CN106921440A - 一种用于光网络单元的低成本的可调光发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于光网络单元的可调光收发机，以及一种用于光网络单元的光收发机。在本发明的一个实施例中，可调光收发机包括：FP-LD，其输出上行光信号；光环行器；可调滤波器，其经由光环行器接收上行光信号，并且将上行光信号过滤成目标上行光信号；光耦合器，其将目标上行光信号分路成第一上行光信号和第二上行光信号，其中，第一上行光信号被传输至光线路终端，第二上行光信号经由光环行器被反馈至法布里珀罗型激光二极管，以便FP-LD基于第二上行光信号来产生波长可调的上行光信号。依据本发明的光发射机/光收发机成本较低，并且能够传输质量较高的高速光信号。本发明也特别适用于40Gb/s的TWDM-PON。

Description

一种用于光网络单元的低成本的可调光发射机
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低成本的可调光发射机，以及可调光收发机。
背景技术
时分波分复用无源光网络(TWDM-PON)经由多个波长对通过堆叠XGPON来产生高速汇聚的PON速率。因此，TWDM-PON通过叠加四个波长提供下行40Gbps的总带宽，上行10Gbps的总带宽，这满足了下一代无源光接入网(NG-PON2)的速率要求。对于单个波长中，TWDM-PON仍旧使用了XG-PON的下行复用和上行接入技术、时隙颗粒度、多播能力和带宽分配机制。
然而，随着新的业务应用的发展，例如无线回传、在线游戏和交互式视频服务，运营商希望在PON系统中支持更高的上行带宽。当前，TWDM-PON仅能够支持总的10Gb/s的上行带宽，这并不能够满足不断增加的上行带宽的需求。近期，FSAN/ITU正考虑使用对称的40Gb/s的TWDM-PON作为来支持总的40Gb/s的上行带宽。对于40Gb/s的对称的TWDM-PON，最大的挑战在于如何设计低成本的上行发射机，该上行发射机必须支持10Gb/s的高速调制速率、灵活的带宽可调性以及低成本。
在现有技术中，波长可调技术被用于实现光网络单元(opticalnetwork unit,ONU)中的可调发射机。在此，可调激光器被用作上行信号发射机。
然而，可调激光器是非常昂贵的设备。特别地，NG-PON2需要支持大于1:64的分光比，这就意味着需要至少64个可调激光器来用作ONU的发射机。这将带来巨大的实施成本，并且不可避免地限制TWDM-PON系统的大范围部署。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种低成本的可调的ONU发射机，以解决上述问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于光网络单元的可调光发射机。所述可调光发射机包括：法布里珀罗型激光二极管，其配置为输出上行光信号；光环行器；可调滤波器，其经由所述光环行器接收所述上行光信号，并且将所述上行光信号进行滤波以获得目标上行光信号；光耦合器，其将所述目标上行光信号分路成第一上行光信号和第二上行光信号，其中，所述第一上行光信号被传输至光线路终端，所述第二上行光信号经由所述光环行器被反馈至所述法布里珀罗型激光二极管，以便所述法布里珀罗型激光二极管基于所述第二上行光信号来产生波长可调的所述上行光信号。
优选地，所述第一上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率小于所述第二上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率。
优选地，所述第一上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的10％，并且所述第二上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的90％。
优选地，所述第一上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的5％，并且所述第二上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的95％。
优选地，所述可调光发射机还包括：偏振控制器，其设置在所述光环行器与所述光耦合器之间，并且用于保持所述第二上行光信号的偏振态的稳定。
优选地，所述可调光发射机还包括：放大器，其与所述光耦合器耦合，并且用于放大所述第一上行光信号，以满足上行传输所需要的光功率预算。
优选地，所述法布里珀罗型激光二极管基于所述第二上行光信号的注入锁定来调节所述上行光信号，直至所述上行光信号的光谱稳定成所述目标上行光信号的光谱。
优选地，所述法布里珀罗型激光二极管还被配置为将上行数据直接调制至所述第一上行光信号。
优选地，所述可调光发射机还包括：调制器，其将上行数据调制至第一上行光信号。
优选地，所述可调光发射机基于来自所述光线路终端的控制信息来将所述可调滤波器的中心波长调节至所述目标上行光信号的波长。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于光网络单元的可调光收发机，包括：根据本发明的可调光发射机；以及下行接收机；其中，所述可调滤波器还用于接收下行光信号并向所述下行接收机滤出目标下行光信号。
优选地，所述可调滤波器为梳状滤波器，以用于同时选择下行和上行所需的波长。由此，可调滤波器可以同时输出目标上行光信号和目标下行光信号。
优选地，所述梳状滤波器的自由光谱范围被配置为不同于上行波长通道与下行波长通道之间的波长间隔。
根据本发明的第三方面，提出了一种光网络单元，其包括根据本发明的可调光发射机或根据本发明的可调光收发机。
本发明的优点至少在于：
1.低成本：在本发明中，通过自注入锁定模式，一个常用的低成本的FP-LD能够用作ONU端的可调发射机，而不使用昂贵的可调激光器；
2.单个ONU波长调节：在本发明中，一个可调滤波器能够用于同时选择目标下行波长以及目标上行波长，从而简化了上下行的波长调节过程。而在传统方案中，上述两个过程是相互独立的，因此导致了复杂的波长管理系统。并且上下行只使用一个可调滤波器，依据本发明的可调光发射机可以作为ONU的收发机使用。
3.10Gb/s上行速率：能够例如调制10Gb/s的二进制启闭键控(OOK，On-Off Keying)光信号(也即，二进制光强度调制格式)和16/32QAM的OFDM信号，并且实现基于连续波长的注入锁定式的FP-LD的光纤传输。因此，能够以低成本来产生对称的40Gb/s的TWDM-POM。
因此，本发明特别适用于40Gb/s的TWDM-PON。
综上，通过本发明提出了一种价廉且高效的可调ONU的发射机，其速率较高(例如具有10Gb/s的调制带宽)并且改善了下行功率负担以支持更远的传输距离和更高的分光比。此外，在本发明的一个优选的实施例中，该可以实现一种用于ONU的收放机。
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示出了依据本发明的一个实施例的用于光网络单元的光发射机的结构图；
图2a示出了依据本发明的一个实施例的光发射机所产生的目标上行光信号的频谱图；
图2b示出了依据本发明的一个实施例的光发射机所产生的四个目标上行光信号的频谱图；
图3a示出了依据本发明的一个实施例的光发射机进行背靠背传输情况下的速率为10Gbps的目标上行光信号的眼图；
图3b示出了依据本发明的一个实施例的光发射机进行20km光纤传输情况下的速率为10Gbps的目标上行光信号的眼图；
图4a示出了依据本发明的一个实施例的光发射机进行速率为10Gbps的16QAM信号传输情况下的星座图；
图4b示出了依据本发明的一个实施例的光发射机进行速率为10Gbps的64QAM信号传输情况下的星座图；以及
图5示出了依据本发明的另一个实施例的用于光网络单元的光收发机的结构图。
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
依据本发明的低成本的可调的ONU发射机基于使用反馈光回路(fiber loop)的自注入式的法布里珀罗型激光二极管(FP-LD)。本发明的思路至少在于：
1.FP-LD产生的多纵模(multi-longitudinal mode)的上行光信号，并且被输出至可调滤波器。该可调滤波器用于滤出一个期望波长的纵模上行光信号(即目标上行光信号)。
2.滤出的单纵模上行光信号由反馈光回路反射，并且重新注入至原来的FP-LD中。
3.反馈光回路例如包括光环行器、光耦合器，并且优选地还包括偏振控制器。此外，可调滤波器也位于反馈光回路中。
4.通过反馈光回路的反复振荡，所滤出的单纵模上行光信号会被锁定，最终，FD-LD能够产生功率稳定的、纵模上行光信号。该纵模上行光信号可以根据需要具有不同的波长。
5.基于自注入式FP-LD技术，能够经由如下方式：即通过调节可调滤波器的中心波长来直接将FP-LD调制到期望的波长这一方式，来简便地实现波长可调的上行发射机。
在本发明中，将基于具有可调滤波器的反馈光回路的、自注入式锁定的FP-LD作为可调的ONU发射机，而不使用昂贵的可调分布式反馈激光器。通过调节可调滤波器的中心波长来选择期望的单纵模，FP-LD由此能够输出功率稳定的(并且可以根据需要调节至多个不同的波长)的纵模上行光信号。因此，其能够用作ONU的信号调制的可调谐激光器。
图1示出了依据本发明的一个实施例的用于光网络单元的可调光发射机的结构图。
如图1所示，可调光发射机10包括FP-LD 11、光环行器12、可调滤波器13、光耦合器14。在此，光环行器12、可调滤波器13和光耦合器14构成了反馈光回路。优选地，可调光发射机10还可以包括偏振控制器15，其也设置在反馈光回路中。
在本发明中，一个FP-LD 11用作具有多纵模(MLM)输出的原始光源，并且使用一个可调滤波器13从中选择特定的单纵模。在图1中的左下角示出了FP-LD 11产生的多纵模的上行光信号的频谱图。
具体地，FP-LD 11输出的上行光信号经由光环行器12的a端口输入。随后，在光环行器12的b端口将上行光信号输出至可调滤波器13。可调滤波器13的中心波长可以调节至期望的波长，由此可以将多纵模的上行光信号过滤成期望的单纵模上行光信号(即目标上行光信号)。
在本发明的一个实施例中，ONU在相应的波长通道中接收到来自光线路终端(optical line terminal,OLT)的下行控制信号，而该下线控制信号将指示期望的波长。在此情况下，将触发对可调滤波器的中心波长的校准和调节，以将该中心波长调节至期望的波长，从而过滤出目标上行光信号。例如，ONU中的控制电路将被触发来对可调滤波器的中心波长进行校准。
因此，在本发明中，FP-LD 11的多纵模的输出将被匹配至可调滤波器的一个波长选择模式，以输出需要的单纵模的光信号。
仍参照图1，可调滤波器13与一个1x2光耦合器14耦合。该光耦合器14设置成将目标上行光信号分离成第一上行光信号与第二上行光信号。
优选地，第一上行光信号的功率占目标上行光信号的功率小于第二上行光信号的功率占目标上行光信号的功率。
更优选地，第一上行光信号的功率占目标上行光信号的功率的10％，并且第二上行光信号的功率占目标上行光信号的功率的90％。
替代地，第一上行光信号的功率占目标上行光信号的功率的5％，并且第二上行光信号的功率占目标上行光信号的功率的95％。
优选地，如果光器件的插入损耗过大，可调光发射机10还需包括放大器(图中未示出)，其与光耦合器14耦合，用于放大第一上行光信号，从而满足上行传输所需要的光功率预算。
进一步地，可调光发射机10还包括调制器(图中未示出)，其用于将上行数据调制至相应的光信号。
在本发明的一个实施例中，FP-LD 11可直接调制上行数据至上行光信号，从而后续各个光信号都将携带这些上行数据。
替代地，在本发明的另一实施例中，调制器可以设置在光耦合器14的下游，以将上行数据调制至第一上行光信号。
随后，携带上行数据的第一上行光信号将被发送至OLT。
第二上行光信号则将被输送至光环行器12的c端口。在配置有偏置控制器15的情况下，偏振控制器15将保持第二上行光信号的偏振态的稳定，以提高传输的质量。随后，经由偏振控制器15处理的第二上行光信号将被输送至光环行器12的c端口。
随后，光环行器12的a端口将该第二上行光信号反馈至FP-LD11。
因此，光环行器12、可调滤波器13、光耦合器14(优选地还有偏振控制器15)组成了一个波长选择和反射设备，其用于将选择的纵模上行光信号反射给输出上行光信号的FP-LD 11。换而言之，滤出的单纵模将被反馈设备反射，并且经由反馈光回路注入回FP-LD11。
通过将目标波长的单纵模上行光信号反馈回FP-LD 11，FP-LD11的输出波长将被锁定至所选择的目标上行波长而其他的模式将被抑制。此后，目标上行波长将从FP-LD再次输出，并且随后又进入反馈光回路。从而，第二上行光信号将被注入锁定。在本发明中，利用了FP-LD的这种属性并且结合反馈光回路的反馈特性形成了一种自注入式锁定的FP-LD，并将其作为ONU的发射机。
优选地，取决于所要求的精度，上述反馈过程将实施直至上行光信号的光谱稳定成目标上行光信号的光谱。上述反馈过程也是一种自适应的调节过程，在反馈过程中也无需进一步调节FP-LD。而当需要改变目标上行波长时，也只需调节可调滤波器的中心波长，因此操作简便且成本较低。由此，通过前述的反馈光回路，使得FP-LD输出的光信号的波长是可调节的。
在图1中右下方示出了四个具有不同的波长λ1u,λ2u,λ3u和λ4u的目标上行光信号的频谱图。如前所述，这例如通过调节可调滤波器13的中心波长来产生的。本领域的技术人员应当理解，上述四个波长仅仅是示例，通过调节可调滤波器13的中心波长可以产生任意多个不同波长的稳定功率的目标上行光信号。
综上所述，反馈的第二上行光信号是由可调滤波器13选择的。并且经由下述路径来传输：FP-LD 11→光环行器12→可调滤波器13→光耦合器14的功率较大的输出端口→优选地经过偏振控制器15→光环行器12→FP-LD 11→光环行器12→可调滤波器13→光耦合器14的功率较小的输出端口。在此，上述光回路形成了激光反馈谐振腔。并且，仅仅只有在可调滤波器13的反射频谱内的波长被共振来实现单纵模。
图2a示出了依据本发明的一个实施例的可调光发射机所产生的目标上行光信号的频谱图，其横坐标为波长。如图所示，边模抑制比大于30dB。
图2b示出了依据本发明的一个实施例的可调光发射机所产生的四个目标上行光信号的频谱图，其横坐标为波长。上述四个目标上行光信号并不是同时产生的，而是在不同时刻产生的。为显示波长调谐区域的大小，将上述四个目标上行光信号同时显示在一个频谱图中。如果继续控制可调滤波器的中心波长进行调节，最终所得到的根据本发明的可调光源的波长调谐区域能够达到40nm。
进一步地，为了验证依据本发明的可调发射机的性能，测试了10Gbps信号调制和光纤传输。
图3a示出了依据本发明的一个实施例的可调光发射机进行背靠背传输情况下的速率为10Gbps的OOK的目标上行光信号的眼图。图3b示出了依据本发明的一个实施例的可调光发射机进行20km光纤传输情况下的速率为10Gbps的OOK的目标上行光信号的眼图。如图3a和3b所示，眼图是完全睁开的。因此，依据本发明的ONU的发射机发送的目标上行光信号的传输质量是非常良好的。
此外，基于所依据本发明的可调光发射机，还调制了10Gbps速率的16QAM和64QAM的OFDM信号，在图4a和b中分别示出了星座图。如图所示，误差向量幅度小于12。因此，这些仿真结果表明：依据本发明的ONU的可调光发射机能够用作40Gbps的TWDM-PON中的上行发射机。
图5示出了依据本发明的另一个实施例的用于光网络单元的可调光收发机的结构图。与图1的所示的实施例不同，图5中的可调光收发机50还能够从OLT接收下行光信号。因此，在该实施例中，该可调光收发机50可以作为ONU的收发机。
在此，将不再描述图5中与图1中相同和相类似的元件，这些元件与图1中相应的元件的功能和原理是相同或类似的。
与图1中不同的是，可调光收发机50还包括下行接收机54，并且图5中的可调滤波器53同时具有下述功能，以进一步减少ONU的成本。
1.接收下行光信号，并从中过滤出目标下行光信号(其具有目标下行波长)，并且将该目标下行光信号输送至下行接收机54。
2.与图1中的可调滤波器13类似，可调滤波器53也能够选择FP-LD的多纵模的上行光信号中的单纵模的目标上行光信号。
3.抑制下行信号噪声以改善光信号噪声比。
优选地，下行波长和上行波长的信道间隔相同。
优选地，梳状滤波器能够用作可调滤波器53。梳状滤波器的自由光谱范围不同于上行波长通道与下行波长通道之间的波长间隔，以便仅有目标下行波长和FP-LD的单纵模被过滤出，而其他波长则与梳状滤波器的传输波峰不对准而被抑制。
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 (14)

1.一种用于光网络单元的可调光发射机，包括：
法布里珀罗型激光二极管，其配置为输出上行光信号；
光环行器；
可调滤波器，其经由所述光环行器接收所述上行光信号，并且将所述上行光信号过滤成目标上行光信号；
光耦合器，其将所述目标上行光信号分路成第一上行光信号和第二上行光信号，其中，所述第一上行光信号被传输至光线路终端，所述第二上行光信号经由所述光环行器被反馈至所述法布里珀罗型激光二极管，以便所述法布里珀罗型激光二极管基于所述第二上行光信号来产生波长可调的所述上行光信号。
2.根据权利要求1所述的可调光发射机，其特征在于，所述第一上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率小于所述第二上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率。
3.根据权利要求2所述的可调光发射机，其特征在于，所述第一上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的10％，并且所述第二上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的90％。
4.根据权利要求2所述的可调光发射机，其特征在于，所述第一上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的5％，并且所述第二上行光信号的功率占所述目标上行光信号的功率的95％。
5.根据权利要求2所述的可调光发射机，其特征在于，所述可调光发射机还包括：偏振控制器，其设置在所述光环行器与所述光耦合器之间，并且用于保持所述第二上行光信号的偏振态的稳定。
6.根据权利要求1所述的可调光发射机，其特征在于，所述可调光发射机还包括：放大器，其与所述光耦合器耦合，并且用于放大所述第一上行光信号，以满足上行传输所需要的光功率预算。
7.根据权利要求1所述的可调光发射机，其特征在于，所述法布里珀罗型激光二极管基于所述第二上行光信号的注入锁定来调节所述上行光信号，直至所述上行光信号的光谱稳定成所述目标上行光信号的光谱。
8.根据权利要求1所述的可调光发射机，其特征在于，所述法布里珀罗型激光二极管还被配置为将上行数据直接调制至所述第一上行光信号。
9.根据权利要求1所述的可调光发射机，其特征在于，所述可调光发射机还包括：调制器，其将上行数据调制至第一上行光信号。
10.根据权利要求1所述的可调光发射机，其特征在于，所述可调光发射机基于来自所述光线路终端的控制信息来将所述可调滤波器的中心波长调节至所述目标上行光信号的波长。
11.一种用于光网络单元的可调光收发机，包括：
根据权利要求1至10中任一项所述的可调光发射机；以及
下行接收机；
其中，所述可调滤波器还用于接收下行光信号并向所述下行接收机滤出目标下行光信号。
12.根据权利要求11所述的可调光收发机，其特征在于，所述可调滤波器为梳状滤波器，以用于同时选择下行和上行所需的波长。
13.根据权利要求12所述的可调光收发机，其特征在于，所述梳状滤波器的自由光谱范围被配置为不同于上行波长通道与下行波长通道之间的波长间隔。
14.一种光网络单元，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的可调光发射机或根据权利要求11至13中任一项所述的可调光收发机。
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