，满足波分时分混合无源光网络系统对光网络单元中的光源的要求。

附图说明

通过结合附图进行的具体实施例的以下描述，本发明的目的、特征及优点将更加清晰。

图1是表示本发明的第1实施例涉及的波分时分混合无源光网络系统的具体结构的框图。(基于注入锁定的直接调制MEMS可调谐激光器的WDM-TDM-PON，注入光为CO端下行单波长光源)

图2是表示本发明的第2实施例涉及的波分时分混合无源光网络系统的具体结构的框图。

图3是表示本发明的波分时分混合无源光网络系统中使用的MEMS可调激光器的具体结构的示意图。

图4是表示本发明的波分时分混合无源光网络系统中使用的改进型取样光纤光栅MEMS可调谐激光器的具体结构的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细说明本发明的具体实施方式。需要注意的是，本发明涉及的利用MEMS可调谐激光器的波分时分混合无源光网络系统的实施方式仅仅作为示例，而不是用于限定本发明的保护范围。

(第1实施例)

首先，参照图1说明本发明的第1实施例涉及的波分时分混合无源光网络系统。本实施例中，注入光可以是由中心局端的下行单波长光源发出的光。

图1是表示本发明的第1实施例涉及的波分时分混合无源光网络系统的具体结构的框图。如图1所示，波分时分混合无源光网络系统包括中心局10、多个光网络单元20-1、…、20-N和位于上述中心局10与多个光网络单元20-1、…20-N的远端节点30。

其中，中心局10包括用于产生具有不同波长λ₁、λ₂、……λ_N的多种下行信号光的多个光源11-1、11-2…11-N，接收来自上述远端节点30的具有不同波长λ₁、λ₂、……λ_N的多种上行信号光的多个接收机13-1、13-2…13-N，以及对上述下行信号光和上行信号光进行复用或分离的多路复用/解复用器12-1、12-2。在本实施例中例如采用阵列波导光栅(AWG)作为多路复用/解复用器，多个接收机可使用雪崩二极管(APD)或者PIN二极管。

此外，上述多个光网络单元20-1、…20-N分别具备环行耦合器32、多模干涉仪33、下行数据接收机34、注入锁定MEMS可调谐激光器35，该多模干涉仪33隔着环行耦合器32同远端节点30连接，下行数据接收机34和注入锁定MEMS可调谐激光器35连接到上述多模干涉仪33上。

另外，中心局10和远端节点30通过长距离的传输光纤和外部环形耦合器22连接，多个光网络单元20-1、…20-N并联在远端节点30上。

下面，说明具备上述结构的波分时分混合无源光网络系统的工作过程。

首先，由中心局10的上述多个光源11-1、11-2…11-N发出的不同波长λ₁、λ₂、……λ_N的多种下行信号光，由多路复用/解复用器12复用之后，经由传输光纤21和外部环行耦合器22被传送到远端节点30。然后，在远端节点30中对传输来的下行信号光进行解复用，得到不同波长的信号光，并且使这些不同波长的信号光从不同的端口进入到各光网络单元20-1、…、20-N。在各光网络单元20-1、…、20-N中，传输来的下行信号光经过多模干涉仪33后分成两路光，其中一路光作为信号光传输到下行数据接收机34，另一路作为注入光传输到MEMS可调谐激光器35。在此，多模干涉仪33的分光比可依据光接收机34的灵敏度和MEMS可调谐激光器35对注入光的功率波长要求进行调整。

进一步，说明上行信号光的传输过程。上述注入光进入MEMS可调谐激光器35之后，其波长被锁定，输出高边模抑制比的上行信号光。上行信号光经环行耦合器32传输到远端节点30，在远端节点30中对该上行信号进行解复用而得到信号光，再经由外部环形耦合器22和长距离的传输光纤之后，被中心局10内的各接收机13-1、13-2、…13-N接收。在此，被加载到MEMS可调谐激光器35的上行信号光可以是时分复用的数据信号。

另外，由于本实施例采用光注入锁定，为了消除背向瑞利散射对接收信号的影响，传输从中心局10发出的下行信号光和返回中心局10的上行信号光的光纤可以采用不同的单模光纤。

(第2实施例)

接着，参照图2说明本发明的第2实施例涉及的波分时分混合无源光网络系统。在本实施例中，注入光可以是由中心局端的下行宽谱光源发出的光。

图2是表示本发明的第2实施例涉及的波分时分混合无源光网络系统的具体结构的框图。第2实施例涉及的波分时分混合无源光网络系统具备与第1实施例相似的结构，对于与第1实施例相同的构成要素赋予相同的附图标记并省略对其详细说明，在此只说明不同的结构特征。

其中，中心局10除了具备多个光源11-1、11-2…11-N、多个接收机13-1、13-2…13-N以及多路复用/解复用器12之外，在与多个光源11-1、11-2…11-N连接的复用/解复用器12-1上，还连接着耦合器14，另外，还具备宽谱光源15，从该宽谱光源15发出的宽谱种子光被传送到耦合器14。

此外，本实施例的多个光网络单元20-1、…20-N同第一实施例的多个光网络单元20-1、…20-N相比，区别结构仅在于用复用/解复用器38代替了多模干涉仪33。

另外，中心局10和远端节点30同样通过长距离的传输光纤和外部环形耦合器22连接，多个光网络单元20-1、…、20-N并联在远端节点30上。

下面，说明具备上述结构的波分时分混合无源光网络系统的工作过程。

首先，由中心局10的上述多个光源11-1、11-2…11-N发出的C波段的不同波长λ₁、λ₂、……λ_N的多种下行信号光，由复用/解复用器12-1复用之后进入到耦合器14，此外，来自宽谱光源的宽谱种子光也被传输到该耦合器14中，在此，下行信号光和宽谱种子光混合。然后，混合后的信号光经由外部环行耦合器22和传输光纤21被传送到远端节点30。然后，在远端节点30中对传输来的下行信号光进行解复用，得到不同波长的信号光，并且使这些不同波长的信号光从不同的端口进入到各光网络单元20-1、…、20-N。在各光网络单元20-1、…、20-N中，传输来的下行信号光经过复用/解复用器38解复用成L波段和C波段的光，其中C波段的光被传输到下行数据接收机34，L波段的光作为注入光传输到MEMS可调谐激光器35。

进一步，说明上行信号光的传输过程。上述注入光进入MEMS可调谐激光器35之后，其波长被锁定，输出高边模抑制比的上行信号光。上行信号光经环行耦合器32传输到远端节点30，在远端节点30中对该上行信号进行解复用而得到信号光，再经由长距离的传输光纤和外部环形耦合器22之后，被中心局10内的各接收机13-1、13-2、…13-N接收。

另外，由于本实施例也采用光注入锁定，为了消除背向瑞利散射对接收信号的影响，传输从中心局10发出的下行信号光和返回中心局10的上行信号光的光纤可以采用不同的单模光纤。

在此，虽然以多模干涉仪33和复用/解复用器38(例如阵列波导光栅)为例说明了光网络单元中对下行信号光进行分离作业的光分离单元，也可以使用公知的其他光分离装置。

参照图3和图4说明本发明涉及的波分时分混合无源光网络系统中使用的MEMS可调激光器的具体结构。如图3所示，在MEMS可调激光器中，半导体激光器芯片302作为增益介质，该半导体激光器芯片302的左侧端面为光出射面，发射出的激光与单模光纤301耦合而输出。半导体激光器芯片302为基于InP或者GaAs基的法布里-泊罗激光器，其有源区为InGaAsP或InGaAlAs体材料，也可为InP/InGaAlAs、InP/InGaAsP多量子阱结构，或者InAs/GaAs量子点结构，发光中心波长为1550nm或者1310nm。而且，在半导体激光器芯片302的激射区发射的光经过外腔的平面镜303反射，重新注入半导体激光器芯片302而形成反馈。外腔的平面镜303和半导体激光器芯片302形成了一个外腔滤波器，利用MEMS驱动器控制反射镜303的镜面移动，改变外腔腔长，使滤波器中心波长发生变化，从而实现激光器波长调谐，具有分立波长调谐的特性。为了增强反馈光的强度，半导体激光器芯片302右端面可镀减反射膜，反射镜303的镜面可采用弧形结构。反射镜面303的MEMS驱动器，是基于SOI(绝缘体上的硅)的静电驱动微机械结构，可以为常见的梳状驱动器(comb drive microactuator)，驱动器上加载电压所产生的法向静电力使得镜面法向移动。随着驱动器上加载电压的增加，反射镜面能够近似线性的移动数微米，从而外腔腔长也线性增加数微米。MEMS可调谐激光器的分立调谐波长间隔和调谐范围，由半导体激光器芯片长度和外腔腔长共同决定。一个典型的取值为激光器芯片长度为405至415微米，外腔腔长为30至34微米。

参照图4可知，改进型的MEMS可调谐激光器是在半导体激光器芯片403的耦合输出端设置取样光栅光纤404来增加半导体激光器的边模抑制比，此外，还图示了对反射镜402进行驱动控制的MEMS驱动器401。由于MEMS半导体激光器内部谐振纵模和取样光纤光栅的反射谱都是梳状谱型，这两组相邻间距不等的梳状谱就如同游标卡尺的两组刻度线，波长调谐范围的扩展可借助于游标卡尺(vernier)效应。某一刻度的移动可对应于某一梳状反射峰的移动，刻度重合的位置对应于某一对反射峰重合的位置，该位置对应的刻度值即为激光器的激射波长。相比于图3结构，这种结构能增加可调谐激光器的调谐范围和增强边模抑制比，从而能够减小注入锁定光的功率，减小光链路功率预算。

最后应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限定本发明，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种波分时分混合无源光网络系统，包括中心局、多个光网络单元和位于所述中心局与多个光网络单元之间的远端节点，其特征在于：

所述中心局具备：多个光源，用于发射多种波长的下行信号光；多个接收机，分别接收从所述多个光网络单元发出且经由所述远端节点传输来的多种波长的上行信号光；以及多个复用/解复用器，对所述下行信号光和所述上行信号光进行复用及解复用；

所述远端节点用于对来自所述中心局的所述下行信号光进行解复用，并且对来自所述光网络单元的所述上行信号光进行复用；

所述光网络单元分别具备：内部环形耦合器；将所述下行信号光分离为信号光和注入光的光分离单元；接收分离后的所述信号光的下行数据接收机；以及接收所述注入光且产生所述上行信号光的微机电系统(MEMS)可调谐激光器，

其中，所述MEMS可调谐激光器是注入锁定式的MEMS可调谐激光器。

2.如权利要求1所述的波分时分混合无源光网络系统，其中，所述光分离单元是多模干涉仪或复用/解复用器。

3.如权利要求1所述的波分时分混合无源光网络系统，其中，

还具备：宽谱光源，用于产生宽谱种子光；以及耦合器，对所述下行信号光和所述宽谱种子光进行混合。

4.如权利要求2所述的波分时分混合无源光网络系统，其中，

所述中心局中的多个复用/解复用器是阵列波导光栅，并且，作为所述光分离单元的复用/解复用器是阵列波导光栅。

5.如权利要求1所述的波分时分混合无源光网络系统，其中，

在所述中心局与所述远端节点之间分别传输上行信号光和下行信号光的传输光纤是不同种类的单模光纤。