CN106341190B - 一种无源光网络系统及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无源光网络系统中的光网络单元以及其上行波长生成方法，其包括：半导体激光器，用于选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长并发射出该特定波长的单模相干光源；半导体光放大器，用于生成并放大宽谱光源，将上行数据调制到所述特定波长的单模相干光源。其中，所述半导体光放大器为量子点半导体光放大器；半导体激光器可采用FP激光器通过偏压调谐选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长。外部注入光的若干波长由远程节点通过反射形成多个反射波长。本发明实现成本低，有利于商业实现及输出功率高，满足PON系统的高速上行数据调制要求及无色性能。

Description

一种无源光网络系统及其装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域的，尤其涉及一种接入网络系统中的无源光网络及其装置。

背景技术

随着互联网流量的快速增加，NGPON2(下一代无源光网络)目前正在被广泛探索。其中，TWDM-PON(时分和波分复用无源光网络)已经被选为NGPON2基础技术的解决方案。其要求下行聚合速率至少达到40Gb/s；上行聚合速率至少达到10Gb/s，并且至少支持20km的无源传输以及至少1∶64的分光比。然而随着全新的应用不断地涌现出来，例如在线视频聊天/会议，在线游戏，高清IPTV，数字影院等，每个用户对上行带宽的需求将会不断地增加。此外，NGPON2另一个主要应用就是承载高速无线网络系统的前端回传。因此，从长远来看未来的TWDM-PON需要满足上、下行对称40Gb/s的速率。

眼下传统的热调谐方式DML(直调激光器)不再胜任无色ONU(光网络单元)。因为DML的啁啾效应会造成信号失真，特别在传输高速OOK调制格式的时候。这将严重地限制了系统传输的特性。虽然业界已经做出很多努力去减轻直调激光器带来的色散，例如加入光谱重塑滤波器，啁啾管理直调激光器，双二进制调制格式，电子色散补偿等，这将明显地带来额外的系统成本、复杂性、不稳定性及功率损失。因此当务之急就是找到一个低成本的可替代方案，使其能满足40Gb/s对称TWDM-PON中无色ONU光发射机的设计要求。

基于MZM(马赫-曾德尔强度调制器)的外部调制技术已被认为是对称的40Gb/sTWDM-PON的一个很好的解决方案，其高调制速率及低啁啾的特性，确保长距离传输。然而由于该方案需要额外的DFB(分布式反馈激光器)，这将显著地增加系统成本及功耗，这最终限制了它在低成本PON中的应用，此外该方案不利于器件集成，因为MZM和DFB很难集成在一块芯片上。

此外，另一种比较有吸引力的解决方案就是使用EML(电吸收调制激光器)。 它将一块可调激光二极管和一个电吸收调制器同时集成在一个器件内。然而由于这种调制方式是基于电吸收，EML的输出光功率会相当低。为了补偿芯片上的损失和光纤耦合损失，通常需要集成一块光放大器一同工作，这将明显地增加制造成本。此外由于电吸收调制的温度敏感特性使其在波长调谐时造成系统不稳定并甚至影响到传输特性，例如光功率不稳定，低消光比以及传输距离受限。

发明内容

本发明旨在提供一种高速对称TWDM-PON及WDM-PON光发射机设计及其上行光信号生成。

根据本发明的一个方面，这里提供一种无源光网络系统中的光网络单元，其包括：半导体激光器，用于选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长并发射出该特定波长的单模相干光源；半导体光放大器，用于生成并放大宽谱光源，将上行数据调制到所述特定波长的单模相干光源。

优选地，前述半导体光放大器为量子点半导体光放大器。

优选地，前述宽谱光源至少包括半导体激光器输出的连续光源、以及半导体光放大器所输出的放大自发辐射光源。

优选地，前述半导体激光器为FP激光器，其输出连续光源为多纵模光源。

优选地，前述FP激光器通过偏压调谐选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长。

优选地，前述外部注入光的若干波长由设置在无源光网络系统远程节点中光纤光栅通过反射宽谱光源形成多个反射波长。其中，多个反射波长被配置为符合国际电信联盟远程通信标准化组织对密集型光波复用的波长标准，多个反射波长之间的波长间隔为0.8nm。

优选地，所述FP激光器被配置为通过更改FP激光器的纵模间距Δλ错开注入光的若干波长和FP纵模之间的对准，使得其中一个波长对准FP激光器的纵模峰值。其中，所述FP激光器的纵模间距配置为0.5nm。

优选地，所述外部注入光若干波长由设置在无源光网络系统远程节点中阵列波导光栅切割形成，并在远程节点反射回光网络单元。其中，半导体激光器可以是DFB激光器。

根据本发明的另外一个方面，这里提供一种无源光网络系统中光网络单元上行波长生成方法，其包括：使用半导体光放大器生成并放大宽谱光源；利用半导 体激光器锁定外部注入光的若干波长中的一个特定波长并发射出特定波长的单模相干光源；使用半导体光放大器将上行数据调制到所述特定波长的单模相干光源；

优选地，前述半导体激光器可以是FP激光器，其通过偏压调谐选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长。

优选地，前述外部注入光的若干波长由设置在无源光网络系统远程节点中光纤光栅通过反射形成多个反射波长。

优选地，前述FP激光器被配置为通过更改FP激光器的纵模间距Δλ错开注入光的若干波长和FP纵模之间的对准，使得其中一个波长对准FP激光器的纵模峰值。

优选地，前述外部注入光由设置在无源光网络系统远程节点中阵列波导光栅切割形成，并在远程节点反射回光网络单元。

根据本发明的一个方面，这里提供一种无源光网络系统中的远程节点，其包括：光耦合器，耦合于光分支器和光纤线路终端之间，输出部分光源；多模光纤光栅，用于反射多个特定波长，所述多个特定波长被反射回光网络单元，以用于光网络单元锁定其中一个特定波长并发射出该特定波长的单模相干光源，该单模相干光源用于上行数据调制。

根据本发明实施例所提供的光网络单元及其方法，其实现成本低，相比EML结构方式，本实施下由半导体激光器和半导体光放大器构成的上行信号调制具有极大的成本优势；且半导体激光器和半导体光放大器可紧凑地集成在半导体衬底或硅基光子集成电路中，更有利于商业实现；且ONU具有输出功率高，由于宽谱光源经过多次放大和叠加，它为半导体光放大器对上行信号调制提供足够的光功率输入。尤其是基于量子点半导体光放大器的超快增益恢复保证了上行信号的高速信号调制，可使得每个用户的高速上行数据调制10Gb/s；同时，其具有负频率啁啾，可明显地降低在单模光纤中的色散效应，从而导致其在高速传输性能方面超越传统的DML方式。而基于FP激光器的注入锁定，其中心波长可以被热调谐以提供无色种子光且调谐范围宽，可满足多个波长TWDM-PON/WDM-PON甚至今后升级版的更多波长的TWDM-PON/WDM-PON；同时，FP激光器具有较好的温度性能，相比于EAM方式，这使得ONU具有比较好的波长调谐准确性以及系统稳定性。

附图说明

通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的元件具有相同的标识，其中：

图1是高速对称TWDM-PON系统结构及无色ONU光发射机的设计示意图；

图2是高速对称WDM-PON系统结构及无色ONU光发射机的设计示意图；

图3是量子点内载流子散射机制以及相对应的时间常数示意图；

图4量子点半导体光放大器放大自发射频谱图，对应腔长分别为1mm和1.5mm；

图5是特定输入电流密度时量子点半导体光放大器在不同输入光功率下的增益曲线图；

图6在不同注入电流密度下特定腔长的量子点半导体光放大器的增益谱；

图7是多个粗波分复用信道在不同输入光功率下的噪声系数；

图8是量子点半导体光放大器在外部光脉冲输入下的增益恢复过程；

图9是1530nm量子点半导体光放大器的频率响应特性图；

图10是量子点半导体光放大器在不同注入电流密度下的增益曲线图；

图11是在多个注入光束下FP激光器注入锁定的工作原理；

图12是在3种不同FP纵模间距下，外部注入光束和FP纵模在波长上的分布示意图。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。需要说明的是，尽管本文中以特定顺序描述了本发明中有关方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，本文中所描述的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

图1是高速对称TWDM-PON系统及无色ONU光发射机的设计示意图，TWDMPON是利用4对不同上、下行波长(λd1，λd2，λd3，λd4，λu1，λu2，λu3，λu4)把原有的10G PON扩容成原来的四倍。下行的四个波长λd1，λd2，λd3，λd4经过分路器后，会到达所有的ONU。因此每个ONU需要有一个可调滤波器，滤出特定的下行波长；由于不同的ONU发出不同的上行波长，ONU发射机需要采用波长 可调或者可选择技术实现高速上行数据传输。图中无色ONU光发射机的设计示意图图中标出了其主要操作流程以及对应节点的光谱图。该ONU光发射机包括：半导体光放大器SOA，半导体激光器，波分复用器、MAC数据层，其中：

半导体激光器，用于选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长并发射出该特定波长的单模相干光源；

半导体光放大器SOA，用于生成并放大宽谱光源，将上行数据调制到所述特定波长的单模相干光源。这里，宽谱光源至少包括半导体激光器输出的连续光源、以及半导体光放大器所输出的放大自发辐射光源

波分复用器，完成上下行数据的复用和解复用。

下面，我们将结合图1中主要节点的光谱示意图对本发明所涉及的上行无色传输进行说明，图中，我们在无色ONU光发射机中半导体激光器选择FP激光器，FP激光器输出的出连续光源为MLM(多纵模)光源：

光谱①，SOA输出宽谱光源，宽谱光源包含FP激光器输出的MLM光源、以及量子点激光器输出的ASE(放大自发辐射)光源，它们在SOA的左侧输出面叠加在一起并发射到远端光分路器。

光谱②，远程节点输出的反射光谱，远程节点内放置一个MM-FBG(多模光纤布拉格光栅)，该MM-FBG经过特殊设计使其能将光栅写在多模光纤上，从而允许宽谱光源中四个指定波长的光得到反射，这四个波长是预先设计的并符合TWDM-PON的上行波长标准，整个远程节点是无源的。

光谱③，经SOA放大的反射光谱，远程节点输出的包含四个指定波长的反射光谱从左到右反方向经过半导体光放大器以得到功率放大，并进一步注入到FP激光器。

光谱④，FP激光器锁定前述所注入的包含四个指定波长的反射光谱并发射出特定波长的单模相干光源光谱，FP激光器的中心波长可以通过偏压进行调谐以对准四个外部输入波长的其中任何一个。其结果是，FP激光器被注入锁定在其中一个波长并发射出一束相干的单模种子光，从而达到无色传输的特性。

光谱⑤，在FP激光器输出的单模种子光的注入下，来自MAC数据层的上行电信号可以直接加载到半导体光放大器上进行强度调制，调制后的上行信号最终将通过波分复用器传输到光分配网络中。

明显地，整个系统产生的宽谱光源主要是由FP激光器发射出来的MLM光源 以及SOA发射出来的ASE光源组成的。MLM首先从右往左经过QD-SOA并放大，它将和QD-SOA发射出的ASE叠加并一同传送到远端节点并被四波长MM-EBG反射回来。被反射的光源再次从反方向经过QD-SOA并放大并进一步注入回FP激光器。FP激光器被注入锁定并激射出单模光源，该光源再次被注入到量子点激光器用于信号调制。从技术上来说MLM一共经过3次QD-SOA并得到3倍的增益放大，而ASE一共经过2次QD-SOA得到2倍的增益放大。还应当注意的是，在一个上行突发时隙内，一共有4个ONU在工作，其波长分别对应λu1，λu2，λu3，λu4。这些ONU的MLM和ASE将在远程节点处一同叠加到一起从而获得4倍的宽谱光源。这将为QD-SOA在信号调制的同时提供足够的光功率输入。

基于类似的思想方案，我们还可以设计出一种高速对称WDM-PON系统结构及无色ONU光发射机的设计示意图，如图2示意图ONU内半导体激光器和SOA所产生的宽谱光源经过远程节点中阵列波导光栅进行光谱切割(图中，远程节点中的阵列波导光栅将许多波长的光复合到单一的光纤中，从而提高光纤网络的传播效率，对应于下行方向，在每个出口通道便只有特定波长的光，是分离过程；对应于上行方向，逆向过程便是复合过程)，不同波长ONU被切割的宽谱光源同时汇聚于远程节点。远程节点放置一个光耦合器及一个法拉第旋转镜，用于部分反射被切割的光源，该反射光源再次经过阵列波导光栅并传送回对应波长的ONU。该光源经过ONU内SOA再次放大并进一步注入到半导体激光器。半导体激光器锁定并发射出特定波长的单模相干光源光谱。在半导体激光器输出的单模种子光的注入下，来自MAC数据层的上行电信号可以直接加载到半导体光放大器上进行强度调制，调制后的上行信号最终将通过波分复用器传输到光分配网络中。

值得说明的是，我们在WDM-PON系统无色ONU光发射机中半导体激光器也可以选择其他类型半导体激光器，例如DFB(分布式反馈激光器)激光器，是在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件使器件连续光源只有一个纵模输出，从而具有非常好的单色性。

鉴于该两种设计思想一致，这里，我们不再对WDM-PON中无色ONU光发射机的主要节点的光谱示意图及所涉及的上行无色传输进行重复累述。

根据本发明所提供的一种实施方式，本发明提出了SOA使用自注入QD-SOA (量子半导体光放大器)作为外强度调制器以实现前述TWDM-PON或WDM-PON中无色ONU的设计，该系统无需色散补偿即可实现高速上行传输。QD-SOA是由于其超高数据速率，高饱和输出功率，较宽的自发辐射频谱以及其在信号调制或放大的过程中不引入码形效应的特性等。此外由于QD-SOA在信号调制过程中其增益和对应的信号相位在光域中始终相反，导致其产生负频率啁啾。这将明显地降低在单模光纤中的色散效应，从而导致其在高速传输性能方面超越传统的DML。

根据本发明所提供的一种实施方式，FP激光器选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长为QD-SOA提供外部种子光源。对应图1中FP激光器对MM-FBG反射回来的非相干光源进行注入锁定，一旦FP激光器的中心波长匹配其中任意一个反射光源波长(从λu1到λu4)，则FP激光器锁定并激射出一束单模相干光源，从而使FP激光器传统的多模输出转换成单模输出。FP激光器的中心波长可通过控制偏压调谐从而达到无色传输。然而FP激光器需要精心设计以避免被其他无用的波长注入锁定。对应图2中，由于远程节点中阵列波导光栅进行光谱切割和法拉第旋转镜反射，仅仅一个反射光源波长λu1被注入锁定，FP激光器的中心波长可通过控制偏压调谐对准该反射光源波长λu1即可。

图1中远程节点中通过设置在OLT(光纤线路终端)与光分支器之间的光耦合器输出的部分光被发送至MM-FBG，MM-FBG可以利用多模光纤的特性产生多个波长间隔相等的反射光源。其原理是如果布拉格光栅被写在多模光纤上，那些满足光栅相位匹配的模式将通过光纤反射，并且由于这些模式具有不同的传播系数，最终将获得多个数量的反射波长光源。被反射的波长数量取决于模式群激励，例如高阶模式激励将形成19个反射波长，而低阶模式激励将形成4个反射波长。相邻模式的波长间隔则是由相邻模式的有效折射率决定的，该折射率随着多模光纤的参数变化而变化。因此根据该理论，我们可以预先设计出一个多模光纤光栅，使其能产生4个反射波长并符合ITU-T关于DWDM(密集波分复用)信道的标准(例如1529.55nm，1530.33nm，1531.12nm and 1531.90nm)。

为了更好地了解该自ONU注入无色上行传输的工作原理，以下将对其两个主要的模块：FP激光器和QD-SOA进行详细说明。

QD-SOA

近年来我们看到SOA在小规模网络例如城域网或接入网中越来越被广泛的 应用。这是因为SOA体积小，宽谱增益，低误码率以及较低的成本。然而很少人注意到SOA能用作信号调制，或许主要是因为其较低的调制速率。基于RSOA(反射式半导体光放大器)的上行传输已经被实验证实是可行的，其发射出的ASE经过阵列波导光栅进行光谱分割，对应波长的光源通过远程节点内的法拉第旋转镜反射回RSOA进行信号调制。然而其最大支持的无误码速率仅为2.5Gb/s，这是由于其使用非相干ASE噪声作为RSOA的种子光，从而产生较高的强度噪声。并且在RSOA和法拉第旋转镜之间将形成相当长的谐振腔。对于如此长的谐振腔，内部增益相对于往返功率损耗之间的比值将是系统性能的一个重要问题，因为RSOA的注入光功率越低将导致调制速率越低.

然而随着量子点光放大器QD-SOA的发展，SOA作为高速信号调制器将变得可能。量子点的离散特性导致各能级之间的耦合降低，从而使得激发态成为了基态载流子的储池。因此量子点内载流子寿命通常是常规量子阱载流子寿命的十分之一，使其具有更大的3dB调制带宽。此外QD-SOA所需注入的光功率要比量子阱SOA所需注入的光功率要小得多。并且注入锁定FP激光器的输出中，相对强度噪声会大幅降低，将为QD-SOA提供更高质量的相干种子光源。除此之外，QD-SOA还显示出其他一些潜力，例如无码形效应调制，高饱和输出功率(＞20dBm)，低噪声系数(＜5dB)以及低串扰.

如图3所示，量子点生长在一层较薄的润湿层上面。润湿层充当一个自由载流子存储器，其中的载流子将快速转移到量子点内并完成受激复合。在一个量子点内存在2个能级，即GS(基态)和ES(激发态)。在润湿层，激发态和基态之间载流子的流动相对应的时间常数也同时在图3中示出。

1)，ASE

图4给出了2种不同腔长的QD-SOA的放大自发射频谱。图中的两个峰值分别是由量子点基态能级和激发态能级产生的。该图示出了典型SOA器件的一个主要特征，即ASE随着腔长的增加而增加，这是由于较长的器件允许更多的自发辐射。该频谱的中心波长是1530nm并符合TWDM-PON的上行波长标准。对于1.5mm腔长的SOA，其峰值强度超过-10dBm并且10dB带宽为115nm。此ASE将和FP激光器产生的MLM叠加到一起并一同作为上行自播种传输所需的宽谱光源。

2)，增益特性

该设计中所用的QD-SOA是一个单通器件，其放大增益是根据输出信号功率 和输入信号功率的比值决定的。图5给出了在5kA/cm2电流密度注入下该QD-SOA的增益特性曲线。当输入光功率＜0dBm时，增益保持稳定不变。然而随着载流子不断地受激复合，能带中载流子数量将逐渐耗尽，最终导致SOA的增益饱和。不断提高输入光功率会增加此影响并恶化增益饱和。图中Psat定义了3dB增益饱和输入光功率值，通常QD-SOA的饱和输入光功率值比较大为8dBm，其线性增益值为18dB左右。

QD-SOA具有超宽的增益谱，这是由于载流子将同时在基态和激发态复合。如图6为不同注入电流密度下腔长为1.5mm的QD-SOA的增益谱，该增益谱的顶部平坦，9dB增益总带宽为120nm。如此宽的增益带宽足够用来放大TWDM-PON上行波长标准中任何一个信道。此外可以观察到，在相同偏压下，基态增益比激发态增益更容易达到饱和，这预示着载流子填充到基态的速率要比填充到激发态的速率快得多。

3)，噪声系数

为了更好地理解ASE对信道信噪比的影响，我们要参考每个信道的噪声系数。在模拟仿真中，9个CWDM(粗波分复用)的信道被同时输入到QD-SOA中，其波长分布跨越量子点的基态和激发态。图7示出了每个信道在不同光功率下的噪声系数曲线。如图所示，7个信道(从B到H)在输入光功率小于-10dBm时其噪声系数小于4.5dB。相对于噪声系数理论最小值3dB，该噪声系数已经被认为是相当小了。然而A和I这两个信道的噪声系数相对比较高，这是由于其较差的信号放大及高散粒噪声造成的。随着输入信号功率不断的增加到10dBm，载流子从外部电流注入的补充未能及时应付光饱和，导致各信道的噪声系数显著增加。特别是量子点激发态所对应信道的噪声系数比基态所对应信道的噪声系数更加恶化。造成这个现象的主要原因是激发态内的载流子在饱和情况下首先耗尽，然后再耗尽基态内的载流子。然而在该设计中，所有的TWDM-PON上行信道都对应量子点基态能级，因此几乎不受输入光功率值的影响。

4)，信号调制

载流子动态特性和增益恢复特性是决定QD-SOA信号调制性能(如调制带宽，信号失真)的关键因素。他们不仅受带间动态特性影响还受带内载流子动态过程的影响。图8给出了一个典型QD-SOA在光脉冲输入下完整增益恢复的全过程。区间I示出在载流子平衡分布下SOA增益保持不变。当脉冲输入时，载流子立刻 通过受激复合而快速殆尽，从而导致如区间II所示的增益饱和。在100fs短时间内载流子散射允许载流子重新建立一个准平衡分布，导致如区间III内增益快速恢复，但是载流子温度相对较高。在接下来的几皮秒内，载流子温度先是冷却到晶格温度(如区间IV)，然后载流子分布将像以前一样逐渐恢复平衡(如区间V)。最终增益得到100％恢复。增益恢复速率将严重影响信号调制特性，增益恢复的慢将导致信号数据比特失真。通常QD-SOA只需2ps就可达到80％的增益恢复，这保证了高速信号调制。

通过载流子速率方程式及传输方程，我们可以计算出QD-SOA的频率响应。图9给出了在外部连续光功率注入下，QD-SOA的频率响应特性。该注入光功率中心波长为1530nm，而QD-SOA加载一个被调制过的偏置电流。如图该QD-SOA的3dB调制带宽为10.64GHz。这使得QD-SOA能实现10Gb/s甚至更高的调制速率。因此QD-SOA可以胜任4×10Gb/s对称TWDM-PON的上行传输。

众所周知，直调激光器在信号调制时工作在阈值电流以上以允许受激辐射。因此其总注入电流是在一个大的直流偏置成分上叠加一个小的射频调制信号成分。调制后的光功率峰峰值很有限，即逻辑“1”和“0”之间的光功率差值。从而导致大多数直调激光器的信号消光比一般在10dB以内。然而和直调激光器不同，QD-SOA只要提供外部种子光源，电调制信号可以直接加载到QD-SOA上，而无需再添加直流分量。因此在不同电流注入下SOA的增益也随之变化，从而实现信号强度调制。这和传统马赫增德尔以及电吸收调制方式是不同的。图10示出QD-SOA的增益随电流注入增加的变化曲线，其中心波长为1530nm。由图可知，QD-SOA的增益随着电流密度增加而增加，并慢慢达到极限，随后增益饱和并不再随电流的进一步增加而变化。值得注意的是，当注入电流密度很低时，QD-SOA的增益为负从而导致注入种子光在SOA传播过程中被吸收。因此只要我们选择合适的逻辑“1”和“0”所对应的电流值，就可以得到相对较大的消光比，例如图10所示消光比可以达到30dB甚至更高。如此高的消光比能确保接收信号眼图张开，低功率损失，甚至在没有功率均衡的情况下大幅增加传输距离和传输速率。

此外，由于在ONU上行突发时隙以外没有任何信号或者直流偏置加载到QD-SOA上，该QD-SOA充当一个光开关从而切断从FP激光器这边的所有光源。这将有效地防止非突发时隙漏光现象并解决了在时分复用传输中常见的流氓ONU问题。

FP激光器

注入锁定FP激光器的设计是本发明实施例中另外一个重要技术特征。注入锁定即半导体激光器被外部注入光信号锁定，该激光器的输出频率和相位与外部注入信号保持一致。图11给出了注入锁定的操作原理示意图，其中FP激光器的外部注入光源来自远程节点中MM-FBG多模光纤光栅反射回来的4个指定波长光源(λu1到λu4)。当FP激光器的纵模与外部注入光源波长保持一致时，该纵模被锁定并产生受激辐射，而其他纵模将被强烈的衰减。因此注入锁定后的FP激光器可被视为单模输出。为了实现这一目标，我们必须保证外部注入的4个波长注入光束中只有一个对准FP的纵模峰值，而其他三个注入光束必须落在FP纵模之间的波谷中。MM-FBG反射光束可取决于ITU-T对DWDM的波长标准，也就是说4个反射波长之间的波长间隔为0.8nm即100GHz，那么我们需要通过设计更改FP激光器的纵模间距Δλ才能错开外部注入光束和FP纵模之间的对准。

图12示出在3种不同FP纵模间距下，外部注入光束和FP纵模在波长上的分布示意图。图中举例说明当FP激光器的谐振纵模(即中心波长)被λu3注入锁定后，该纵模产生激射，并应避免其他纵模同时被锁定。我们认识到，每一个FP纵模都一个较宽的锁定区域，该区域是由注入光源的光强及线宽所决定的。因此为了保证更好的单模输出特性，其余FP纵模峰值应和剩下3个注入光源波长离开地越远越好。对于实例1(Δλ＝0.3nm)，λu2和第4个FP纵模之间的间隔只有0.1nm，因此该模式也将或多或少地被λu2锁定，从而导致输出信号边模抑制比较低并不符合设计要求。对于实例2(Δλ＝0.5nm)，λu2和第2个FP纵模之间的间隔增加到0.2nm，并且λu2几乎落在第2和第3个FP纵模之间。这就有效的确保了单模输出特性，因为只有FP激光器的谐振纵模(第4个纵模)被λu3锁定，而其他纵模都没有被锁定。然而当FP纵模间距Δλ增加到0.7nm时(实例3)，结果又回到第一种情况，即λu2和第3个FP纵模之间的间隔又变成0.1nm。很明显，实例2(Δλ＝0.5nm)是最佳解决方案，这种情况下只有FP的谐振纵模被注入锁定，而其他纵模都将不会同时被锁定。

一旦FP纵模间距Δλ被确定，我们可以通过下面的公式计算出FP激光器的腔长

其中λ为FP激光器的中心波长，n为了折射率，L则为FP激光器的腔长，如果对于中心波长为1530nm的FP激光器，可以计算出其对应腔长为669μm。

为了实现无色ONU传输，FP激光器的中心波长可以被热调谐以提供无色种子光到QD-SOA。而FP激光器的温度可以通过调整外部偏压进行调谐。通常FP激光器的温度调谐系数为0.4nm/℃，并且允许的工作温度范围为0℃至45℃，由此总波长调谐范围为18nm。这将足够满足4波长TWDM-PON甚至今后升级版的8波长TWDM-PON。从公式(1)还应当注意到，FP的纵模间距Δλ不随温度变化而变化。从而通过改变FP激光器温度，所有的纵模将会产生相同的波长偏移，使得FP激光器仍只被一个注入波长锁定并保持单模输出特性。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (17)

1.一种无源光网络系统中的光网络单元，其特征在于包括：

半导体激光器，用于选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长并发射出该特定波长的单模相干光源；

半导体光放大器，用于生成并放大宽谱光源，将上行数据调制到所述特定波长的单模相干光源。

2.如权利要求1所述的光网络单元，其特征在于所述半导体光放大器为量子点半导体光放大器。

3.如权利要求1所述的光网络单元，其特征在于所述宽谱光源至少包括半导体激光器输出的连续光源、以及半导体光放大器所输出的放大自发辐射光源。

4.如权利要求3所述的光网络单元，其特征在于所述半导体激光器为FP激光器，其输出连续光源为多纵模光源。

5.如权利要求4所述的光网络单元，其特征在于所述FP激光器通过偏压调谐选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长。

6.如权利要求1所述的光网络单元，其特征在于所述外部注入光的若干波长由设置在无源光网络系统远程节点中光纤光栅通过反射宽谱光源形成多个反射波长。

7.如权利要求6所述的光网络单元，其特征在于所述多个反射波长被配置为符合国际电信联盟远程通信标准化组织对密集型光波复用的波长标准，多个反射波长之间的波长间隔为0.8nm。

8.如权利要求4所述的光网络单元，其特征在于所述FP激光器被配置为通过更改FP激光器的纵模间距△λ错开注入光的若干波长和FP纵模之间的对准，使得其中一个波长对准FP激光器的纵模峰值。

9.如权利要求8所述的光网络单元，其特征在于所述FP激光器的纵模间距配置为0.5nm。

10.如权利要求1至3中任一权项所述的光网络单元，其特征在于所述外部注入光若干波长由设置在无源光网络系统远程节点中阵列波导光栅切割形成，并在远程节点反射回光网络单元。

11.如权利要求10所述的光网络单元，其特征在于所述半导体激光器是分布式反馈激光器。

12.一种无源光网络系统中光网络单元上行波长生成方法，其特征在于包括：

使用半导体光放大器生成并放大宽谱光源；

利用半导体激光器锁定外部注入光的若干波长中的一个特定波长并发射出特定波长的单模相干光源；

使用半导体光放大器将上行数据调制到所述特定波长的单模相干光源。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述半导体激光器是FP激光器，其通过偏压调谐选择锁定外部注入光若干波长中的一个特定波长。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述外部注入光的若干波长由设置在无源光网络系统远程节点中光纤光栅通过反射形成多个反射波长。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述FP激光器被配置为通过更改FP激光器的纵模间距△λ错开注入光的若干波长和FP纵模之间的对准，使得其中一个波长对准FP激光器的纵模峰值。

16.如权利要求12至13任一权项所述的方法，其特征在于所述外部注入光由设置在无源光网络系统远程节点中阵列波导光栅切割形成，并在远程节点反射回光网络单元。

17.一种无源光网络系统中的远程节点，其特征在于包括：

光耦合器，耦合于光分支器和光纤线路终端之间，输出部分光源；

与所述光耦合器耦合的多模光纤光栅，用于反射多个特定波长，所述多个特定波长被反射回光网络单元，以用于光网络单元锁定其中一个特定波长并发射出该特定波长的单模相干光源，该单模相干光源用于上行数据调制。