CN104767584A - 一种用于twdm-pon系统的光网络单元的反射光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于TWDM-PON系统的光网络单元的反射光调制器，所述反射光调制器包括：U型波导，其包括第一分路和第二分路；耦合微环谐振器，其耦合在所述第一分路与所述第二分路之间并且包括两个相互耦合的环形谐振器；其中，所述耦合微环谐振器通过所述第一分路接收上行种子指示光信号，其包括多个上行种子波长；并且所述耦合微环谐振器被配置为：从所述上行种子指示光信号中滤出目标上行种子波长，将上行数据调制至所述目标上行种子波长以形成上行光信号；将所述上行光信号通过所述第一分路反射至光线路终端；以及将所述上行种子指示光信号中的其余部分通过所述第二分路输出至空气。

Description

一种用于TWDM-PON系统的光网络单元的反射光调制器

技术领域

本发明涉及无源光网络(PON)，更具体而言，涉及一种用于TWDM-PON系统的光网络单元的反射光调制器。

背景技术

近年来，无源光网络(PON)被广泛地运用以为用户提供高速服务。为了向终端用户提供多址接入，时分复用(TDM)技术被应用在当前PON的基础架构中。在基于TDM的PON中，发射机在单一波长上发送汇聚信号，而分支设备是一个分光器，其向多个光网络单元(ONU)分发相同的信号，每个ONU都接收到所有的下行信号。当前，基于TDM的EPON或XG-PON能够提供上至10Gb／s的容量。

近期，FSAN和ITU-T正在研究NG-PON2技术，以实现带宽的进一步增加。NG-PON2致力于提供40Gb／s，甚至为100Gb／s的总传输容量。许多供应商和运营商引入了多波长PON(WDM-PON、TWDM-PON)来满足NG-PON2的需求。

在多波长PON的策略中，TWDM-PON被视为用于NG-PON2的主要解决方案。TWDM-PON通过堆叠多个上行和下行波长增加了PON系统的容量。作为最基本的要求，四个波长对被用于TWDM-PON中来提供40Gb／s的下行容量和10Gb／s的上行容量。这就意味着四个下行波长(λ_1d，λ_2d，λ_3d，λ_4d)中的每个以10Gb／s的速率调制，而四个上行波长(λ_1u，λ_2u，λ_3u，λ_4u)中的每个以2.5Gb／s的速率调制。

技术问题：

在实施多波长TWDM-PON的过程中，关键问题在于如何实现ONU的低成本的上行发射机。作为一种有竞争力的和低成本的解决方案，远程种子波长注入式的PON是非常有吸引力的，因为每个ONU不需要装备可调激光器而只需要低成本的反射式器件，如图1所示。在这个方案中，一系列的连续的种子波长(λ_1u，λ_2u，λ_3u，λ_4u...)在光线路终端(OLT)处产生并且被广播至所有的ONU。每个ONU利用上行滤波器来选择期望的种子波长，并且随后将所选择的种子波长注入到反射光调制器(例如，RSOA、FP-LD等)。反射光调制器将上行数据调制到反射波长(也即所选择的种子波长)上以形成上行光信号，并将该上行光信号传输回OLT。由于上行种子波长集中地由OLT提供并且由多个ONU共享，每个ONU的成本将降低。然而，传统的反射光调制器具有以下问题：

1)受限的调制速率(<2.5Gb／s)

当前，在PON中广泛使用的反射光调制器是RSOA和FP-LD。这两种元件都能够将种子波长反射回OLT并且以上行数据进行调制以实现无色ONU。然而，这两种部件的主要问题在于受限的调制速度，通常其能够支持小于2.5Gb／s的速率。在NGPON2PMD的标准G.989.2中，提出了两种速率选项：10Gb／s、2.5Gb／s和10Gb／s、10Gb／s。对于未来带宽对称的TWDM-PON，希望上行信号也能够在10Gb／s或以上运作，以与用户的带宽要求相符。因此，传统的反射光调制器(例如RSOA和FP-LD)不能够满足未来TWDM-PON的带宽要求。

2)需要额外的上行可调光滤波器。

如图1所示，在基于RSOA的反射式无色ONU中，需要设置一个额外的上行可调光滤波器来选择多个种子波长中的一个，并且将该波长注入到RSOA中以用于上行调制。这使得ONU非常复杂并且体积较大。并且，因为使用了额外的可调光滤波器，将相应地进一步增加ONU的成本。

因此，虽然RSOA和FP-LD是广泛使用的部件，但是它们的调制速率受限在2.5Gb／s以内。同时，对于基于RSOA的方案需要额外的上行可调滤波器，这将无可避免地增加ONU的成本和复杂性。而对于基于FP-LD的方案，种子波长需要足够的功率来有效地从多模中锁定单模，这就需要在每个ONU中装备额外的放大器，以克服在分光器之后的种子波长的功率的减少。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种低成本的反射光调制器，以同时解决上述问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于TWDM-PON系统的光网络单元的反射光调制器，所述反射光调制器包括：U型波导，其包括第一分路和第二分路；耦合微环谐振器，其耦合在所述第一分路与所述第二分路之间并且包括两个相互耦合的环形谐振器；其中，所述耦合微环谐振器通过所述第一分路接收上行种子指示光信号，其包括多个上行种子波长；并且所述耦合微环谐振器被配置为：从所述上行种子指示光信号中滤出目标上行种子波长，将上行数据调制至所述目标上行种子波长以形成上行光信号；将所述上行光信号通过所述第一分路反射至光线路终端；以及将所述上行种子指示光信号中的其余部分通过所述第二分路输出至空气。

根据本发明的第二方面，提供了一种光网络单元，其包括：根据本发明的反射光调制器；下行滤波器；下行接收机，其与所述下行滤波器连接；以及波分复用元件，其分别与所述反射光调制器和所述下行滤波器连接。

本发明提供了一种基于耦合微环谐振器的反射光调制器，以通过仅使用一个光元件来提供多种功能。所提出的结构能够被非常容易地集成和应用到各种光通信系统中。本发明也非常适应于远程种子波长注入式的PON系统。在本发明中：

1.集成有增益部分的耦合微环谐振器被使用来形成反射放大光调制器。耦合微环谐振器是基于两个弱耦合的环形谐振器。两个环形谐振器的输入和输出波导都耦合至相同的总线波导以提供波长反射功能。当数据信号被作用到环形谐振器时，折射率发生改变，从而使得谐振波长发生移动，进而实现对发射波长的幅度调制。

2.通过使用基于依据本发明的耦合微环谐振器同时提供了种子波长选择功能、光反射、放大和高速数据调制。

本发明的反射光调制器能够同时提供多种功能而仅仅使用一个光元件。该些功能包括上行种子波长选择、以所选择的上行种子波长进行反射、放大上行种子指示光信号以补偿传输链路中的损失、以及提供高速的上行数据调制。本发明的反射光调制器能够以高于2.5Gb／s的速率的调制速率进行工作。与传统的基于RSOA的反射光调制器不同，在反射调制器之前不需要上行可调滤波器来选择上行种子波长。

3)能够支持无色ONU。

本发明的反射光调制器能够与下行接收机集成在一起来形成多波长PON系统中的无色ONU。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过以下参考下列附图所给出的本发明的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本发明，并且本发明的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1示出了现有技术的远程种子波长注入式PON的网络架构；

图2示出了依据本发明的一个实施例的反射光调制器的结构示意图；

图3示出了包括依据本发明的一个实施例的反射光调制器的ONU的结构示意图；

图4示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的反射和透射频谱特性；

图5示出了依据本发明的另一个实施例的耦合微环谐振器的反射频谱特性；

图6示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的谐振波长的3dB带宽与两个相互耦合的环形谐振器之间的第二耦合系数的关系示意图；

图7示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的谐振波长与环形谐振器的温度的关系示意图；

图8a至8c示出了依据本发明的一个实施例的对于λ₁和λ₂的种子波长和反射波长的频谱示意图；

图8d至8e示出了依据本发明的一个实施例的调制电压和经调制的光信号的示意图；

图8f示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的谐振波长与偏置电压的关系示意图；以及

图9示出了基于依据本发明的一个实施例的反射光调制器的远程种子波长注入式PON的网络架构示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相对应的部件或特征。

具体实施方式

图2示出了依据本发明的一个实施例的反射光调制器的结构示意图。反射光调制器2包括U型波导20和耦合微环谐振器21。如图所示，U型波导包括第一分路22和第二分路23。耦合微环谐振器21耦合在第一分路22与第二分路之间23之间并且通过第一分路22接收上行种子指示光信号，其包括多个上行种子波长，例如λ_1u，λ_2u，λ_3u，λ_4u等。耦合微环谐振器21被配置为：从上行种子指示光信号中滤出目标上行种子波长；将上行数据调制至目标上行种子波长以形成上行光信号；将上行光信号通过第一分路22反射至光线路终端；以及将上行种子指示光信号中的其余部分通过第二分路23输出至空气。

优选地，第一分路22具有增益部分24，用于补偿由分光器和传输OLT集中提供的种子波长(λ_1u，λ_2u，λ_3u，λ_4u...)引起的损失。增益部分24例如由III-V半导体材料制成，例如InP制成。通过例如在增益部分24施加偏置电流I_bias使其超出半导体的阈值电流，上行种子指示光信号在通过增益部分后将被放大。

如图所示，增益部分24随后与耦合微环谐振器21集成在一起。耦合微环谐振器21在仅仅使用单个元件的情况下能够同时提供种子波长选择、反射以及高速上行数据调制功能。与传统的反射光调制器不同，在本发明的反射光调制器中不再需要额外的可调滤波器。

耦合微环谐振器21包括两个弱耦合的环形谐振器25、26。环形谐振器25的输入端与环形谐振器26的输出端经由共同的波导20连接在一起。环形谐振器25、26能够由硅或其他半导体材料制成。由于硅价格较低且效率较高，在后文的实施例和仿真中将以硅为使用材料。在耦合微环谐振器21中，由于顺时针和逆时针方向的波将在环形谐振器25、26中传输并且将存在多条光路径，因此在该结构中将产生复杂的干涉。通过适当控制耦合微环谐振器21与第一分路22和第二分路23之间的第一耦合系数k_rb以及耦合微环谐振器21的两个相互耦合的环形谐振器25、26之间的第二耦合系数k_rr，将产生适合的周期性的反射响应(谐振波长)。能够为两个环形谐振器25、26使用温度控制的方法(thermal-heating method)来连续地调谐反射波长，也即谐振波长。

为了实现上行数据调制，耦合微环谐振器21的两个相互耦合的环形谐振器25、26分别包括电极27、28。上行数据信号V_data被分成两部分并且被分别施加在两个电极27、28上用于上行数据调制。由于折射率随着上行数据的施加电压而变化，因此反射波长也会变化。从而，对于固定的种子波长，它的反射率将会随着施加的数据电压而变化从而因此实现了上行数据调制。由于电光效应能够被用于上行数据调制，由此能够支持10Gb／s或更高的高速率调制。在此，可以施加偏置电压V_bias来补偿温度变化导致的谐振波长偏移并且用于精确地调整谐振波长来使其与目标上行种子波长对准。经调制的上行光信号被反射回增益部分24，以用于放大，并且被最终传输至OLT。

如图2所示，对于一个具有四个种子波长(λ_1u，λ_2u，λ_3u，λ_4u...)的、四通道的TWDM-PON系统，如果λ_2u被反射并且被调制。耦合微环谐振器21能够首先被调节至在λ_2u处共振并且以λ_2u来调制上行数据以产生上行光信号。随时，基于λ_2u的上行光信号被反射至第一分路22的增益部分24并在此被放大，进而又被传输至OLT。与此同时，其他的非谐振的波长λ_1u，λ_3u，λ_4u将直接通过耦合微环谐振器21，并经由第二分路23输出出去，例如输出至空气中。

图3示出了包括依据本发明的一个实施例的反射光调制器的ONU的结构示意图。在该ONU中，一个波分复用元件(WDM)被用于区分位于不同的波段上的上行光信号(和／或上行种子指示光信号)与下行光信号，并将其从相应的端口输出。在下行方向分支中，可调下行滤波器被用于选择多个下行波长中的一个，并将其传输至下行接收以进行检测。而在上行方向分支中，上行种子指示光信号将被传输至反射光调制器，以用于同时进行信号放大、波长选择、光反射和数据调制。因此根据本发明能够容易地获得无色ONU。

为了更清楚地解释本发明中的反射光调制器原理，在下文将给出一些实施例和仿真结果。

图4示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的反射和透射频谱特性。其中，以实线标注了反射频谱特性，而以虚线标注了透射频谱特性。在该实施例中，两个相互耦合的环形谐振器的半径都为30微米。在此，假定硅材料的折射系数为3.42。并且假定第一耦合系数k_rb和第二耦合系数k_rr分别为0.336和0.025。如图4可见，在谐振波长上形成了较窄的周期性的反射响应。自由光谱范围大约为466.15GHz。对于具有4个通道的上行种子波长和100GHz的通道间隔，466.15GHz足以确保仅反射4个上行种子波长中的一个。为了保证可以适用于更多的通道以满足未来的需求，可以通过使用游标效应和使用不同的环形谐振器的半径来显著地提升自由光谱范围。

图5示出了依据本发明的另一个实施例的耦合微环谐振器的反射频谱特性。在图5的实施例中，两个相互耦合的环形谐振器的半径分别为30微米和40微米。在此的自由光谱范围能够被改善至2793.7GHz，这就意味着能够适应更多的种子波长通道。因此，可以通过选择适合的环形谐振器的半径，以使得耦合微环谐振器的自由光谱范围被配置为覆盖上行种子指示光信号中的多个上行种子波长的波段。

图6示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的谐振波长的3dB带宽与两个相互耦合的环形谐振器之间的第二耦合系数的关系示意图。由图6可见，3dB带宽以近似线性的方式随着第二耦合系数k_rr而增长。对于第二耦合系数k_rr为0.025情形，相应的3dB带宽为大约10GHz，从而可以支持10Gb／s的调制速率。因此，可以通过调节耦合微环谐振器与第一分路和第二分路之间的第一耦合系数k_rb以及耦合微环谐振器的两个相互耦合的环形谐振器之间的第二耦合系数k_rr来选择耦合微环谐振器的谐振波长的带宽。

图7示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的谐振波长与环形谐振器的温度的关系示意图。在图7中基于温度控制的方法来进行反射光谱的波长调谐。在图7中示出了对应于四个变化温度的谐振波长的位置。其中，在每个变化温度下的谐振波长都将以自由光谱范围为周期而周期性地出现。

通过变化两个相互耦合的环形谐振器的温度，波导的折射率也将相应地变化。例如在变化温度18.8度的情形下，耦合微环谐振器的谐振波长将移动至图7中的左起第二个谐振波长。并且如图7所示，对于通道间隔为100GHz的四通道的TWDM-PON系统，在热光系数为1.86×10^-4的硅材料条件下，将温度大约变化28.2度能够调谐反射波长2.4纳米。在此，波长调谐灵敏度为～10.6GHz每度。

因此，可以通过调节环形谐振器的温度来将耦合微环谐振器的谐振波长与目标上行种子波长对准，以滤出目标上行种子波长。这例如可以作为粗调节来实施。

图8a至8c示出了依据本发明的一个实施例的对于λ₁和λ₂的种子波长和反射波长的频谱示意图。为了实现无色操作，反射波长能够被调谐至四个上行种子波长中的任一个。耦合微环谐振器的自由光谱范围能够稍大于种子波长的波段范围，以确保仅反射出一个种子波长(例如，在4个种子波长并具有100GHz通道间隔的情形下，自由光谱范围为466.15GHz)。如图8b所示，如果λ_1u被选为目标上行波长，则耦合微环谐振器的谐振波长能够被调谐成λ_1u。因此，基于λ_1u的上行光信号将被反射并且上行数据将被调制到λ_1u。

相反，如果λ_2u被选为目标上行波长，则耦合微环谐振器的谐振波长能够被调节成λ_2u。在调节成λ_2u的情况下，在施加了调制电压V_in(V_in=V_bias+V_data，相应于比特1)之后，谐振波长将移位。因此，λ_2u的反射率将大大降低，由此将实现0比特的调制，如图8d至8e所示。

图8f示出了依据本发明的一个实施例的耦合微环谐振器的谐振波长与偏置电压的关系示意图。在该仿真中，假定随电压而变的折射因子为1.33×10^-4／volt。参照图8f，3V电压的变化将取得～13dB的消光比。而施加6V电压将取得～24dB的消光比。因此，这种电压灵敏度是相当适合的。可以通过施加的偏置电压来调节谐振波长。这例如可以作为细调节来实施。

图9示出了基于依据本发明的一个实施例的反射光调制器的远程种子波长注入式PON的网络架构示意图。在OLT端，连续的激光阵列可以用于集中提供种子波长λ_1u，λ_2u，λ_3u，λ_4u。基于本发明的反射光调制器能够被装配在各个ONU端以提供无色操作。上行种子波长中的任一个都可以被随意挑选反射，并且以高速的上行数据来调制。在本发明的方案中，不再需要上行可调滤波器。

本公开的以上描述用于使本领域的任何普通技术人员能够实现或使用本发明。对于本领域普通技术人员来说，本公开的各种修改都是显而易见的，并且本文定义的一般性原理也可以在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下应用于其它变形。

Claims (11)

1.一种用于TWDM-PON系统的光网络单元的反射光调制器，所述反射光调制器包括： 

U型波导，其包括第一分路和第二分路； 

耦合微环谐振器，其耦合在所述第一分路与所述第二分路之间并且包括两个相互耦合的环形谐振器； 

其中，所述耦合微环谐振器通过所述第一分路接收上行种子指示光信号，其包括多个上行种子波长； 

并且所述耦合微环谐振器被配置为： 

从所述上行种子指示光信号中滤出目标上行种子波长，将上行数据调制至所述目标上行种子波长以形成上行光信号； 

将所述上行光信号通过所述第一分路反射至光线路终端；以及 

将所述上行种子指示光信号中的其余部分通过所述第二分路输出至空气。 

2.根据权利要求1所述的反射调制器，其特征在于，所述波导的第一分路具有增益部分，用于放大所述上行种子指示光信号和所述上行光信号。 

3.根据权利要求2所述的反射调制器，其特征在于，所述增益部分由III-V半导体材料制成。 

4.根据权利要求2或3所述的反射调制器，其特征在于，通过在所述增益部分施加偏置电流来放大所述上行种子指示光信号和所述上行光信号。 

5.根据权利要求1所述的反射调制器，其特征在于，通过调节所述环形谐振器的温度来将所述耦合微环谐振器的谐振波长与所述目标上行种子波长对准，以滤出所述目标上行种子波长。 

6.根据权利要求5所述的反射调制器，其特征在于，所述耦合微环谐振器的两个相互耦合的环形谐振器分别包括电极，通过在所述电极上施加偏置电压来将所述耦合微环谐振器的谐振波长与所述 目标上行种子波长对准，以滤出所述目标上行种子波长。 

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过调节所述耦合微环谐振器与所述第一分路和所述第二分路之间的第一耦合系数以及所述耦合微环谐振器的两个相互耦合的环形谐振器之间的第二耦合系数来选择所述耦合微环谐振器的谐振波长的带宽。 

8.根据权利要求1所述的反射调制器，其特征在于，选择适合的环形谐振器的半径，以使得所述耦合微环谐振器的自由光谱范围被配置为覆盖所述上行种子指示光信号中的多个上行种子波长的波段。 

9.根据权利要求1所述的反射调制器，其特征在于，所述环形谐振器由半导体材料制成。 

10.根据权利要求9所述的反射调制器，其特征在于，所述环形谐振器由硅制成。 

11.一种光网络单元，其包括： 

根据权利要求1至10中任一项所述的反射光调制器； 

下行滤波器； 

下行接收机，其与所述下行滤波器连接；以及 

波分复用元件，其分别与所述反射光调制器和所述下行滤波器连接。