CN105591709A - 一种光分路器及无源光网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光分路器及无源光网络系统，其中，光分路器包括：至少一个根据输入波长调节分光比的波长耦合单元，所述波长耦合单元的波导结构包括功率分配区、光程差区和模式重组分配区；入射光经由所述功率分配区分成光功率相等的两路光信号，所述两路光信号经过所述光程差区后在所述模式重组分配区进行合波，形成与所述光程差区的光程差相对应的波导传输模式。本方案通过设置根据输入波长调节分光比的波长耦合单元，实现了根据不同波长的输入光信号对应改变分光比的目的。

Description

一种光分路器及无源光网络系统

技术领域

本发明涉及无线传输技术领域，特别是指一种光分路器及无源光网络系统。

背景技术

光分路器是广泛用于PON(无源光网络)、光信号监测等光通信系统中的分光器件。

分光比是指光分路器的支路数。分光比代表了各支路的分光比例。现有技术中，光分路器为分光比固定的分光器，从1：2～1：128、2：2～2：128不等，内部结构由多级1：2的波长不敏感耦合器级联实现，如图1所示。其中波长不敏感的耦合器一般采用Y分叉结构。对于不同波长的输入光信号，分光器的分支数以及分光比例保持不变。

所以，现有技术中在PON网络实际部署中存在以下场景及问题：

1、现有光分路器种类繁多，存在1：2～1：128、2：2～2：128等十几种不同类型的光分路器，网络部署和备品备件的成本较高，且备品备件等运维成本高；

2、一个光分路器覆盖区域的用户数发生变化时会对光分路器的分光比提出调整的要求，针对用户数增加场景，可新叠加部署光分路器，但需要消耗更多宝贵的主干接入光纤；也可在最初部署时直接部署大分光比光分路器，则造成大量场景下光分路器端口虽使用较少，但上下行插损仍然为大分光比插损，功率预算紧张；

3、单PON口下不同用户的距离存在较大差异，或不同配线光纤的链路损耗存在较大差异(如部署施工时的弯曲损耗)，由于现有光分路器为均匀分光模式，每个支路在距离相同处获得的功率相同，因此功率预算只能按照最差链路计算，造成距离较近或损耗较小的链路功率预算浪费，甚至可能出现功率过载问题，同时对OLT接收机的AGC(自动增益控制)提出挑战；

4、一旦网络部署选定光分路器后，一般要求可稳定使用25年以上时间，由于网络变化而需要进行光分路器调整的难度较大，不具备平滑演进能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光分路器及无源光网络系统，解决现有技术中光分路器的分光比不能调整的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光分路器，包括：

至少一个根据输入波长调节分光比的波长耦合单元，所述波长耦合单元的波导结构包括功率分配区、光程差区和模式重组分配区；入射光经由所述功率分配区分成光功率相等的两路光信号，所述两路光信号经过所述光程差区后在所述模式重组分配区进行合波，形成与所述光程差区的光程差相对应的波导传输模式。

其中，在所述波长耦合单元的数量大于1时，每一个所述波长耦合单元均连接有一个或两个所述波长耦合单元。

上述的光分路器在所述波长耦合单元的数量大于1时还包括：与所述波长耦合单元连接的分光比不可调节的功率耦合单元，一个所述波长耦合单元连接一个或两个所述功率耦合单元。

进一步的，所述波长耦合单元的模式重组分配区的输出路径包括第一支路和第二支路；

所述波导传输模式包括：

入射光只从第一支路输出的第一传输模式；

入射光只从第二支路输出的第二传输模式；

多于一半的入射光从第一支路输出，其余的入射光从第二支路输出的第三输出模式；

少于一半的入射光从第一支路输出，其余的入射光的从第二支路输出的第四输出模式；以及

一半的入射光从第一支路输出，一半的入射光从第二支路输出的第五输出模式。

具体的，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第一传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₁为入射光的波长，m为自然数。

具体的，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第二传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₂为入射光的波长，m为自然数。

具体的，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第三传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₃为入射光的波长，m为自然数。

具体的，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第四传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₄为入射光的波长，m为自然数。

具体的，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第五传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₅为入射光的波长，m为自然数。

具体的，所述光程差区的光程差ΔL₀满足：

$\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}{L}_0\≤\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\max }$ 或 $\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}{L}_0\≤\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\max },$

其中，m为自然数，n为介质折射率，λ_max为入射光的最大波长，λ_min为入射光的最小波长。

进一步的，所述入射光在通信波长范围内有一个或两个波长值与所述分光器的输出支路的光功率相对应。

更进一步的，所述入射光在通信波长范围内至少有两个波长值与所述分光器的输出支路的光功率相对应。

本发明还提供了一种无源光网络系统，包括局端设备，与所述局端设备相连的光分路器，以及与所述光分路器相连的用户侧设备，其中，所述光分路器为上述的光分路器，所述局端设备和用户侧设备的工作波长与所述光分路器所需输入波长一致。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，所述光分路器通过设置根据输入波长调节分光比的波长耦合单元，实现了根据不同波长的输入光信号对应改变分光比的目的。

附图说明

图1为现有技术的光分路器内部结构示意图；

图2为本发明实施例的光分路器内部结构示意图；

图3为本发明实施例的波长耦合单元的波导结构示意图；

图4为本发明实施例的功率耦合单元的波导结构示意图；

图5为本发明实施例的一个周期内输出光功率P1/输入光功率P0与波长之间的线性关系示意图；

图6为本发明实施例的由多级级联的波长耦合单元构成的光分路器结构示意图；

图7为本发明实施例的由波长耦合单元和功率耦合单元混合级联构成的光分路器结构示意图；

图8为本发明实施例的无源光网络系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的技术中光分路器的分光比不能调整的问题，提供一种光分路器，如图2和图3所示，包括：

至少一个根据输入波长调节分光比的波长耦合单元(WDC)1，所述波长耦合单元1的波导结构2包括功率分配区3、光程差区4和模式重组分配区5；入射光P0经由所述功率分配区3分成光功率相等的两路光信号，所述两路光信号经过所述光程差区4(光程差区4由两条光程不同的路径L1和L2组成)后在所述模式重组分配区5进行合波，形成与所述光程差区3的光程差ΔL相对应的波导传输模式(包括两路光信号P1和P2)。

本发明实施例提供的所述光分路器通过设置根据输入波长调节分光比的波长耦合单元，实现了根据不同波长的输入光信号对应改变分光比的目的。

进一步的，如图2所示，在所述波长耦合单元的数量大于1时，每一个所述波长耦合单元1均连接有一个或两个所述波长耦合单元1。

更进一步的，如图2所示，所述光分路器在所述波长耦合单元的数量大于1时还包括：与所述波长耦合单元1连接的分光比不可调节的功率耦合单元6，一个所述波长耦合单元1连接一个或两个所述功率耦合单元6。

本发明实施例提供的所述光分路器包括三种情况：第一种：只包含一个波长耦合单元；第二种：只包含多个波长耦合单元，多个波长耦合单元之间级联连接；第三种：包含多个波长耦合单元和功率耦合单元，一个波长耦合单元可以与两个波长耦合单元相连，也可以与一个波长耦合单元和一个功率耦合单元相连，还可以与两个功率耦合单元相连，即波长耦合单元和功率耦合单元混合级联。

本发明实施例中分光比不可调节的功率耦合单元优先选择为波长不敏感的1：2耦合单元，且采用Y分叉波导结构。具体的，1：2Y分叉波导由直波导输入区7、波导扩展区8与波导分支区9组成，如图4所示。

进一步的，所述波长耦合单元的模式重组分配区的输出路径包括第一支路和第二支路；所述波导传输模式包括：入射光只从第一支路输出的第一传输模式；入射光只从第二支路输出的第二传输模式；多于一半的入射光从第一支路输出，其余的入射光从第二支路输出的第三输出模式；少于一半的入射光从第一支路输出，其余的入射光的从第二支路输出的第四输出模式；以及一半的入射光从第一支路输出，一半的入射光从第二支路输出的第五输出模式。

考虑实际工艺及体积等因素可进行光程差设计，一旦设定光程差ΔL₀后，采用本发明实施例提供的所述光分路器的系统可进行适当的波长调整来得到对应的分光比，分光比包括上述五种类型，具体的，第一种：入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第一传输模式；其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₁为入射光的波长，m为自然数。

第二种：入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第二传输模式；其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₂为入射光的波长，m为自然数。

第三种：入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第三传输模式；其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₃为入射光的波长，m为自然数。

第四种：入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第四传输模式；其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₄为入射光的波长，m为自然数。

第五种：入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第五传输模式；其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₅为入射光的波长，m为自然数。

另，不考虑附加损耗的情况下，输入端和输出端耦合系数为0.5时，输出光功率可表达为：

$P1=P0\×{\sin }^2\frac{\mathrm{\β\ΔL}}{2},P2=P0\×{\cos }^2\frac{\mathrm{\β\ΔL}}{2};$

其中，β为光在介质中的传输常数，ΔL为光程差，β＝2πn/λ，其中n为介质折射率，λ为光波长，P0为入射光的功率，P1和P2为输出光的功率。

当即时，P1＝P0，P2＝0，其中m为自然数。此时的光程差为 $\mathrm{\ΔL}=\frac{2m+1}{2n}\mathrm{\λ}.$

当即时，P1＝0，P2＝P0，其中m为自然数。此时的光程差为 $\mathrm{\ΔL}=\frac{m}{n}\mathrm{\λ}.$

若实际可用的最大波长和最小波长分别为λ_max和λ_min，则光程差的取值可以为：

$\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}L\≤\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\max },$ 或 $\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}L\≤\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\max }.$

故，本发明实施例提供的所述光分路器中所述光程差区的光程差ΔL₀满足：

$\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}{L}_0\≤\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\max }$ 或 $\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}{L}_0\≤\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\max }.$ 其中，m为自然数，n为介质折射率，λ_max为入射光的最大波长，λ_min为入射光的最小波长。

由上可知，输出光功率的相关参数是又β＝2πn/λ，输出光功率的最大值与最小值的相位差是所以调整一个输出支路的输出光功率的最大值与最小值的光程差ΔL满足：

其中，λ₁和λ₂分别为波长调整范围的最小值和最大值，n为介质折射率(光波导折射率)。

考虑一般光波导折射率取1.5，一般通信波长范围为1260～1620nm，如果在此波长范围内考虑一个周期，如图5所示(输出光功率P1/输入光功率P0与波长之间的线性关系)，n取值1.5，λ₁取值1260nm，λ₂取值1620nm，有上述公式可得出调整一个输出支路的输出光功率的最大值与最小值的光程差ΔL约为0.213um。

本发明实施例中所述入射光在通信波长范围内有一个或两个波长值与所述分光器的输出支路的光功率相对应，或者至少有两个波长值与所述分光器的输出支路的光功率相对应；即：本发明实施例提供的波长敏感的光分路器的输出支路的光功率在通信波长范围内与波长的关系可以是单周期结构(如图5所示)，也可以是多周期结构。在考虑到系统选择灵活性时，可以采用多周期结构，但是，周期不宜过多，以防在出现波长漂移的情况时，分光比不准确；在考虑到设置分光器期间直观明显的问题时，可以采用单周期结构。

本发明实施例提供的整个光分路器可以包含一个或多个WDC(WavelengthDependantcouplingunit-波长敏感的耦合单元)。波长敏感的耦合单元(WDC)采用的波导结构由三部分组成：第一部分是功率分配区，进行两个支路光功率的均匀分配；第二部分是光程差区，两个支路的光经历不同的光路程；第三部分为模式重组分配区，第二部分的两个支路光信号经过耦合在两个支路输出光信号。其基本原理是：P0为入射光的功率，P1和P2为输出光的功率，选择合适的光程差ΔL，两路光信号再在模式重组分配区进行合波，形成特定的波导传输模式，不同的路程差对应不同的合波波导模式，从而可改变输出光的功率P1和P2。P1与P2是波长相关的函数，调节不同的输入光波长，可以得到不同的P1与P2。

本发明实施例提供的方案可以均采用以上结构(WDC)为基本单元构成一种波长敏感的光分路器，其中WDC(光程差为ΔL1的WDC-1、光程差为ΔL2的WDC-2、光程差为ΔL3的WDC-3···)之间采用多级级联的方式进行连接，如图6所示。利用多周期特性，可以实现在一个物理分路基础上，采用不同光波长实现不同的分光比，构成一种分光比更加灵活的光分路器。

本发明实施例提供的方案还可以采用以上波长敏感的光分路结构(WDC)为基本单元，结合波长不敏感的结构(即实现均匀分光)，采用混合级联的方式提供一种波长敏感且分光比灵活的光分路器(即提供一种由波长敏感的耦合单元-WDC与波长不敏感的1：2耦合单元组成的分光比可调的光分路器)，如图7所示，光程差为ΔL1的WDC-1、光程差为ΔL2的WDC-2与波长不敏感的1：2耦合单元混合级联。例如，若原有物理光分路比为1:64，首级结构采用波长敏感型光分路器后面采用波长不敏感的结构单元，波长选择符合第一输出模式或第二输出模式中的条件，可以方便实现该波长下1:32分光比；若次级波长仍选择符合第一输出模式或第二输出模式中的条件且后续结构采用波长不敏感结构，可以方便实现该波长下1:16的分光比。只需进行波长使用的规划，就可以改变相应的分光比，从而实现网络演进或带宽提速的平滑过渡。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种无源光网络系统，包括局端设备，与所述局端设备相连的光分路器，以及与所述光分路器相连的用户侧设备，其中，所述光分路器为上述的光分路器，所述局端设备和用户侧设备的工作波长与所述光分路器所需输入波长一致。

本发明实施例提供的所述无源光网络系统由于采用分光比可调节的光分路器，使得网络部署、运营维护和备品备件中可以仅采用一种或少数几种物理分光比光分路器，大大减少光分路器分光种类，降低设备成本和运维成本；在分光比调整时不需要更换硬件设备，只需要进行波长设置即可完成，不需要额外网络成本就可以满足用户的提高分光比的需求，也可满足网络平滑演进的需求；可根据单PON(无源光网络)口下用户数、用户传输距离等因素，适当配置光分路器的逻辑分光比，匹配网络需求。通过分光比的改变来动态调整不同支路的光功率，更好地匹配各支路的链路功率预算，网络部署更加灵活。

基于本发明实施例提供的光分路器的PON(无源光网络)系统，如图8所示，局端设备(如OLT)采用多波长光源，用户侧设备(如ONU)采用可调激光器或重复利用下行光波长，并且这两个设备的波长选择符合上述第一输出模式至第五输出模式的条件。连续符合上述第一输出模式和第二输出模式的条件时，该波长的链路为点到点链路，一般可以给集客、基站或大带宽的家庭客户使用。符合上述第五输出模式的条件时，该波长实现支路均匀分光特性。符合上述第三输出模式的条件时，大部分光从第一支路输出，该部分支路在系统中可用于距离较远的客户接入，另一部分支路则用于距离较近的客户接入，符合上述第四输出模式的条件时，大部分光从第二支路输出，该部分支路在系统中可用于距离较远的客户接入，另一部分支路则用于距离较近的客户接入。波长调节方案可与SDN(软件定义网络)技术结合，通过OLT、ONU与本发明实施例提供的光分路器配合实现灵活智能的PON架构。

其中，上述光分路器的所述实现实施例均适用于该无源光网络系统的实施例中，也能达到相同的技术效果。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述原理前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种光分路器，其特征在于，包括：

至少一个根据输入波长调节分光比的波长耦合单元，所述波长耦合单元的波导结构包括功率分配区、光程差区和模式重组分配区；入射光经由所述功率分配区分成光功率相等的两路光信号，所述两路光信号经过所述光程差区后在所述模式重组分配区进行合波，形成与所述光程差区的光程差相对应的波导传输模式。

2.如权利要求1所述的光分路器，其特征在于，在所述波长耦合单元的数量大于1时，每一个所述波长耦合单元均连接有一个或两个所述波长耦合单元。

3.如权利要求1所述的光分路器，其特征在于，在所述波长耦合单元的数量大于1时还包括：与所述波长耦合单元连接的分光比不可调节的功率耦合单元，一个所述波长耦合单元连接一个或两个所述功率耦合单元。

4.如权利要求1所述的光分路器，其特征在于，所述波长耦合单元的模式重组分配区的输出路径包括第一支路和第二支路；

所述波导传输模式包括：

入射光只从第一支路输出的第一传输模式；

入射光只从第二支路输出的第二传输模式；

多于一半的入射光从第一支路输出，其余的入射光从第二支路输出的第三输出模式；

少于一半的入射光从第一支路输出，其余的入射光的从第二支路输出的第四输出模式；以及

一半的入射光从第一支路输出，一半的入射光从第二支路输出的第五输出模式。

5.如权利要求4所述的光分路器，其特征在于，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第一传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₁为入射光的波长，m为自然数。

6.如权利要求4所述的光分路器，其特征在于，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第二传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₂为入射光的波长，m为自然数。

7.如权利要求4所述的光分路器，其特征在于，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第三传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₃为入射光的波长，m为自然数。

8.如权利要求4所述的光分路器，其特征在于，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第四传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₄为入射光的波长，m为自然数。

9.如权利要求4所述的光分路器，其特征在于，入射光经过所述光程差区后满足：

时，所述波长耦合单元的模式重组分配区为所述第五传输模式；

其中，n为介质折射率，ΔL₀为所述光程差区的光程差，λ₅为入射光的波长，m为自然数。

10.如权利要求5至9任一项所述的光分路器，其特征在于，所述光程差区的光程差ΔL₀满足：

$\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}{L}_0\≤\frac{2m+1}{2n}{\mathrm{\λ}}_{\max }$ 或 $\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\min }\≤\mathrm{\Δ}{L}_0\≤\frac{m}{n}{\mathrm{\λ}}_{\max },$

其中，m为自然数，n为介质折射率，λ_max为入射光的最大波长，λ_min为入射光的最小波长。

11.如权利要求1所述的光分路器，其特征在于，所述入射光在通信波长范围内有一个或两个波长值与所述分光器的输出支路的光功率相对应。

12.如权利要求1所述的光分路器，其特征在于，所述入射光在通信波长范围内至少有两个波长值与所述分光器的输出支路的光功率相对应。

13.一种无源光网络系统，包括局端设备，与所述局端设备相连的光分路器，以及与所述光分路器相连的用户侧设备，其特征在于，所述光分路器为如权利要求1至12任一项所述的光分路器，所述局端设备和用户侧设备的工作波长与所述光分路器所需输入波长一致。