CN104301810A - 一种基于相切环结构的波分复用无源光网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，属于光纤通信技术领域。本发明的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统包括由光线路终端OLT通过双光纤连接M个远端节点RN形成的主环，以及以主环上任意一个远端节点RN为切点通过光纤与N个远端节点RN相连构成的子环，每个远端节点RN通过分布光纤连接有光网络单元ONU。当馈线光纤的某一段出现故障时，采用光开关和光环形器的组合实现信号在主环和子环沿顺时针或逆时针传输到达各远端节点RN，及时为信号传输寻找新的路径，实现对系统的保护，波长的动态调度和规模的扩展功能。

Description

一种基于相切环结构的波分复用无源光网络系统

技术领域

本发明涉及一基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，属于光纤通信技术领域。

背景技术

波分复用无源光网络(WDM-PON)技术可以在不改变物理基础设备的情况下通过增加光纤中传输的波长数量实现带宽升级，大幅度提升网络的传输容量，实现虚拟的点对点传输，且各个用户之间不共享信息，防止信息泄露，具有较好的安全性，在光接入网中拥有广阔的应用前景，被认为是光纤到户未来演进的最终选择。目前对于WDM-PON的研究主要是基于静态波长分配的类型，波长在远端节点RN中向光网络单元ONU侧的下路是固定的，在系统用户或用户需求变动的时侯，不能在系统内部实现波长的动态调度，在用户变动或增减时，给系统的波长的调度带来不便。同时WDM-PON系统架构方面主要还是以星形、树形等基本拓扑为重点。光网络具有极高的传输速率，因此当出现故障时，在尽可能短的时间内为被中断的业务寻找新的传输路由和自愈方案也是十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，以解决目前波分复用无源光网络系统由于其拓扑结构导致的系统可靠性低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，该网络系统包括由光线路终端OLT通过双光纤连接M个远端节点RN形成的主环，以及以主环上任意一个远端节点RN为切点通过光纤与N个远端节点RN相连构成的子环，所述的每个远端节点RN通过分布光纤连接有光网络单元ONU。

所述的光线路终端OLT包括一组发射机、一组接收机、发射阵列波导光栅AWG、接收阵列波导光栅AWG、光环形器和光耦合器，发射机和接收机分别通过发射波导光栅和接收波导光栅连接到光环形器，光环形器连接到光耦合器，光耦合器通过光开关连接到主环上的双光纤。

所述切点远端节点装置包括有用于将光信号分成三路的光分配器和用于与光网络单元连接的波导光栅，所述光分配器的输入端通过光开关连接至主环光纤，所述光分配器一个输出端与阵列波导光栅AWG相连，另外两个输出端通过相应的光环形器或光耦合器分别与主环光纤和子环光纤连接。

所述光分配器的三个输出端中至少一个输出支路上设置有波长阻阻塞器，用于滤除不属于本路所需波长的信号。

所述光分配器与子环光纤之间的传输支路上设置有两个并列的光环形器，所述的两个并列的光环形器的第一端口都通过第二光耦合器与光分配器的输出端相连，第二端口都分别通过相应的光开关连接至子环光纤，其中一个光环形器的第一端口与第二光耦合器之间串接有通断光开关。

所述的光分配器为第一光耦合器，第一光耦合器的输入端通过第一光环形器连接至光开关。

所述的远端节点装置包括将光信号分成两路的第一光耦合器和与光网络单元连接的阵列波导光栅AWG，所述第一光耦合器的输入端通过光开关连接至环形光纤网络，所述第一光耦合器的一个输出端与阵列波导光栅AWG相连，另外一个输出端通过第一光环形器与环形光纤网络连接。

所述第一光耦合器的输出端和第一光环形器的第一端口之间设置有波长阻断器WB，用于滤除属于与本远端节点相连的光网络单元所接收的信号。

所述的第一光耦合器输出端和阵列波导光栅AWG之间设置有第二光环形器，所述第二光环形器的第一端口与第一光耦合器的输出端相连，第二端口与阵列波导光栅AWG相连。

所述的远端节点装置还设置有第三光环形器，该第三光环形器的第二端通过光开关与环形光纤网络连接，第三端与第一光耦合器的输入端相连。

本发明的有益效果是：本发明是基于相切环结构的波分复用无源光网络系统包括由光线路终端OLT通过双光纤连接M个远端节点RN形成的主环，以及以主环上任意一个远端节点为切点通过光纤与N个远端节点RN相连构成的子环，所述的每个远端节点通过分布光纤连接有光网络单元ONU。在光线路终端OLT处用两个1×3光开关的切换实现下行信号通过主环的内/外光纤环可以沿顺时针或逆时针传输到达主环远端结RN，当主环馈线光纤的某一段出现故障时，及时为信号传输寻找新的路径，实现对系统的保护；同时在相切环切点RN_m处用光开关和光环形器的组合可以实现下行信号在子环沿顺时针或逆时针传输到达子环各远端节点RN，从而实现对网络各级节点的保护，波长的动态调度和规模的扩展功能。

附图说明

图1为本发明光线路终端OLT结构示意图；

图2为本发明的网络拓扑结构切点远端节点RN_m结构及其所连光网络单元ONU结构的示意图；

图3为主环远端结点RN内部结构示意图；

图4为子环远端节点RN内部结构的示意图；

图5为正常工作模式下网络中信号传输示意图；

图6为主环单纤故障时网络中信号传输示意图；

图7为主环双纤故障时网络中信号传输示意图；

图8为子环单纤故障时网络中信号传输示意图；

图9为子环双纤故障时网络中信号传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图5所示，本发明的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统由两个相切环结构组成，其中主环由光线路终端OLT56通过两根单模光纤即主环馈线光纤57和61连接M个主环远端节点RN_a58、59、63、64和65形成，子环由主环上一个远端节点RN_m59为切点通过两根单模光纤即子环馈线光纤60和62与N个子环远端结点RN_b66、67、68和69相连构成，主环上的每个主环远端节点RN_a通过分布光纤各连接q个光网络单元ONU_a，子环上的每个子环远端节点RN_b通过分布光纤各连接q个光网络单元ONU_b，其中主环远端节点RN_a用来代表主环中的光网络单元，子环远端节点RN_b用来代表子环中的光网络单元。

下面分别来说明光线路终端OLT、主环远端节点RN_a、子环远端结点RN_b和相切环切点远端节点RN_m的结构特征和工作方式。

如图1所示，本实施例中的光线路终端OLT56包括(qM+qN)个光发射机1和光接收机2，两个阵列波导光栅AWG3和4、两个掺铒光纤放大器5和6、一个光环形器7和两个1×3光开关9、10，正常情况下，第一1×3光开关9置于上端口位置，第二1×3光开关10置于中间端口位置，(qM+qN)个光发射机1通过第一阵列波导光栅AWG3连接到第一掺铒光纤放大器5的输入端，(qM+qN)个光接收机2通过第二阵列波导光栅AWG4连接到第二掺铒光纤放大器6的输出端，第一掺铒光纤放大器5的输入端和第二掺铒光纤放大器6的输入端分别连接到光环形器7的第三端口和第一端口，光环形器7的第三端口通过光耦合器8分别与两个1×3开关9和10的左端相连，两个1×3开关9和10右侧的两个端口分别连接主环馈线光纤的内侧和外侧光纤。(qM+qN)个光发射机1提供(qM+qN)个波长，属于波段I和波段II，其中波段I的波长供与主环上各远端节点RN直接连接的光网络单元ONU使用，波段II波长供与各子环远端节点RN直接连接的光网络单元ONU使用。在正常模式下，如图5所示，下行时，所述光线路终端OLT中(qM+qN)个光发射机发送信号被第一阵列波导光栅AWG1合波，再经第一掺铒光纤放大器EDFA1和光环形器从其右端口输出，经过功率分路器分成两路，分别送至第一1×3光开关和第二1×3光开关后进入主环馈线光纤。

如图3所示，本实施例中的主环远端节点RN_a44包括2个1×2光开关、2×2光开关、1个波长阻断器WB、3个光环形器、2个光耦合器以及一个1×q阵列波导光栅AWG。第一个1×2光开关35左侧两个端口分别连接主环馈线光纤的外侧和内侧光纤，右侧端口连接2×2光开关73左边上方端口；第二个1×2光开关36左侧两个端口分别连接主环馈线光纤的内侧和外侧光纤，右侧端口连接2×2光开关73左边下方端口，2×2光开关73右侧的一个端口与第一光环形器37的第二端口相连，第一光环形器37的第三端口与第一光耦合器40的输入端相连，第一光耦合器40将光信号分成两路，一路连接至第二光环形器38的第一端口，第二光环形器38的第二端口与1×q阵列波导光栅AWG43连接，阵列波导光栅AWG43通过分布光纤连接q个光网络单元ONU45，每个光网络单元包括1个光耦合器、1个接收机和1个反射式半导体光放大器RSOA，在光网络单元ONU中下行信号通过光耦合器将信号分别送至光接收机和反射式半导体光放大器RSOA中，第二光环形器38的第三端口与第二光耦合器41的一个输入端相连，第二光耦合器的41的输出端与第三光环形器39的第三端口相连；第一光耦合器40的另一路信号连接至第三光环形器39的第一端口相连，第三光环形器39的第二端口与2×2光开关73右侧的另一个端口相连，第三光环形器39的第三端口与第二光耦合器9相连。

对于主环远端节点RN_a，下行信号从第一个1×2光开关进入，经过2×2光开关、第一光环形器之后，被第一光耦合器以功率分成两部分，这里将这两部分信号称为信号X和信号Y。信号X经过第二光环形器后，被阵列波导光栅AWG以波长为参数进行分路，分路后的信号从相应端口输出，进入相应光网络单元ONU_a，通过光网络单元ONU_a中的光耦合器按功率分波后将一部分信号送入光接收机，将另一部分光信号送入反射式半导体光放大器RSOA，信号被擦除再重调制后沿原路返回主环远端节点RN_a中，再依次经过第二光环形器、第二光耦合器、第一光环形器、2×2光开关、第一1×2光开关后回到主环外侧馈线光纤进行上行传输。信号Y从第一光耦合器输出后进入波长阻断器WB，滤除信号Y中属于与本远端节点相连的光网络单元ONU_a所接收的下行信号后，经过第三光环形器、2×2光开关和第二1×2光开关后回到主环馈线光纤的外侧光纤中。

相切环切点远端节点如图2所示，这里的相切环切点远端节点RN_m59包括1个2×2光开关、4个1×2光开关、1个通断光开关、1个波长阻断器WB、2个粗波分复用器、4个光环形器、5个光耦合器和1个1×q阵列波导光栅AWG。第一个1×2光开关11左侧两个端口分别连接主环馈线光纤的外侧和内侧光纤，右侧端口连接2×2光开关13左边上方端口；第二个1×2光开关12左侧两个端口分别连接主环馈线光纤的内侧和外侧光纤，右侧端口连接2×2光开关13左边下方端口；第三个1×2光开关26左侧端口与第三光环形器23的第二端口连接，右侧两个端口分别连接子环馈线光纤的外侧和内侧光纤；第四个1×2光开关27左侧端口与第四光环形器24的第二端口连接，右侧两个端口分别连接子环馈线光纤内侧和外侧光纤。第一光环形器14的第二端口与2×2光开关13的右边上方连接，第一光环形器14的第一端口和第三端口分别连接至第一粗波分复用器15和第二粗波分复用器16，第一粗波分复用器15将信号所属波段分成两路，一路为主环传输支路，另一路连接至第一光耦合器17，经第一光耦合器17按功率分成两部分，一部分为子环传输支路，另一部分为光网络单元传输支路。子环传输支路包括波长阻断器WB25、第二光耦合器18、第四光耦合器20、第三光耦合器19、第二粗波分复用器16、第三光环形器23和第四光环形器24，第二光耦合器18的输入端通过波长阻断器WB25与第一光耦合器17的一个输出端相连，第二光耦合器18的两个输出端分别连接至第三光环形器23和第四光环形器24的第一端口，通断光开关28串接在第二光耦合器18的输出端和第四光环形器24的第一端口之间，第三光环形器23和第四光环形器24的第三端口分别连接至第四光耦合器20的两个输入端，并经第三光耦合器19和第二粗波分复用器16连接至第一光环形器14的第一端口；光网络单元传输支路包括第二光环形器22和1个1×q阵列波导光栅AWG29，第二光环形器22的第一端口与第一光耦合器17的另一个输出端相连，第二光环形器22的第二端口与阵列波导光栅AWG29相连，第二光环形器22的第三端口与第三光耦合器19输入端相连，经第二粗波分复用器16连接至第一光环形器14的第一端口，阵列波导光栅AWG29通过分布光纤30连接q个光网络单元ONU31，每个光网络单元包括1个光耦合器32、1个接收机34和1个反射式半导体光放大器RSOA33，在光网络单元ONU31中下行信号通过光耦合器32将信号分别送至光接收机34和反射式半导体光放大器RSOA33中；主环传输支路包括第五光耦合器21和第二粗波分复用器16，第五光耦合器21的一个端口与第一粗波分复用器15的另一个输出端相连，第五光耦合器21的输出端口连接至2×2光开关13右侧的一个端口，经1×2光开关11、12连接至主环馈线光纤。

对于切点远端节点RN_m，下行信号到达后从第一1×2光开关11的上端口进入，依次通过2×2光开关、第一光环形器14和第一粗波分复用器15后，从第一粗波分复用器15上端口输出的信号被第一光耦合器17按功率分路为两部分，这里称为信号U和信号V。其中，信号U通过第二光环形器22后被阵列波导光栅AWG29以波长为参数进行分路，分路后的信号从相应端口输出，进入相应光网络单元ONU31。通过光网络单元ONU中的光耦合器32分波后将一部分信号送入光接收机34，将另一部分光信号送入反射式半导体光放大器RSOA33，信号被擦除再重调制后沿原路返回切点远端节点RN_m中，依次通过第二光环形器22、第三光耦合器19、第二粗波分复用器CWDM2、第一光环形器、2×2光开关和第一1×2光开关后回到主环馈线光纤中进行上行传输。信号V被波长阻断器WB25滤除属于主环ONU所使用的波长信号后，通过第二光耦合器18、第三光环形器23和第三1×2光开关26后，沿子环馈线光纤的外侧光纤沿顺时针方向传输。由第一粗波分复用器CWDM1右侧下方端口输出的信号，在这里称为信号W，该部分信号通过第五光耦合器21、2×2光开关下端口和第二1×2光开关12后回到主环馈线光纤中继续向下传输。

子环远端节点RN_b55如图4所示，这里的子环远端节点RN_b55包括2个1×2光开关46和47、1个2×2光开关74、1个波长阻断器WB53、3个光环形器48、49和50、2个光耦合器51和52以及一个1×q阵列波导光栅AWG54，阵列波导光栅AWG54通过分布光纤连接q个光网络单元ONU_b75。第一个1×2光开关46左侧上、下位置两个端口分别连接子环馈线光纤的外侧和内测光纤，右侧端口连接2×2光开关74左上侧端口；第二个1×2光开关47左侧上、下位置两个端口分别连接子环馈线光纤的内侧和外侧两根光纤，右侧端口连接2×2光开关74左下侧端口。子环远端节点RN_b55结构与主环远端节点RN_a44结构相同，具体的连接关系不再具体说明。

对于子环远端节点RN_b，下行信号沿子环馈线从第一个1×2光开关46左侧的上端口进入，经过2×2光开关74和第一光环形器48之后，被第一光耦合器51以功率分成两部分，这里将这两部分信号称为信号P和信号Q。信号P经过第二光环形器49后，被阵列波导光栅AWG54以波长为参数进行分路，分路后的信号从相应端口输出，进入相应光网络单元ONU_b75，通过光网络单元ONU_b75中的光耦合器分波后将一部分信号送入光接收机，另一部分光信号被送入反射式半导体光放大器RSOA，信号被擦除再发射放大重调制后沿原路进行上行传输。信号Q从第一光耦合器51输出后进入波长阻断器WB53，滤除信号Q中属于与本远端节点相连的光网络单元ONU_b75所接收的下行信号后，经过第三光环形器50、2×2光开关和第二1×2光开关后回到子环馈线光纤的外侧光纤中。

下面结合图1-4来详细说明本发明网络系统的工作原理及实现网络扩展和保护功能的过程。

(qM+qN)个光发射机1提供(qM+qN)个波长的信息，分别属于波段I和波段II，其中波段I中的波长供与主环远端节点RN_a44相连接的光网络单元ONU_a45使用，波段II中的波长供与切点远端节点RN_m5相连接的ONU31和与子环远端节点RN_b55相连接的光网络单元ONU_b75使用。

正常工作模式

正常工作模式指的是整个网络系统中所使用的光纤都完好无损时所采用的传输策略，在正常工作模式下，如图5所示，加粗线条为信号传输所使用的光纤。

主环中下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_m+1→......→RN_M

主环中上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_M→......→RN_m+1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

子环下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_*1→......→RN_*n-1→RN_*n→RN_*n+1→......→RN_*N

子环上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_*N→......→RN*_n+1→RN_*n→RN_*n-1→......→RN_*1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

下行传输时，如图1所示，所述光线路终端OLT56的(qM+qN)个光发射机1发送信号经过第一阵列波导光栅AWG3后经第一掺铒光纤放大器5、光环形器7、光耦合器8和第一1×3光开关9的上端口进入主环馈线光纤，如图5所示，下行信号在主环馈线光纤57中沿顺时针方向传输。

对于主环远端节点RN_a44来说，如图3，当下行信号依次经过主环远端节点RN₁58和一系列主环远端节点后到达主环远端节点RN_a44。下行信号依次通过第一1×2光开关35、2×2光开关73、第一光环形器37后，被第一光耦合器40分成功率相等的两部分：一部分信号通过第二光环形器38后，被阵列波导光栅AWG43按照波长解复用成q路信号并通过分布光纤被相应的光网络单元ONU_a45接收；另一部分下行信号则被波长阻断器WB42滤除本远端节点RN_a44相连接的光网络单元ONU_a45所使用的波长后，再依次通过第三光环形器39、2×2光开关73和第二1×2光开关36后回到主环馈线光纤中，并沿顺时针方向继续下行传输。相应的上行信号由下行信号被光网络单元ONU_a45中的半导体光放大器擦除信息并进行反射放大重调制来产生。上行信号从光网络单元ONU_a45通过分布光纤回到远端节点RN_a44中，依次通过阵列波导光栅AWG43、第二光环形器38、第二光耦合器41、第一光环形器37、2×2光开关73和第一1×2光开关35后回到主环馈线光纤中，沿逆时针方向最终回到光线路终端OLT56中，并被相应的接收机2接收。

如图2，对于切点远端节点RN_m59来说，当下行信号经过主环远端节点RN_m-163后到达切点远端节点RN_m59。下行信号依次经过第一1×2光开关11、2×2光开关13和第一光环形器14后被第一粗波分复用器15按照波长分成两个波段，及波段I和波段II，属于波段I的下行信号从第一粗波分复用器15右边下方端口输出，依次通过第五光耦合器21、2×2光开关13和第二1×2光开关12后回到主环中，沿顺时针方向继续进行传输。属于波段II的下行信号从第一粗波分复用器15右边上方端口输出，并被第一光耦合器17以功率方式进行分路，一部分信号通过第二光环形器22、阵列波导光栅AWG29后，通过分布光纤30后被相应的光网络单元ONU31中的光接收机34接收。另一部分属于波段II的下行信号则被波长阻断器WB25滤除被RN_m59连接的光网络单元ONU31所使用的波长后，依次通过第二光耦合器18、第三光环形器23和第三1×2光开关26后进入子环馈线光纤的外侧光纤60。与切点远端节点RN_m59相连的光网络单元ONU31发送的上行信号由下行信号被半导体光放大器RSOA33擦除有效信息并反射放大再调制产生，通过分布光纤30回到切点远端节点RN_m59后依次通过阵列波导光栅AWG29、第二光环形器22、第三光耦合器19、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，并沿逆时针方向传输，最终回到光线路终端OLT56中，如图1所示，之后依次通过第一光开关9、光耦合器8、光环形器7、第二掺铒光纤放大器6后，被第二阵列波导光栅AWG4按波长分路后，被相应的接收机RX2接收。若上行信号来自主环中切点远端节点RN_m59后的远端节点，如RN_m+165，则相应的上行信号从第二1×2光开关12回到切点远端节点RN_m59，并逐一通过2×2光开关13、第二粗波分复用器16、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，并沿逆时针方向传输，最终回到光线路终端OLT56中，被相应的接收机2接收。

如图4，对于子环远端节点RN_b55来说，当下行信号从光线路终端OLT56发出，依次经过主环远端节点RN₁58等一系列主环远端节点和切点远端节点RN_m59后，下行信号通过子环外侧馈线光纤60到达子环远端节点RN_b55。下行信号，依次通过第一1×2光开关46、2×2光开关74、光环形器48后，被功率分路器51分成功率相等的两部分：一部分信号通过第二光环形器49后，被阵列波导光栅AWG54按照波长解复用成q路信号并通过分布光纤被相应的光网络单元ONU_b75接收；另一部分下行信号则被波长阻断器WB53滤除本远端节点RN_b55相连接的光网络单元ONU_b75所使用的波长后，再依次通过第三光环形器50、2×2光开关74和第二1×2光开关47后回到子环馈线光纤中，并沿顺时针方向继续下行传输。相应的上行信号由下行信号被光网络单元ONU_b75中的半导体光放大器擦除信息并进行反射放大重调制来产生。上行信号从光网络单元ONU_b75通过分布光纤回到远端节点RN_b55中，依次通过阵列波导光栅AWG54、第二光环形器49、第二光耦合器52、第一光环形器48、2×2光开关74和第一1×2光开关46后回到主环馈线光纤中，沿逆时针方向先返回切点远端节点RN_m59，再依次经过第三1×2光开关26、第三光环形器23、第四光耦合器20、第三光耦合器19、第二粗波分复用器16、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，最终回到光线路终端OLT56中，并被相应的接收机2接收。

保护模式一

保护模式一指的是主环中一侧的馈线光纤出现故障所采用的传输策略，这里以主环外侧馈线光纤57出现故障为例进行说明，如图6所示，相应的网络节点切换到保护模式一下进行工作，该保护模式下光线路终端OLT56中第一1×3光开关9右侧将打到下端口位置，主环远端节点RN₁58中的第一1×2光开关35将至于下端口位置，这样，光线路终端OLT56与主环远端节点RN₁58之间的信号传输就通过内侧馈线光纤61来完成，加粗线条为信号传输所使用的光纤。

主环中下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_m+1→......→RN_M

主环中上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_M→......→RN_m+1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

子环下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_*1→......→RN_*n-1→RN_*n→RN_*n+1→......→RN_*N

子环上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_*N→......→RN_*n+1→RN_*n→RN_*n-1→......→RN_*1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

下行传输中，如图1所示，所述光线路终端OLT56的(qM+qN)个光发射机1发送信号经过第一阵列波导光栅AWG3后经光环形器7、光耦合器8和第一1×3光开关9的下端口进入主环馈线光纤。如图5所示，下行信号沿主环馈线光纤的内侧光纤61沿顺时针方向向远端节点RN₁58传输。在主环远端节点RN_a44、切点远端节点RN_m59和子环远端节点RN_b55与正常工作模式下的传输一样，这里不再重复描述。

保护模式二

保护模式二指的是主环中同一侧的两根馈线光纤都出现故障所采用的传输策略，如图7所示，主环馈线光纤57和61断裂，相应的网络节点切换到保护模式二下进行工作。该保护模式下光线路终端OLT56中第一1×3光开关9将置于中间端口位置，第二光开关10打到下端口位置，主环远端节点RN₁58中的第一光开关35将置于上端口位置，第二光开关36置于下端口位置。所有的主环远端节点RN_a44中的2×2光开关73和切点远端节点RN_m59中2×2光开关13均置于交叉连接状态，加粗线条为信号传输所使用的光纤。

主环中下行信号传输方向为逆时针方向(实线箭头)：

OLT→RN_M→......→RN_m+1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁

主环中上行信号传输方向为顺时针方向(虚线箭头)：

RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_m+1→......→RN_M→OLT

子环下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN_M→......→RN_m+1→RN_m→RN_*1→......→RN_*n-1→RN_*n→RN_*n+1→......→RN_*N

子环上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_*N→......→RN_*n+1→RN_*n→RN_*n-1→......→RN_*1→RN_m→RN_m+1→......→RN_M→OLT

下行方向，如图1所示，所述光线路终端OLT56的(qM+qN)个光发射机1发送信号经过第一阵列波导光栅AWG13后经光环形器7、光耦合器8、第二1×3光开关10的下端口进入主环馈线光纤。如图7所示，下行信号沿主环馈线光纤的外侧光纤61沿逆时针方向向远端节点RN_M64传输。如图3所示，对于主环远端节点RN_a44来说，当下行信号依次经过主环远端节点RN_M64和一系列主环远端节点后，到达主环远端节点RN_a44。在主环远端节点RN_a44中的上行和下行传输与正常模式基本一样，只是下行信号和上行信号都是通过第二1×2光开关36进入主环馈线光纤中，其具体的传输过程这里不再详细描述。对于切点远端节点RN_m59来说，当下行信号经过主环远端节点RN_m+165后到达切点远端节点RN_m59，如图2所示，在切点远端节点RN_m59中的上行和下行传输与正常模式基本一样，只是下行信号和上行信号都是通过第二1×2光开关12进入主环馈线光纤中，其具体的传输过程这里不再详细描述。而对于子环远端节点RN_b55而言，其下行和上行的传输过程与正常模式中的完全一样，这里不再详细说明。

保护模式三

保护模式三指的是子环中一侧的单根馈线光纤出现故障所采用的传输策略，如图8所示，子环馈线光纤的外侧光纤60断裂，相应的网络节点切换到保护模式三下进行工作，该模式下光线路终端OLT56中第一1×3光开关9将打到上端口位置，第二1×3光开关10打到中间端口位置。子环远端节点RN_*166中的第一1×2光开关46将至于下端口位置，第二1×2光开关47置于下端口位置。切点远端节点RN_m59中第三1×2光开关26置于下端口位置，加粗线条为信号传输所使用的光纤。

主环中下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_m+1→......→RN_M

主环中上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_M→......→RN_m+1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

子环下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_*1→......→RN_*n-1→RN_*n→RN_*n+1→......→RN_*N

子环上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_*N→......→RN_*n+1→RN_*n→RN_*n-1→......→RN_*1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

下行传输时，如图1，所述光线路终端OLT56的(qM+qN)个光发射机1发送信号经过第一阵列波导光栅AWG3后经光环形器7、光耦合器8和第一1×3光开关9的上端口进入主环馈线光纤，如图8所示，下行信号沿主环馈线光纤57沿顺时针方向传输，上行信号沿主环馈线光纤57沿逆时针方向传输，因此，此时主环远端节点RN_a44传输与正常模式下的传输一样，这里不再详述。而对于切点远端节点RN_m59来说，当下行信号经过主环远端节点RN_m-163后到达切点远端节点RN_m59，下行信号依次经过第一1×2光开关11、2×2光开关13和第一光环形器14后被第一粗波分复用器15按照波长分成两个波段，即波段I和波段II。属于波段I的下行信号从第一粗波分复用器15右边下方端口输出，依次通过第五光耦合器21、2×2光开关13和第二1×2光开关12后回到主环中，沿顺时针方向继续进行传输。属于波段II的下行信号从第一粗波分复用器15右边上方端口输出，并被第一光耦合器17以功率方式进行分路，一部分信号通过第二光环形器22、阵列波导光栅AWG29后被相应的光网络单元ONU31中的光接收机34接收。另一部分属于波段II的下行信号则被波长阻断器WB25滤除被RN_m59连接的光网络单元ONU31所使用的波长后，依次通过第二光耦合器18、第三光环形器23和第三1×2光开关26后进入子环馈线光纤的外侧光纤60。与切点远端节点RN_m59相连的光网络单元ONU31发送的上行信号由下行信号被半导体光放大器RSOA33擦除有效信息并反射放大再调制产生，通过分布光纤30到切点远端节点RN_m59依次通过阵列波导光栅AWG29、第二光环形器22、第三光耦合器19、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，并沿逆时针方向传输，最终回到光线路终端OLT56中，如图1所示，之后依次通过第一1×3光开关9、光耦合器8、光环形器7、第二掺铒光纤放大器6后，被阵列波导光栅AWG4按波长分路后，被相应的接收机RX2接收。若上行信号来自主环中切点远端节点RN_m59后的远端节点，如RN_m+165，则相应的上行信号从第二1×2光开关12回到切点远端节点RN_m59，并逐一通过2×2光开关13、第二粗波分复用器16、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，并沿逆时针方向传输，最终回到光线路终端OLT56中，被相应的接收机RX2接收。

如图4，对于子环远端节点RN_b55来说，当下行信号从光线路终端OLT56发出，依次经过主环远端节点RN₁58等一系列主环远端节点和切点远端节点RN_m59后，下行信号将通过子环外侧馈线光纤60到达子环远端节点RN_b55。下行信号在子环远端节点RN_b55中依次通过第一1×2光开关46、2×2光开关74、光环形器48后，被第一光耦合器51分成功率相等的两部分：一部分信号通过第二光环形器49后，被阵列波导光栅AWG54按照波长解复用成q路信号并通过分布光纤被相应的光网络单元ONU_b75接收；另一部分下行信号则被波长阻断器WB53滤除本远端节点RN_b55相连接的光网络单元ONU_b75所使用的波长后，再依次通过第三光环形器50、2×2光开关74和第二1×2光开关47后回到子环馈线光纤中，并沿顺时针方向继续下行传输。相应的上行信号由下行信号被光网络单元ONU_b75中的半导体光放大器擦除信息并进行反射放大重调制来产生。上行信号从光网络单元ONU_b75通过分布光纤回到远端节点RN_b55中，依次通过阵列波导光栅AWG54、第二光环形器49、第二光耦合器52、第一光环形器48、2×2光开关74和第一1×2光开关46后回到子环馈线光纤中，沿逆时针方向先返回切点远端节点RN_m59，再依次经过第三1×2光开关26、第三光环形器23、第四光耦合器20、第三光耦合器19、第二粗波分复用器16、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，最终回到光线路终端OLT56中，并被相应的接收机RX2接收。

保护模式四

保护模式四指的是子环中一侧的两根馈线光纤都出现故障时所采用的传输策略，如图9所示，子环馈线光纤60和62断裂，相应的网络节点切换到保护模式四下进行工作，该模式下光线路终端OLT56中第一1×3光开关9将打到上端口位置，第二1×3光开关10打到中间端口位置。子环远端节点RN_*166中的第一1×2光开关46将至于下端口位置，第二1×2光开关47置于下端口位置。切点远端节点RN_m59中第三1×2光开关26置于下端口位置，通断光开关28置于闭合状态，加粗线条为信号传输所使用的光纤。

主环中下行信号传输方向为顺时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_m+1→......→RN_M

主环中上行信号传输方向为逆时针方向(虚线箭头)：

RN_M→......→RN_m+1→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

子环下行信号传输方向为逆时针方向(实线箭头)：

OLT→RN₁→......→RN_m-1→RN_m→RN_*N→......→RN_*n+1→RN_*n→RN_*n-1→......→RN_*1

子环上行信号传输方向为顺时针方向(虚线箭头)：

RN_*1→......→RN_*n-1→RN_*n→RN_*n+1→......→RN_*N→RN_m→RN_m-1→......→RN₁→OLT

下行传输时，如图1所示，所述光线路终端OLT56的(qM+qN)个光发射机1发送信号经过第一阵列波导光栅AWG3后经光环形器7、光耦合器8和第一1×3光开关9的上端口进入主环馈线光纤，如图9所示，下行信号沿主环馈线光纤57沿顺时针方向传输，上行信号沿主环馈线光纤57沿逆时针方向传输，对于主环远端节点RN_a44来说，上行信号和下行信号的传输过程与正常模式下的传输过程一样，这里不在详述。而对于切点远端节点RN_m59来说，由于子环馈线光纤60和62断裂，当下行信号经过主环远端节点RN_m-163后到达切点远端节点RN_m59后，下行信号依次经过第一1×2光开关11、2×2光开关13和第一光环形器14后被第一粗波分复用器15按照波长分成波段I和波段II两个波段。属于波段I的下行信号从第一粗波分复用器15右边下方端口输出，依次通过第五光耦合器21、2×2光开关13和第二1×2光开关12后回到主环中，沿顺时针方向继续进行传输。属于波段II的下行信号从第一粗波分复用器15右边上方端口输出，并被第一光耦合器以功率方式进行分路，一部分信号通过第二光环形器22、阵列波导光栅AWG29后被相应的光网络单元ONU31中的光接收机34接收。另一部分属于波段II的下行信号则被波长阻断器WB25滤除被RN_m59连接的光网络单元ONU31所使用的波长后，依次通过第二光耦合器18、通断光开关28和第四1×2光开关27后进入子环馈线光纤的外侧光纤71。与切点远端节点RN_m59相连的光网络单元ONU31发送的上行信号由下行信号被半导体光放大器RSOA33擦除有效信息并反射放大再调制产生，通过分布光纤30回到切点远端节点RN_m59，依次通过阵列波导光栅AWG29、第二光环形器22、第三光耦合器19、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，并沿逆时针方向传输，最终回到光线路终端OLT56中，如图1所示，之后依次通过第一1×3光开关9、光耦合器8、光环形器7、第二掺铒光纤放大器6后，被阵列波导光栅AWG4按波长分路后，被相应的接收机2接收。若上行信号来自主环中切点远端节点RN_m59后的远端节点，如RN_m+165，则相应的上行信号从第二1×2光开关12回到切点远端节点RN_m59，并逐一通过2×2光开关13、第二粗波分复用器16、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，并沿逆时针方向传输，最终回到光线路终端OLT56中，被相应的接收机2接收。

对于子环远端节点RN_b55来说，当下行信号从光线路终端OLT56发出，依次经过主环远端节点RN₁58等一系列主环远端节点和切点远端节点RN_m59后，下行信号将通过子环外侧馈线光纤60沿逆时针方向传输并到达子环远端节点RN_b55。下行信号依次通过子环远端节点RN_b55中的第二1×2光开关47、2×2光开关74、光环形器48后，被第一光耦合器51分成功率相等的两部分：一部分信号通过第二光环形器49后，被阵列波导光栅AWG54按照波长解复用成q路信号并通过分布光纤被相应的光网络单元ONU_b75接收；另一部分下行信号则被波长阻断器WB53滤除本远端节点RN_b55相连接的光网络单元ONU_b75所使用的波长后，再依次通过第三光环形器50、2×2光开关74和第一1×2光开关46后回到子环馈线光纤中，并沿逆时针方向继续下行传输。相应的上行信号由下行信号被光网络单元ONU_b75中的半导体光放大器擦除信息并进行反射放大重调制来产生。上行信号从光网络单元ONU_b75通过分布光纤回到远端节点RN_b55中，依次通过阵列波导光栅AWG54、第二光环形器49、第二光耦合器52、第一光环形器48、2×2光开关74和第二1×2光开关47后回到子环馈线光纤中，沿顺时针方向先返回切点远端节点RN_m59，再依次经过第四1×2光开关27、第四光环形器24、第四光耦合器20、第三光耦合器19、第二粗波分复用器16、第一光环形器14、2×2光开关13和第一1×2光开关11后回到主环馈线光纤，再沿逆时针方向传输最终回到光线路终端OLT56中，并被相应的接收机2接收。

本发明的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统包括由光线路终端OLT通过双光纤连接M个远端节点RN形成的主环，以及以主环上任意一个远端节点RN为切点通过光纤与N个远端节点RN相连构成的子环，所述的每个远端节点RN通过分布光纤连接有光网络单元ONU。在光线路终端OLT处用两个1×3光开关的切换实现下行信号通过主环的内/外光纤环可以沿顺时针或逆时针传输到达主环远端结点RN，当主环馈线光纤的某一段出现故障时，及时为信号传输寻找新的路径，实现对系统的保护；同时在相切环切点RN_m处用光开关和光环形器的组合可以实现下行信号在子环沿顺时针或逆时针传输到达子环各远端节点RN，从而实现对网络各级节点的保护，波长的动态调度和规模的扩展功能。

Claims (10)

1.一种基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，该网络系统包括由光线路终端OLT通过双光纤连接M个远端节点RN形成的主环，以及以主环上任意一个远端节点RN为切点通过光纤与N个远端节点RN相连构成的子环，所述的每个远端节点RN通过分布光纤连接有光网络单元ONU。

2.根据权利要求1所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述的光线路终端OLT包括一组发射机、一组接收机、发射阵列波导光栅AWG、接收阵列波导光栅AWG、光环形器和光耦合器，发射机和接收机分别通过发射波导光栅和接收波导光栅连接到光环形器，光环形器连接到光耦合器，光耦合器通过光开关连接到主环上的双光纤。

3.根据权利要求1所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述切点远端节点装置包括有用于将光信号分成三路的光分配器和用于与光网络单元连接的波导光栅，所述光分配器的输入端通过光开关连接至主环光纤，所述光分配器一个输出端与阵列波导光栅AWG相连，另外两个输出端通过相应的光环形器或光耦合器分别与主环光纤和子环光纤连接。

4.根据权利要求3所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述光分配器的三个输出端中至少一个输出支路上设置有波长阻阻塞器，用于滤除不属于本路所需波长的信号。

5.根据权利要求4所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述光分配器与子环光纤之间的传输支路上设置有两个并列的光环形器，所述的两个并列的光环形器的第一端口都通过第二光耦合器与光分配器的输出端相连，第二端口都分别通过相应的光开关连接至子环光纤，其中一个光环形器的第一端口与第二光耦合器之间串接有通断光开关。

6.根据权利要求5所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述的光分配器为第一光耦合器，第一光耦合器的输入端通过第一光环形器连接至光开关。

7.根据权利要求1所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述的远端节点装置包括将光信号分成两路的第一光耦合器和与光网络单元连接的阵列波导光栅AWG，所述第一光耦合器的输入端通过光开关连接至环形光纤网络，所述第一光耦合器的一个输出端与阵列波导光栅AWG相连，另外一个输出端通过第一光环形器与环形光纤网络连接。

8.根据权利要求7所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述第一光耦合器的输出端和第一光环形器的第一端口之间设置有波长阻断器WB，用于滤除属于与本远端节点相连的光网络单元所接收的信号。

9.根据权利要求8所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述的第一光耦合器输出端和阵列波导光栅AWG之间设置有第二光环形器，所述第二光环形器的第一端口与第一光耦合器的输出端相连，第二端口与阵列波导光栅AWG相连。

10.根据权利要求9所述的基于相切环结构的波分复用无源光网络系统，其特征在于，所述的远端节点装置还设置有第三光环形器，该第三光环形器的第二端通过光开关与环形光纤网络连接，第三端与第一光耦合器的输入端相连。