CN103747371B - 一种时分波分混合复用无源光网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种时分波分混合复用无源光网络系统，主要由光线路终端、光分配网和n个用户单元组成；光线路终端通过时分复用和波分复用相结合的方式产生光信号，经长距离标准单模光纤传输至光分配网，并由光分配网将光信号传送至各个光网络单元。系统采用一种新型的时分复用和波分复用相结合的方法，利用光开关阵列和一个高速双臂马赫‑曾德尔调制器以时间片的方式对不同波长的光信号进行调制。这种方法可以简化系统协议的复杂度，极大提高系统带宽的利用率，从而降低系统成本，增大通信系统无中继传输距离，以及增强系统后期升级能力。

Description

一种时分波分混合复用无源光网络系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种时分波分混合复用无源光网络系统。

背景技术

从整个网络结构来看，随着通信技术的迅猛发展，使得主干网络有了突破性的发展；同时由于以太网技术的进步，局域网带宽也发展到1Gbps以上。而连接主干网络与局域网以及家庭用户之间的一段有线电域接入网成了整个网络系统的瓶颈。因此光无源接入网由于其高带宽、低损耗等优势成了接入网最优的解决方案。

就目前看来，无源光接入网的发展趋势是由APON（ATM-PON）发展到EPON和GPON（APON、EPON、GPON都是属于TDM-PON一种），并最终将向WDM-PON演进。APON经过多年的发展，由于其复杂的ATM协议以及昂贵的设备，使之没有真正进入市场。而EPON和GPON是目前应用最广泛的两种接入网，两者的带宽都达到了1Gbps以上，并且下一代的EPON和GPON的速率将升级到10Gbps，然而器件速率的限制以及协议复杂等相关局限性，EPON和GPON很难再往更高的带宽进一步发展。因此WDM-PON将是最终的解决方案。WDM-PON是以不同波长为通信通道，一对一的方式连接用户，为用户提供独立带宽空间，同时也避免了E/GPON存在的许多问题，在网络管理和系统升级等方面具有明显的优势。虽然WDM-PON在技术性能上比较占优势，但它同时是一项比较超前的技术，国际统一标准尚未形成，产业链未达成共识。与此同时，WDM-PON成本很高，有些技术难题未解决，难以广泛普及应用。

鉴于以上情况，有人提出了TDM-PON和WDM-PON相结合的方式，形成一个TDM向WDM演进的PON方案。TDM/WDM-PON拥有着TDM-PON低成本和成熟技术的优势，也兼并着WDM-PON的高带宽，长距离传输等特点。然而，目前的TDM/WDM-PON在ODN端都采用光分路器作为ONU连接端，将光信号的功率分为N等分（N为用户数量），这样不仅缩短了传输距离，并且还需要严格的时间同步才能完成多用户上行数据的传输。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种时分波分混合复用无源光网络系统，其可以简化系统协议的复杂度，极大提高系统带宽的利用率，从而降低系统成本，增大通信系统无中继传输距离，以及增强系统后期升级能力。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种时分波分混合复用无源光网络系统，主要由光线路终端、光分配网和n个用户单元组成。其中光线路终端包括n个分布式反馈激光器、n个光分路器、n个马赫-曾德尔光开关、3个阵列波导光栅复用器、双并行马赫-曾德尔调制器、混频器、本地高频振荡器、直流偏置控制器、光耦合器、n个光电探测器和第一掺铒光纤放大器。每个分布式反馈激光器的输出端连接一个光分路器的输入端。每个光分路器的一个输出端连接至第一阵列波导光栅复用器的n个输入端中的其中一个，另一个输入端各经一个马赫-曾德尔光开关连接至第二阵列波导光栅复用器的n个输入端中的其中一个。第一阵列波导光栅复用器的输出端直接连接光耦合器的一个输入端，第二阵列波导光栅复用器的输出端经双并行马赫-曾德尔调制器后连接至光耦合器的另一个输入端。光耦合器的输出端连接第一掺铒光纤放大器的输入端。终端下行数据和本地高频振荡器连接在混频器的2个输入端上，混频器的输出端连接双并行马赫-曾德尔调制器的射频信号输入端。直流偏置控制器连接双并行马赫-曾德尔调制器的直流电压控制端。第三阵列波导光栅复用器的n个输出端各经一光电探测器后输出n路终端上行数据。第一掺铒光纤放大器的输出端连接光分配网的总输入端，光分配网的n个分输出端各连接1个用户单元的输入端。光分配网的n个分输入端各连接1个用户单元的输出端。光分配网的总输出端连接第三阵列波导光栅复用器的输入端。

上述方案中，光分配网包括2个阵列波导光栅复用器和2个标准单模光纤。第一掺铒光纤放大器的输出端经第一标准单模光纤连接第四阵列波导光栅复用器的输入端。第五阵列波导光栅复用器的输出端经第二标准单模光纤连接第三阵列波导光栅复用器的输入端。第四阵列波导光栅复用器的n个输出端分别连接n个用户单元的输入端。第五阵列波导光栅复用器的n个输入端分别连接n个用户单元的输出端。

上述方案中，每个用户单元包括光梳状滤波器、2个可调谐光滤波器、光电转换器、IM调制器和第二掺铒光纤放大器。第四阵列波导光栅复用器的n个输出端各连接1个用户单元的光梳状滤波器的输入端。光梳状滤波器的一个输出端经一可调谐光滤波器连接光电转换器的输入端，光电转换器的输出端输出用户下行数据。光梳状滤波器的另一个输出端经另一可调谐光滤波器连接第二掺铒光纤放大器的输入端，第二掺铒光纤放大器的输出端连接IM调制器的输入端，IM调制器的控制端连接用户上行数据。第五阵列波导光栅复用器的n个输入端个连接1个用户单元的IM调制器的输出端。

上述方案所述IM调制器（强度调制器）为ROSA调制器（反射式半导体光放大器）。

上述方案所述n的取值范围介于8～32之间。

上述方案所述n的取值为32。

上述方案所述n个分布式反馈激光器组成的激光器阵列的工作波长为1530～1560nm。

上述方案所述每2个分布式反馈激光器之间的波长间隔0.8nm。

上述方案所述每个光分路器的分光比为1:1.

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、利用一组光开关阵列和一个高速铌酸锂双并行马赫曾德尔调制器对多路不同光波长进行高速调制，实现了系统分时复用的控制技术。OLT发射出的光信号频谱，在不同的时间段将数据信号调制到不同的光载波上，再利用不同波长的波分复用技术优点，就可将数据信号传输到对应的ONU。这样实现了时分复用和波分复用相结合的技术。相对于WDM-PON而言，本发明可以节省了大量的调制器，降低了系统成本。

2、在OLT利用光分路器和AWG分离出一部分光，用作ONU上行链路的种子光。这样实现了无色ONU技术，使得ONU无需额外的激光光源，进一步降低了ONU成本。

3、本发明除了OLT之外，ODN和OUN结构与WDM-PON是相似的，使得日后向WDM-PON升级时不再需要重新铺设光纤线路和更换ONU设备，这极大的降低了升级成本。

4、系统带宽升级灵活，从OLT结构的设计角度出发，每当增加一个双并行马赫曾德尔调制器就可使系统带宽增加一倍。增加一个调制器时，只需改动很小部分线路。并随着将来技术的进步，器件成本的降低，增加足够多的调制器就可以完全实现WDM-PON方案。

5、本发明的TDM-WDM PON无需测距、时间同步、突发接收等操作，而且上行链路是WDM工作方式，将使得上行与下行分离，提高了系统带宽，并且保留了WDM-PON的数据高度保密性。

附图说明

图1为一种时分波分混合复用无源光网络系统的结构框图。

具体实施方式

一种时分波分混合复用无源光网络系统，如图1所示，主要由光线路终端OLT、光分配网ODN和n个用户单元ONU组成。

光线路终端OLT包括n个分布式反馈激光器1-1、n个1×2光分路器1-2、n个马赫-曾德尔光开关1-3、3个阵列波导光栅复用器1-4、1-5、1-13、双并行马赫-曾德尔调制器1-6、混频器1-7、本地高频振荡器1-8、直流偏置控制器1-10、光耦合器1-11、n个光电探测器1-14和第一掺铒光纤放大器1-12。每个分布式反馈激光器1-1的输出端连接一个光分路器1-2的输入端。每个光分路器1-2的一个输出端连接至第一阵列波导光栅复用器1-4的n个输入端中的其中一个，另一个输入端各经一个马赫-曾德尔光开关1-3连接至第二阵列波导光栅复用器1-5的n个输入端中的其中一个。第一阵列波导光栅复用器1-4的输出端直接连接光耦合器1-11的一个输入端，第二阵列波导光栅复用器1-5的输出端经双并行马赫-曾德尔调制器1-6后连接至光耦合器1-11的另一个输入端。光耦合器1-11的输出端连接第一掺铒光纤放大器1-12的输入端。终端下行数据1-9和本地高频振荡器1-8连接在混频器1-7的2个输入端上，混频器1-7的输出端连接双并行马赫-曾德尔调制器1-6的射频信号输入端，直流偏置控制器1-10连接双并行马赫-曾德尔调制器1-6的直流电压控制端。第三阵列波导光栅复用器1-13的n个输出端各经一光电探测器1-14后输出n路终端上行数据1-15。

光分配网ODN包括2个阵列波导光栅复用器2-2、2-3和2个标准单模光纤2-1、2-4。第一掺铒光纤放大器1-12的输出端经第一标准单模光纤2-1连接第四阵列波导光栅复用器2-2的输入端。第五阵列波导光栅复用器2-3的输出端经第二标准单模光纤2-4连接第三阵列波导光栅复用器1-13的输入端。第四阵列波导光栅复用器2-2的n个输出端分别连接n个用户单元ONU的光梳状滤波器3-1的输入端。第五阵列波导光栅复用器2-3的n个输入端分别连接n个用户单元ONU的IM调制器3-5的输出端。

每个用户单元ONU包括光梳状滤波器3-1、2个可调谐光滤波器3-2、光电转换器3-3、IM调制器3-5和第二掺铒光纤放大器3-4。光梳状滤波器3-1的一个输出端经一可调谐光滤波器3-2连接光电转换器3-3的输入端，光电转换器3-3的输出端输出用户下行数据3-6。光梳状滤波器3-1的另一个输出端经另一可调谐光滤波器3-2连接第二掺铒光纤放大器3-4的输入端，第二掺铒光纤放大器3-4的输出端连接IM调制器3-5的输入端，IM调制器3-5的控制端连接用户上行数据3-7。

在本发明中，所述分布式反馈激光器1-1的数量与用户单元ONU的数量相同。在本实施例中，用户数量即用户单元ONU的数量为32个，此时所需要的分布式反馈激光器1-1的数量也为32个。这32个分布式反馈激光器1-1所组成的激光器阵列的工作波长为1530～1560nm。每2个分布式反馈激光器1-1之间的波长间隔0.8nm如：1530nm，1530.8nm，1531.6nm，……。每个分布式反馈激光器1-1的线宽越大，系统误码率就越大，因此在本发明中，所述分布式反馈激光器1-1的线宽为10MHz。每个1×2光分路器1-2的分光比为1:1。本发明的下行链路通信带宽为40Gbps，平均每个用户获得1Gbps的带宽；每个用户的上行链路通信带宽为1Gbps。

本发明的工作过程如下：

在光线路终端OLT中，多路不同波长分布式反馈激光器1-1输出连续的激光信号经过光分路器1-2，将每路波长的光信号分为两部分。一部分输入至第一阵列波导光栅复用器1-4，并复用到一路光纤中。另一部分输入至马赫-曾德尔光开关1-3，再传输给第二阵列波导光栅复用器1-5进行复用；然后，不同波长的光信号将输入至双并行马赫-增德尔调制器1-6进行下行数据调制。在电域里，通过设置直流偏置控制器1-10、高频本地振荡器1-8和混频器1-7的参数来实现光载波抑制调制格式。由于对光开关进行有序控制，不同时间段内只开通一路波长的光信号，使其被调制，从而实现时分复用的控制方法，达到了在不同时间段对不同波长进行信号调制的效果。

上述被调制的光信号与第一阵列波导光栅复用器1-4复用的信号经光耦合器1-11耦合后，经过第一掺铒光纤放大器1-12放大，输入到光分配网ODN里的标准的第一标准单模光纤2-1中传输，再由第四阵列波导光栅复用器2-2解复用，分离出不同波长的光信号并输入给不同的用户单元ONU。在每个用户单元ONU里，输入的光信号先经过光梳状滤波器IL3-1和两个可调谐光滤波器TOF3-2分离出光载波信号和光副载波信号；光副载波信号经光电转换器3-3转换为电信号，经电域处理后得到下行用户数据，而光载波信号由第二掺铒光纤放大器3-4放大后，再输入至IM调制器3-5，被用作上行用户数据的载波，实现了无色ONU，即用户单元ONU里无需额外的激光器。被调制后的多路光信号在又在光分配网ODN里经第五阵列波导光栅复用器2-3复用，并经过第二标准单模光纤2-4传输至光线路终端OLT，再由第三阵列波导光栅复用器1-13解复用后，每路光信号分别经光电探测器1-14转换为电信号，经过相应处理后得到上行用户数据。

Claims (9)

1.一种时分波分混合复用无源光网络系统，主要由光线路终端OLT、光分配网ODN和n个用户单元ONU组成；其特征在于：

光线路终端OLT包括n个分布式反馈激光器(1-1)、n个光分路器(1-2)、n个马赫-曾德尔光开关(1-3)、3个阵列波导光栅复用器(1-4、1-5、1-13)、双并行马赫-曾德尔调制器(1-6)、混频器(1-7)、本地高频振荡器(1-8)、直流偏置控制器(1-10)、光耦合器(1-11)、n个光电探测器(1-14)和第一掺铒光纤放大器(1-12)；每个分布式反馈激光器(1-1)的输出端连接一个光分路器(1-2)的输入端；每个光分路器(1-2)的一个输出端连接至第一阵列波导光栅复用器(1-4)的n个输入端中的其中一个，另一个输入端各经一个马赫-曾德尔光开关(1-3)连接至第二阵列波导光栅复用器(1-5)的n个输入端中的其中一个；第一阵列波导光栅复用器(1-4)的输出端直接连接光耦合器(1-11)的一个输入端，第二阵列波导光栅复用器(1-5)的输出端经双并行马赫-曾德尔调制器(1-6)后连接至光耦合器(1-11)的另一个输入端；光耦合器(1-11)的输出端连接第一掺铒光纤放大器(1-12)的输入端；终端下行数据(1-9)和本地高频振荡器(1-8)连接在混频器(1-7)的2个输入端上，混频器(1-7)的输出端连接双并行马赫-曾德尔调制器(1-6)的射频信号输入端；直流偏置控制器(1-10)连接双并行马赫-曾德尔调制器(1-6)的直流电压控制端；第三阵列波导光栅复用器(1-13)的n个输出端各经一光电探测器(1-14)后输出n路终端上行数据(1-15)；

第一掺铒光纤放大器(1-12)的输出端连接光分配网ODN的总输入端，光分配网ODN的n个分输出端各连接1个用户单元ONU的输入端；光分配网ODN的n个分输入端各连接1个用户单元ONU的输出端；光分配网ODN的总输出端连接第三阵列波导光栅复用器(1-13)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：

光分配网ODN包括2个阵列波导光栅复用器(2-2、2-3)和2个标准单模光纤(2-1、2-4)；第一掺铒光纤放大器(1-12)的输出端经第一标准单模光纤(2-1)连接第四阵列波导光栅复用器(2-2)的输入端；第五阵列波导光栅复用器(2-3)的输出端经第二标准单模光纤(2-4)连接第三阵列波导光栅复用器(1-13)的输入端；第四阵列波导光栅复用器(2-2)的n个输出端分别连接n个用户单元ONU的输入端；第五阵列波导光栅复用器(2-3)的n个输入端分别连接n个用户单元ONU的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：

每个用户单元ONU包括光梳状滤波器(3-1)、2个可调谐光滤波器(3-2)、光电转换器(3-3)、IM调制器(3-5)和第二掺铒光纤放大器(3-4)；第四阵列波导光栅复用器(2-2)的n个输出端各连接1个用户单元ONU的光梳状滤波器(3-1)的输入端；光梳状滤波器(3-1)的一个输出端经一可调谐光滤波器(3-2)连接光电转换器(3-3)的输入端，光电转换器(3-3)的输出端输出用户下行数据(3-6)；光梳状滤波器(3-1)的另一个输出端经另一可调谐光滤波器(3-2)连接第二掺铒光纤放大器(3-4)的输入端，第二掺铒光纤放大器(3-4)的输出端连接IM调制器(3-5)的输入端，IM调制器(3-5)的控制端连接用户上行数据(3-7)；第五阵列波导光栅复用器(2-3)的n个输入端各连接1个用户单元ONU的IM调制器(3-5)的输出端。

4.根据权利要求3所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：所述IM调制器(3-5)为ROSA调制器。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：所述n的取值范围介于8～32之间。

6.根据权利要求5所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：所述n的取值为32。

7.根据权利要求1所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：n个分布式反馈激光器(1-1)组成的激光器阵列的工作波长为1530～1560nm。

8.根据权利要求7所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：每2个分布式反馈激光器(1-1)之间的波长间隔0.8nm。

9.根据权利要求1所述的一种时分波分混合复用无源光网络系统，其特征在于：每个光分路器(1-2)的分光比为1:1。