CN103916179A - 通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，该方法应用于波分复用无源光网络构架，该构架包括依次连接设置的光网络单元（1）、第一无热阵列波导光栅（3）、传输光纤（5）、第二无热阵列波导光栅（4）、以及光线路终端（2），光网络单元（1）包括可调波长光发射机（1-3），包括以下步骤：所述光线路终端（2）与光网络单元（1）之间进行开机握手；所述光线路终端（2）执行光网络单元（1）运行中的波长漂移监控；本发明方法可以在外部辅助监控的环境下对多通道可调激光器进行波长调整，从而解决了准确控制多通道可调激光器的通道波长的难题，并大大降低了对ONU处可调激光器通道定标准确性的要求。

Description

通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法
技术领域
本发明涉及一种对ONU（Optical Network Unit，光网络单元）开机及运行中的可调激光器波长进行监控的方法，具体地说，涉及在WDM-PON（Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network，波分复用无源光网络）中对用户端ONU的可调激光器波长进行实时监控，确保其运行波长正确的控制方法，本发明属于通信领域。
背景技术
WDM-PON接入网技术已发展了许多年，其中的一个瓶颈技术是无色ONU模块，早先的基于注入锁定多通道激光的无色ONU模块技术已被证实不适合在高速率情况下的应用，近年来，随着接入带宽要求的日益提高，WDM-PON接入网已转向采用多通道可调激光器来实现无色ONU功能。
众所周知，多通道可调激光器近些年来发展很快，基于SGDBR（SampledGrating Distributed Bragg Reflector，取样光栅分布布拉格反射）的多通道可调激光器产品在10Gb/s和40Gb/s系统形成规模的应用；基于外腔激光器及一些特殊半导体激光器的高端可调激光器产品甚至在100Gb/s相干系统中也获得成功应用。应该说，这些激光器用于实现无色ONU功能在技术上是完全可行的，但是由于多通道可调激光器的制造工艺复杂，而且其多通道及宽温度区间的数据定标量巨大，导致其产品生产成本始终居高不下，ONU设备的高成本已成为目前限制WDM-PON技术大规模应用的瓶颈。
如何在能够满足WDM-PON接入网应用要求的前提下，尽可能降低无色ONU的成本是当前该领域内的一个重点课题，解决这一问题针对的核心还是多通道可调激光器，毕竟多通道可调激光器占据了ONU的绝大部分硬件成本。近些年来也提出了一些有针对性的用于WDM-PON的可调激光器方案，比如基于增益管芯加外腔可调光栅结构的方案，还有基于增益管芯加外腔双共振环调谐的方案，甚至有直接采用类似SGBDR的半导体集成可调激光器管芯的方案等，所用这些产品技术在解决波长通道开机准确性及运行中波长稳定性控制方面的思路都是基本相同的，即通过激光器自行监测和控制的方法实现，这无疑增加了多通道可调激光器的技术复杂性，既包括高标准的硬件要求，也包括复杂耗时的定标测试工作量。
发明内容
本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷，提出一种通过局端OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）监控ONU可调激光器波长的方法，本发明是基于采用ONU可调光发射机的WDM-PON网络构架中实现的，通过本发明这种监控方法可大大降低对多波长可调激光器波长自校准的要求，从而实现降低该类器件成本的目标。
本发明的技术方案是：
通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：所述方法应用于波分复用无源光网络构架，所述波分复用无源光网络构架包括依次连接设置的光网络单元、第一无热阵列波导光栅、传输光纤、第二无热阵列波导光栅、以及光线路终端，光网络单元包括可调波长光发射机；所述方法包括以下步骤：步骤1、所述光线路终端与光网络单元之间进行开机握手，开机握手步骤包括：步骤1-1、光线路终端在未收到光网络单元的光信号时，不断向该光网络单元发送查询命令；步骤1-2、光网络单元在接收到所述查询命令之后，开始进行波长通道扫描，直到光线路终端接收到光网络单元发出的光信号为止，此时光线路终端向光网络单元发出“所接收的光信号的波长是正确”的确认通知；步骤1-3、光网络单元在接收到确认通知之后，锁存该波长所对应的通道，可调波长光发射机的光探测器实时记录与该通道的驱动条件相对应的光功率值，得到光功率谱线，根据光功率谱线锁定可调波长光发射机的最佳工作状态所对应的驱动条件；光网络单元完成该锁定过程后向光线路终端回复“已进入工作状态”的指令信息；步骤1-4、光线路终端收到该指令信息后确认进入通信状态。
在开机握手步骤完成后，所述光线路终端执行光网络单元运行中的波长漂移监控，其包括以下步骤为：步骤2-1、光线路终端定时接收来自光网络单元的光信号，当光线路终端检测到光信号的光功率的下降至低于光功率阈值时，光线路终端向光网络单元发出波长扫描指令；步骤2-2、光网络单元根据该波长扫描指令，在所述步骤1-3中锁存的通道的波长范围内进行波长扫描，即，向光线路终端发出连续改变波长的激光；步骤2-3、当光线路终端接收到的所述连续改变波长的激光处于最大光功率时所对应的波长不在锁存的通道的波长范围的中间位置时，指令光网络单元将扫描波长范围向光功率偏大的一侧移动，直至将扫描波长范围的中间位置移动到所述最大光功率对应的位置为止。
所述第一无热阵列波导光栅、第二无热阵列波导光栅采用高斯型无热阵列波导光栅。
所述步骤1-2中的波长通道扫描过程包括以下步骤：光网络单元连续或准连续改变可调波长光发射机的输出波长，依次遍历所有波长通道而向发出光线路终端光信号，可调波长光发射机中的光探测器实时记录光信号的光功率值。
所述步骤1-2的波长通道扫描过程中，光线路终端监测是否收到来自光网络单元的光信号。
所述可调波长光发射机包括外腔激光器栅格滤波器，其采用中心波长与标准ITU-T通道波长相对应、间隔与激光器通道间隔相同的标准具。
在所述步骤1-3中，采用跟踪光功率谱极值的算法获得光功率极值点或者采用跟踪光功率谱局部特定斜率的算法，锁定可调波长光发射机的最佳工作状态所对应的驱动条件。
本发明具有以下优点：
1）采用无热AWG进行接入路径选择的WDM-PON构架中，实施这种波长监控不需要增加任何额外的网络硬件；
2）通过开机握手以及频率复用监控的ONU波长矫正方式，可降低ONU自身波长控制精度和长期稳定性的要求，甚至也降低了该类器件出场定标和测试的要求，对于实现低成本的无色ONU具有十分重要的意义；
3）本发明提出了一种通过系统构架设施的辅助波长监控方法，配合ONU中可调激光器的现场自校准过程实现ONU多通道可调激光器的开机波长监控及其运行中波长漂移的监控，这种方法可简化对ONU多通道可调激光器的开机波长定位准确性要求，也就是降低了器件中为实现开机波长定位准确的相关硬件要求，同时也大大简化了制作过程中大量的多通道驱动数据标定和补偿修正工作，显著降低了光网络单元ONU的成本。
附图说明
图1—本发明WDM-PON网络构架中上行光信号波长不正确的情况传输示意图；
图2—本发明WDM-PON网络构架中上行光信号波长正确的情况传输示意图；
图3—本发明OLT通过握手程序引导ONU开机时工作在正确波长过程示意图；
图4—本发明通过光功率极大值判断法定位波长中心的原理图；
图5—本发明在ONU加扰扫描情况下通过OLT的ONU波长监测原理图；
其中：
1：光网络单元；             1-1：ONU光接收机；
1-2：C/L-WDM；              1-3：可调波长光发射机；
1-4：ONU控制器；
2：光线路终端；
2-1：OLT光接收机；          2-2：C/L-WDM；
2-3：OLT光发射机；          2-4：OLT控制器；
3：第一无热阵列波导光栅；
4：第二无热阵列波导光栅；
5：传输光纤；
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明。
如图1所示是本发明方法基于的WDM-PON网络构架，WDM-PON网络构架包括用户端光网络单元1、局端光线路终端2、第一无热阵列波导光栅3、第二无热阵列波导光栅4、传输光纤5，光网络单元1同第一无热阵列波导光栅3相连接，第一无热阵列波导光栅3同第二无热阵列波导光栅4通过传输光纤5相连接，第二无热阵列波导光栅4同局端光线路终端2相连接。光网络单元1由ONU光接收机1-1、C/L-WDM1-2、可调波长光发射机1-3、ONU控制器1-4组成；光线路终端2由OLT光接收机2-1、C/L-WDM2-2、OLT光发射机2-3、OLT控制器2-4组成。第一无热阵列波导光栅3和第二无热阵列波导光栅4采用高斯型无热阵列波导光栅。
图1和图2是在基于用户端采用可调波长激光器的一种WDM-PON网络构架中上/下行光信号的传输示意图，因为光线路终端OLT的通道发射波长始终是固定的（系统方的下行信号应该是常开的），所以任何时候OLT的下行光信号都能达到对应的客户，但是光网络单元ONU的上行光信号却不是这样，ONU只有在使用的时候才会打开，因此每次打开时都会有开机波长正确与否的问题，当然，新更换ONU或新安装ONU也有同样问题，凡因种种原因导致开机时上行光信号波长不是所要求的通道波长时，由于构架中的无热AWG通道选择功能将导致OLT无法接收到该光信号，只有上行光信号波长正确时才可能被OLT接收到。
本专利就是利用这种固定构架对特定通道工作波长的选择作用，通过光线路终端OLT端的波长监测作用和光线路终端OLT下行信号通畅的条件，进行光网络单元ONU开机工作波长的监测和引导，直到ONU开启波长正确并进入工作状态为止，整个波长监测和引导过程可以通过一个开机握手过程来实现。众所周知，根据光接入网的信号传输特点，OLT应该始终处于正确开机状态，只有ONU是可能处于间断性的上线或离线状态，在ONU上线过程中必然要经历一个从OLT轮询到确认ONU进入工作状态的过程，本发明的一个重要内容就是在这个从OLT轮询到确认ONU进入工作状态的过程中加入了一个ONU的波长信息辅助校正功能。
图3为OLT通过握手程序引导OUN开机时工作在正确波长过程示意图，描述了从ONU开机到波长校准，到进入正常通信并直到关机的全部过程：ONU开机之前，OLT因为没有收到上行光信号便持续向下发送一种特殊的符号“A”，相当于一种是否上线的轮询信号，根据协议该符号可被开启的ONU接收机接收并识别；用户ONU上电后收到查询命令便开始进行波长通道扫描，即ONU开机时立即做两件事，一是按设置要求打开可调波长发射机1-3，即可调激光器，二是分析接收机获得的下行信息，比如开始的时候就是符号“A”，符号“A”既是一种是否上线的轮询信号，也是波长不正确的指示信号，ONU通过识别符号“A”确认此时发射机工作波长不正确，便调整可调波长发射机即可调激光器的波长；直到ONU发射机波长正确后，OLT评估接收到的光网络单元1发出的光信号功率符合WDM-PON网络系统要求时，此时OLT收到无符号的稳定光信号便可确认ONU发射光波长正确，这时OLT便向ONU发送符号“B”；ONU识别符号“B”就可确认自身已工作在正确波长，但一般情况下，为了增强环境适应性或基于稳定控制的原因，ONU此时可能还需要进行一定的状态调整工作，在状态未完成调整时，ONU始终不向OLT发送状态确认信号，仅发射CW光信号，因此在既收到上行光信号又没有识别出上行符号的情况下，OLT仍就持续向ONU发送符号“B”，ONU则在能够持续收到符号“B”的条件下进行状态调整，从而确保调整始终在正确的波长下发生；ONU完成状态调整后将向OLT发送符号“C”，自身也就做好了通信准备，OLT在收到并识别符号“C”以后确认ONU已进入状态，随即向ONU发送符号“D”，ONU收到并确认符号“D”以后就进入通信进程；直到完成通信全部内容，ONU便关机下线，OLT因无法收到上行信号，将再次持续向下发送符号“A”，等待ONU上线。通过这样的握手过程，在OLT的辅助监控下实现了ONU发射机开机波长的正确性。
用户ONU进行波长通道扫描的具体过程为：ONU通过连续或准连续改变ONU可调波长光发射机中的多通道可调激光器的通道驱动条件，使多通道可调激光器的输出波长依次遍历所有波长通道，ONU可调波长光发射机中的光探测器可实时记录下激光器的光功率值；同时，OLT端则始终监测对应ONU是否有光功率上行，一旦收到符合WDM-PON网络系统要求的上行光功率，OLT便向对应ONU发出波长确认信号，ONU端收到波长确认信号后将当前的驱动通道锁定，同时回复OLT进入工作状态，波长通道扫描过程完成。
需要说明的是，在上面提到的ONU上电工作后，ONU通常将按预先设定的程序开启指定的波长通道，开机握手的波长信息辅助校正仅仅在ONU开启波长不正确时才会有作用，因此是一个波长正确保障功能；对于那些定标数据容易受环境温度等其他因素影响的ONU来说，这一点的确是非常重要的。
对于上面所述ONU在OLT辅助信息支持下确认发射波长正确后所进行的状态调整，则是基于稳定的考虑将发射波长设置进行适当调整的过程。显然，ONU的可调多通道光发射机自身具有波长扫描功能，在ONU中的可调波长光发射机中通过增加一个状态评估机制，在持续接收符号“B”确认波长正确的前提下通过微调波长进行状态调整，根据状态评估机制确定是否达到可稳定工作的状态。这种所谓的状态评估采用对具有ITU-T间隔周期特点的光功率进行监控来实现，很明显，光功率将在各个ITU-T的准确波长附近达到极大，见图4的功率谱线特点，用这种方法很容易判断出波长是否进入理想区域，理想区域有误差允许的波长偏差。
本发明ONU中的可调波长光发射机中增加一个状态评估机制具体为：在开机握手过程中，在波长通道扫描过程中，ONU中的可调波长光发射机自备的光探测器可实时记录下与激光器驱动条件相应的光功率值，得到光功率谱线，采用跟踪光功率谱极值的算法获得光功率极值点或者采用跟踪光功率谱局部特定斜率的算法获得斜率绝对值的最小值，从而锁定激光器的最佳工作状态所对应的激光器驱动条件，用户端光网络单元1完成该调整过程后向局端光线路终端2回复“已进入工作状态”的指令信息。在激光器最佳工作状态锁定的过程中，ONU必须全程检测OLT发来的波长确认信息，以确保在后面的光功率记录过程中激光器波长始终处于工作通道范围内，同时ONU还要通过自备的探测器探测光功率，并启动对采集的光功率谱线的分析，以便确认其谱线特征具备便于实现相应的算法和控制，该算法可以采用跟踪光功率谱极值的算法获得光功率极值点或者采用跟踪光功率谱局部特定斜率的算法。对于不适应实现相应算法和控制的谱线，ONU将通过适当修正多通道可调激光器的其他驱动条件，将光功率谱线优化成能够实现相应算法和控制的形式。
为了保证可调谐激光器标准ITU-T通道波长的准确输出，本发明采用一个可以全波段扫描的可调滤波器实现通道调谐，本发明该ONU中的可调波长光发射机采用中心波长与标准ITU-T通道波长相对应、间隔与激光器通道间隔相同的标准具作为该外腔激光器的滤波元件。多通道可调激光器的驱动通道锁定条件是基于对激光器输出光功率监控的机制实现的，对于采用标准具这种周期性光滤波器的外腔激光器而言，连续调节激光器的腔长时，激光器输出光功率呈周期性变化，这一周期与标准具的滤波带是一致的，标准具的周期与多通道激光器的通道间隔相同。通过光功率周期性随标准具滤波特性变化的特点，可采用监控算法，即采用跟踪光功率谱极值的算法获得光功率极值点或者采用跟踪光功率谱局部特定斜率的算法获得斜率绝对值的最小值来实现多通道可调激光器的驱动通道锁定。
ONU发射机的波长在工作过程中由于种种原因也可能会发生漂移，可调波长光发射机通常会采取特殊的波长锁定技术实现漂移的补偿，比如加一个波长漂移检测部件进行实时监控；再比如上面提到的光功率自检测方法，通过极值查找法来自动矫正过程可能发生的波长漂移等等；但通过增加一个波长漂移检测部件的方法显然会增加发射机的制作和较准复杂性，对于成本敏感的器件自然不太可取；如果采用上面的光功率自检测方法虽说基本可行，但在一些特殊的情况下也有可能出现问题，比如当图4的功率谱线过于平缓时，将会导致光波长在一个偏大的范围内波动却并不被察觉，如果能借助OLT的类似开机监控的方法实现过程中的波长漂移监控则可以大大提高整个系统的稳定性。因此本发明利用固定构架对特定通道工作波长的选择作用，特别是利用无热AWG的通带特点，高斯型的光滤波器通带谱具有很好的波长敏感性，这样本来对波长不敏感的激光器输出功率在经过高斯型无热AWG滤波带后，输出功率对波长的敏感度增加。通过OLT与ONU的一种互动过程，作为通常的ONU波长锁定过程的一个辅助和补充，在通信过程中对ONU发射光波长进行实时监测和动态矫正，具体的做法是：OLT一侧在完成开机握手程序后一般不再向ONU发送针对可调波长光发射机波长的指令信息，但是OLT会定时接收和分析ONU光信号，如果ONU的光信号发生过大波长偏离，即通过有无热AWG的对应传输通道时就会增加光损耗，因此在OLT检测到超过系统设定的光功率阈值的光功率下降时，OLT侧则认为ONU出现波长偏离，这时OLT将向ONU侧发出波长扫描指令，波长扫描范围为开机握手过程中的锁定通道内，波长扫描的范围可以根据测试结果适当调整。对应的ONU根据命令进行波长扫描，见图5的原理，OLT根据最大光功率是否出现在扫描波长的中间位置判断ONU当前的中心波长是否出现明显漂移，如果扫描发现最大光功率不出现在扫描起始波长的中间，则命令ONU将扫描波长向光功率偏大的一侧移动，直到最大光功率出现在扫描起始波长的中间，到此就完成一次纠偏过程，OLT回到定时接收和分析ONU光信号过程。需要指出的是，由于本过程是在正常OLT与ONU通信进程中同步完成，因此，前面所述的扫描过程均发生在一个实现定义的范围内，而且所有的针对波长漂移和调整波长的信息传输通过一个很低频的小幅信号与正常通信信号复用来实现。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：所述方法应用于波分复用无源光网络构架，所述波分复用无源光网络构架包括依次连接设置的光网络单元（1）、第一无热阵列波导光栅（3）、传输光纤（5）、第二无热阵列波导光栅（4）、以及光线路终端（2），光网络单元（1）包括可调波长光发射机（1-3）；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、所述光线路终端（2）与光网络单元（1）之间进行开机握手，开机握手步骤包括：
步骤1-1、光线路终端（2）在未收到光网络单元（1）的光信号时，不断向该光网络单元（1）发送查询命令；
步骤1-2、光网络单元（1）在接收到所述查询命令之后，开始进行波长通道扫描，直到光线路终端（2）接收到光网络单元（1）发出的光信号为止，此时光线路终端（2）向光网络单元（1）发出“所接收的光信号的波长是正确”的确认通知；
步骤1-3、光网络单元（1）在接收到确认通知之后，锁存该波长所对应的通道，可调波长光发射机（1-3）的光探测器实时记录与该通道的驱动条件相对应的光功率值，得到光功率谱线，根据光功率谱线锁定可调波长光发射机（1-3）的最佳工作状态所对应的驱动条件；光网络单元（1）完成该锁定过程后向光线路终端（2）回复“已进入工作状态”的指令信息；
步骤1-4、光线路终端（2）收到该指令信息后确认进入通信状态。
2.根据权利要求1所述的通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：在开机握手步骤完成后，所述光线路终端（2）执行光网络单元（1）运行中的波长漂移监控，其包括以下步骤为：
步骤2-1、光线路终端（2）定时接收来自光网络单元（1）的光信号，当光线路终端（2）检测到光信号的光功率的下降至低于光功率阈值时，光线路终端（2）向光网络单元（1）发出波长扫描指令；
步骤2-2、光网络单元（1）根据该波长扫描指令，在所述步骤1-3中锁存的通道的波长范围内进行波长扫描，即，向光线路终端（2）发出连续改变波长的激光；
步骤2-3、当光线路终端（2）接收到的所述连续改变波长的激光处于最大光功率时所对应的波长不在锁存的通道的波长范围的中间位置时，指令光网络单元（1）将扫描波长范围向光功率偏大的一侧移动，直至将扫描波长范围的中间位置移动到所述最大光功率对应的位置为止。
3.根据权利要求1或2所述的通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：所述第一无热阵列波导光栅（3）、第二无热阵列波导光栅（4）采用高斯型无热阵列波导光栅。
4.根据权利要求1或2所述的通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：所述步骤1-2中的波长通道扫描过程包括以下步骤：光网络单元（1）连续或准连续改变可调波长光发射机（1-3）的输出波长，依次遍历所有波长通道而向发出光线路终端（2）光信号，可调波长光发射机（1-3）中的光探测器实时记录光信号的光功率值。
5.根据权利要求4所述的通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：所述步骤1-2的波长通道扫描过程中，光线路终端（2）监测是否收到来自光网络单元（1）的光信号。
6.根据权利要求1或2所述的通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：所述可调波长光发射机（1-3）包括外腔激光器栅格滤波器，其采用中心波长与标准ITU-T通道波长相对应、间隔与激光器通道间隔相同的标准具。
7.根据权利要求1或2所述的通过局端光线路终端监控用户端可调激光器波长的方法，其特征在于：在所述步骤1-3中，采用跟踪光功率谱极值的算法获得光功率极值点或者采用跟踪光功率谱局部特定斜率的算法，锁定可调波长光发射机（1-3）的最佳工作状态所对应的驱动条件。
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