CN110891206A - 一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统 - Google Patents

一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM‑RoF‑PON系统，包括光线路终端、远端节点和多个光网络单元。利用光学频率梳为系统提供多载波光源，简化了光线路终端的结构，降低了系统的光源成本。上、下行链路均采用偏振复用技术，极大地提升了系统的载波利用率。上行链路信号由下行链路预留的光载波承载，在光网络单元中不需要额外的本地光源，简化了光网络单元的结构，降低了功耗。在光网络单元中可同时实现有线和无线接入，保证了用户接入方式的灵活性，所需设备简单、系统易于实现。

Description

一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统。
背景技术
随着移动通信业务的飞速增长，目前低速率、窄带宽的无线接入网难以满足高数据速率和大带宽的需求。由于高频的微波波段具有更大的通信容量和更高的数据传输速率，越来越多的研究人员把注意力集中在高频微波波段。然而高频微波信号在大气中的衰减较大而且绕射能力差，因此高频微波信号在无线通信中的传播距离受到了很大的限制。
RoF技术结合了光纤通信和无线通信的优点，利用分布式基站架构可以有效地解决高频微波信号覆盖范围有限的问题。将RoF系统与波分复用(WDM)技术相结合形成WDM-RoF系统，可实现有线和无线网络之间的无缝连接。基于光纤接入的波分复用无源光网络(WDM-PON)为每个最终用户提供了一个波长级的接入通道，可为用户提供高速率的有线接入，但有线接入方式在一定程度上限制了用户接入网络的灵活性。通过将WDM-RoF技术与WDM-PON技术相融合形成WDM-RoF-PON系统，能够同时实现无线接入与有线接入，增强用户接入网络的灵活性。
WDM-RoF-PON系统是未来全光网络的发展趋势，但在现有的WDM-RoF-PON系统中，系统光源复杂、成本高，系统中信号光与拍频光由独立的光载波组合而成，载波利用率较低。且ONU中需要额外的激光器为上行链路提供光源，导致ONU的结构复杂，功耗较高、成本也高。
发明内容
本发明提供了一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，解决了系统结构复杂、载波利用率低和成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，包括光线路终端、远端节点和多个光网络单元；所述光线路终端，用于产生光学频率梳作为多载波光源，将多载波光源经波分解复用分为多路光载波，光载波通过偏振分束器分为X、Y两个正交偏振方向，X、Y偏振方向的光载波经光单边带调制后成X、Y偏振方向的光单边带信号，X、Y偏振方向的光单边带信号经偏振合束器偏振复用为两个正交偏振方向的光单边带信号，多路两个正交偏振方向的光单边带信号经波分复用后传输至远端节点；所述远端节点，用于接收多路两个正交偏振方向的光单边带信号并将其分成多个通道的光单边带信号；所述光网络单元，用于将每个通道的光单边带信号分离，分离成X偏振方向的光单边带信号和Y偏振方向的光单边带信号，Y偏振方向的光单边带信号经光电探测器拍频产生微波信号，放大微波信号用于无线通信；X偏振方向的光单边带信号经过光环形器输入到光纤光栅，由光纤光栅输出的+1阶边带经光电探测器转换为电域信号用于有线接入，由光纤光栅反射的光载波通过光环形器输出作为上行链路的光源，上行光载波通过偏振分束器分为X、Y两个正交偏振方向，上行光载波经强度调制后由偏振合束器输出；多个所述光网络单元输出上行光信号并传输至所述远端节点，所述远端节点将上行光信号波分复用并传输至所述光线路终端；所述光线路终端将接收的上行光信号波分解复用，并将上行光信号经偏振解复用分离成上行无线信号与上行有线信号，上行无线信号与上行有线信号分别通过光电探测器转换为电信号。
进一步地，所述光单边带信号包括光载波和相应的+1阶边带。
进一步地，所述波分复用与波分解复用均采用阵列波导光栅。
进一步地，所述多载波光源经波分解复用分为多路光载波具体为：多载波光源经阵列波导光栅分为多路单独波长通道的光载波。
进一步地，所述光单边带调制具体为马赫-曾德尔调制器偏置在正交偏置点。
进一步地，所述马赫-曾德尔调制器包括第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器，第一马赫-曾德尔调制器用于调制X偏振方向的光载波、第二马赫-曾德尔调制器用于调制Y偏振方向的光载波；第一马赫-曾德尔调制器由下行有线基带信号与射频信号混频后驱动，第二马赫-曾德尔调制器由下行无线基带信号与射频信号混频后驱动。
进一步地，所述偏振复用包括依次经过同一光路上设置的偏振控制器、偏振分束器以及偏振合束器；偏振控制器用于调节光源在X和Y偏振方向的功率分配比。
进一步地，所述光线路终端与所述远端节点之间通过单模光纤传输。
进一步地，各所述光网络单元中光纤光栅的中心频率为对应的光学频率梳各个梳线的频率。
进一步地，所述强度调制包括强度调制器，强度调制器用于将上行无线信号与上行有线信号调制到预留给上行链路光载波的X、Y两个正交偏振方向上。
本发明所达到的有益效果：利用光学频率梳为系统提供多载波光源，简化了光线路终端的结构，降低了系统的光源成本。上、下行链路均采用偏振复用技术，极大地提升了系统的载波利用率。上行链路信号由下行链路预留的光载波承载，在光网络单元中不需要额外的本地光源，简化了光网络单元的结构，降低了功耗。在光网络单元中可同时实现有线和无线接入，保证了用户接入方式的灵活性，所需设备简单、系统易于实现。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明可调谐光学频率梳产生器产生的光梳频谱图；
图3为本发明下行链路X偏振方向多路有线光单边带信号经波分复用后的频谱图；
图4为本发明下行链路Y偏振方向多路无线光单边带信号经波分复用后的频谱图；
图5为本发明下行链路X偏振方向第一路有线光单边带信号的频谱图；
图6为本发明下行链路Y偏振方向第一路无线光单边带信号的频谱图；
图7为本发明下行链路Y偏振方向第一路无线光单边带信号经拍频产生的微波信号的频谱图；
图8为本发明下行链路X偏振方向第一路携带有线信号的+1阶边带经光纤光栅透射的频谱图；
图9为本发明上行链路X偏振方向的多路无线信号经波分复用后的频谱图；
图10为本发明上行链路Y偏振方向的多路有线信号经波分复用后的频谱图；
图11为本发明下行链路第一路有线信号在B-T-B传输的眼图；
图12为本发明下行链路第一路有线信号在20km SMF传输的眼图；
图13为本发明下行链路第一路无线信号在B-T-B传输的眼图；
图14为本发明下行链路第一路无线信号在20km SMF传输的眼图；
图15为本发明上行链路第一路无线信号在B-T-B传输的眼图；
图16为本发明上行链路第一路无线信号在20km SMF传输的眼图；
图17为本发明上行链路第一路有线信号在B-T-B传输的眼图；
图18为本发明上行链路第一路有线信号在20km SMF传输的眼图；
图19为本发明下行链路第八路有线信号在B-T-B传输的眼图；
图20为本发明下行链路第八路有线信号在20km SMF传输的眼图；
图21为本发明下行链路第八路无线信号在B-T-B传输的眼图；
图22为本发明下行链路第八路无线信号在20km SMF传输的眼图；
图23为本发明上行链路第八路无线信号在B-T-B传输的眼图；
图24为本发明上行链路第八路无线信号在20km SMF传输的眼图；
图25为本发明上行链路第八路有线信号在B-T-B传输的眼图；
图26为本发明上行链路第八路有线信号在20km SMF传输的眼图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
TOFC generator1表示可调谐光学频率梳产生器，AWG2、AWG11、AWG13、AWG25、AWG27表示阵列波导光栅，PC3、PC20表示偏振控制器，PBS4、PBS14、PBS21、PBS28表示偏振分束器，MZM5、MZM6表示马赫-曾德尔调制器，PBC7、PBC24表示偏振合束器，RF8表示射频信号，Mixer9、Mixer10表示混频器，PD15、PD19、PD29、PD30表示光电探测器，OC17表示光环形器，FBG18表示光纤光栅，EA16表示电放大器，IM22、IM23表示强度调制器，SMF12、SMF26表示单模光纤。
如图1所示，一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，包括光线路终端、远端节点和多个光网络单元。
光线路终端OLT包括：包括可调谐光学频率梳产生器、阵列波导光栅、偏振控制器、偏振分束器、马赫-曾德尔调制器、偏振合束器、射频信号、混频器。可调谐光学频率梳产生器TOFC generator1产生等频率间隔的光梳作为系统的多载波光源，多载波光源经阵列波导光栅AWG2分为多路单独波长通道的光载波，每一路光载波采用相同的偏振复用方式和调制方式。第一路光载波经偏振控制器PC3输入到偏振分束器PBS4，通过偏振分束器PBS4分成X、Y偏振方向的光载波(即Pol-X和Pol-Y)，X、Y偏振方向的光载波经光单边带调制后成X、Y偏振方向的光单边带信号，两个正交偏振方向的光单边带信号通过偏振合束器PBC7，然后两个正交偏振方向的多路光单边带信号经阵列波导光栅AWG11波分复用后通过单模光纤SMF12传输至远端节点RN。
偏振控制器PC3能够调节光源在X和Y偏振方向的功率分配比。马赫-曾德尔调制器包括第一马赫-曾德尔调制器MZM6和第二马赫-曾德尔调制器MZM5，第一马赫-曾德尔调制器MZM6用于调制X偏振方向的光载波、第二马赫-曾德尔调制器MZM5用于调制Y偏振方向的光载波；第一马赫-曾德尔调制器由下行有线基带信号与射频信号RF8混频后驱动，第二马赫-曾德尔调制器由下行无线基带信号与射频信号RF8混频后驱动。且两个马赫-曾德尔调制器均偏置在正交偏置点以实现光单边带调制。经两个马赫-曾德尔调制器调制后的X、Y偏振方向的光单边带信号均包括光载波和相应的+1阶边带。本实施例中，马赫-曾德尔调制器为铌酸锂马赫-曾德尔调制器。
远端节点RN包括阵列波导光栅AWG13，用于接收多路光单边带信号并将其分成多个通道的光单边带信号。每个通道包括X、Y两个正交偏振方向的一路光载波和相应的+1阶边带。
光网络单元ONU包括偏振分束器、偏振合束器、偏振控制器、光电探测器、电放大器、光环形器、光纤光栅和强度调制器。在光网络单元ONU1端，偏振分束器PBS14用于将第一通道的光单边带信号分离，分离成X偏振方向的光单边带信号和Y偏振方向的光单边带信号，光单边带信号包括光载波和+1阶边带。Y偏振方向的光单边带信号经光电探测器PD15拍频产生微波信号，经电放大器EA16放大微波信号用于无线通信。X偏振方向的光单边带信号经过光环形器OC17输入到光纤光栅FBG18，由光纤光栅FBG18输出的携带下行有线信号的+1阶边带经光电探测器PD19转换为电域信号用于有线接入；由光纤光栅FBG18反射的光载波通过光环形器OC17输出作为上行链路的光载波，上行链路光载波采用与下行链路相同的偏振复用方式。上行光载波通过偏振分束器PBS21分为X、Y两个正交偏振方向，由强度调制器(IM22、IM23)将上行无线信号与有线信号调制到预留给上行链路光载波的X、Y两个正交偏振方向上。上行光载波由强度调制器调制后经过偏振合束器输出。本实施例中，强度调制器优选为单电极马赫-曾德尔调制器。
多个光网络单元ONU的上行光信号在远端节点RN中，由阵列波导光栅AWG25波分复用并通过单模光纤SMF26传输至光线路终端OLT。在光线路终端OLT中，将接收的上行光信号由阵列波导光栅AWG27波分解复用，经偏振分束器PBS28将上行无线光信号与有线光信号分离，上行无线光信号与有线光信号分别由光电探测器PD29和PD30转换为电信号。
本实施例中，各光网络单元ONU中光纤光栅的中心频率与其对应的光学频率梳各个梳线的频率相同。
使用时，可调谐光学频率梳产生器产生频率间隔为fc的n根光梳作为系统的多载波光源，多载波光源经输出端口带宽为fc的AWG2分为n路单独波长通道的光载波，每一路光载波采用相同的偏振复用方式和调制方式。第一路光载波经PC3输入到PBS4，通过PBS4分成两个正交偏振方向的光信号(即Pol-X和Pol-Y)，调节PC3改变光源在X和Y偏振方向的功率分配比γ。上、下支路的MZM分别由下行无线基带信号和下行有线基带信号与频率为fRF的RF8混频后驱动，调节两个MZM偏置电压Vb使其偏置在正交偏置点以实现光单边带调制。经两个MZM调制后的X、Y偏振方向的光单边带信号均包括光载波和相应的+1阶边带，光载波与相应的+1阶边带频率间隔为fRF，两个正交偏振方向的光单边带信号通过PBC7进行偏振复用，然后两个正交偏振方向的n路光单边带信号经端口带宽为fc的AWG11波分复用后通过SMF12传输至RN。RN端，由输出端口带宽为fc的AWG13将多路光单边带信号分成n个通道，每个通道包括X、Y两个正交偏振方向的一路光载波和相应的+1阶边带。在ONU1端，偏振分束器PBS14用于将每个通道的光单边带信号分离，Y偏振方向的光载波和+1阶边带经PD15拍频后产生频率为fRF的微波信号，然后经EA16放大后通过天线用于无线通信。X偏振方向的光信号经过OC17输入到FBG18，携带下行有线信号的+1阶边带透射，通过PD19将此信号转换为电域信号用于有线接入。X偏振方向的光信号中的光载波由FBG18反射并通过OC17输出，作为上行链路的光源，通过采用与下行链路相同的偏振复用方式，由IM22和IM23分别将上行无线信号与有线信号调制到预留给上行链路光载波的X、Y两个正交偏振方向上。在RN中将n个ONU的上行光信号由AWG25波分复用并通过SMF26传输至OLT，上行链路的光信号由AWG27波分解复用，经PBS28将上行无线信号与有线信号分离，然后通过光电探测转换为电信号。
实施例1
在OLT端，可调谐光学频率梳产生器产生频率范围为192.94THz～193.22THz、频率间隔为fc＝40GHz、线宽为10MHz、功率约为12.5dBm的8条平坦光梳，如图2所示。8条平坦的光梳作为WDM-RoF-PON系统的多载波光源，多载波光源经输出端口带宽为40GHz的AWG2分为8路单独波长通道的光载波，每一路光载波采用相同的偏振复用方式和调制方式。第一路光载波经PC3输入到PBS4分成两个正交偏振方向(即Pol-X和Pol-Y)，通过设置PC3为20度，使X偏振方向光载波的功率略高于Y偏振方向光载波的功率。MZM5与MZM6分别由10Gbit/s下行无线基带数据和10Gbit/s下行有线基带数据与频率fRF＝20GHz的RF8混频后驱动，且两个MZM均偏置在正交偏置点以实现光单边带调制。两个MZM的消光比和插入损耗分别为30dB和5dB，半波电压为4V，直流偏置电压Vb＝2V，每个MZM上、下支路的相位差均为90度。上支路MZM5的调制指数为π/4，下支路MZM6的调制指数为π/8。经两个MZM调制后的X、Y偏振方向的光信号均包括光载波和相应的+1阶边带，光载波与相应的+1阶边带频率间隔为20GHz，两个正交偏振方向的光单边带信号通过PBC7进行偏振复用，然后两个正交偏振方向的8路光单边带信号经AWG11波分复用后通过SMF12传输至RN，SMF12的色度色散为16.75ps/nm·km，衰减系数为0.2dB/km。下行链路X偏振方向和Y偏振方向多路光单边带信号经波分复用后的频谱图分别如图3和图4所示。
在RN端，多路光单边带信号被输出端口带宽为40GHz的AWG13分为8个通道，每个通道包括X、Y两个正交偏振方向的一路光载波和相应的+1阶边带。
在ONU1端，PBS14将X、Y偏振方向的光信号分离，X偏振方向与Y偏振方向的光单边带信号频谱分别如图5和图6所示。Y偏振方向的光载波和+1阶边带经PD15拍频得到频率为20GHz的微波信号，如图7所示，其中PD15的响应度R＝1A/W，然后微波信号经EA16和天线发射给无线用户。X偏振方向的光信号经过OC17输入到带宽为5GHz、中心频率为192.94THz的FBG18，携带下行有线信号的+1阶边带透射，如图8所示，通过响应度为1A/W的PD19将此信号转换为电信号用于有线接入。上行链路中，由FBG18反射的光载波通过OC17输出作为上行链路的光源，设置PC20为45度，使得经PBS21分离后的两个正交偏振方向的光载波功率相等。通过两个IM将10Gbit/s的上行无线信号与10Gbit/s的上行有线信号分别调制到预留给上行链路光载波的X、Y两个正交偏振方向上，然后经PBC24偏振复用后传输至RN。
所述RN在上行链路时，通过带宽为40GHz、中心频率为光梳各梳线频率的AWG25将来自8个ONU的上行信号进行波分复用，波分复用后的X、Y偏振方向的多路光信号分别如图9和图10所示。然后通过SMF26传输至OLT，在OLT中采用带宽为40GHz、中心频率为光梳各梳线频率的AWG27波分解复用，经PBS28将上行无线信号与有线信号分离，通过光电探测转换为电信号。其中，上行链路所使用的单模光纤和光电探测器与下行链路均相同。
为了验证上、下行链路的传输性能，对接收到的有线和无线信号进行解调。以第一路和第八路为例，第一路下行10Gbit/s的有线信号在不经过光纤传输(B-T-B)和经过20km标准单模光纤传输(20km SMF)的眼图分别如图11和图12所示。第一路下行10Gbit/s的无线信号在不经过光纤传输(B-T-B)和经过20km标准单模光纤传输(20km SMF)的眼图分别如图13和图14所示。下行链路所预留的光载波承载上行10Gbit/s的无线和有线信号，第一路上行无线信号在B-T-B和20km SMF传输的眼图分别如图15和图16所示。第一路上行有线信号在B-T-B和20km SMF传输的眼图分别如图17和图18所示。第八路下行10Gbit/s的有线信号在B-T-B和20km SMF传输的眼图分别如图19和图20所示。第八路下行10Gbit/s的无线信号在B-T-B和20km SMF传输的眼图分别如图21和图22所示。第八路上行10Gbit/s的无线信号在B-T-B和20km SMF传输的眼图分别如图23和图24所示。第八路上行10Gbit/s的有线信号在B-T-B和20km SMF传输的眼图分别如图25和图26所示。由眼图可以看出，光纤的色散使信号质量产生了一定程度的劣化，但在20km SMF传输后，眼睛仍保持睁开状态，表明该WDM-RoF-PON系统的上、下行链路传输性能良好。
以上所述仅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技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，包括光线路终端、远端节点和多个光网络单元；
所述光线路终端，用于产生光学频率梳作为多载波光源，将多载波光源经波分解复用分为多路光载波，光载波通过偏振分束器分为X、Y两个正交偏振方向，X、Y偏振方向的光载波经光单边带调制后成X、Y偏振方向的光单边带信号，X、Y偏振方向的光单边带信号经偏振合束器偏振复用为两个正交偏振方向的光单边带信号，多路两个正交偏振方向的光单边带信号经波分复用后传输至远端节点；
所述远端节点，用于接收多路两个正交偏振方向的光单边带信号并将其分成多个通道的光单边带信号；
所述光网络单元，用于将每个通道的光单边带信号分离，分离成X偏振方向的光单边带信号和Y偏振方向的光单边带信号，Y偏振方向的光单边带信号经光电探测器拍频产生微波信号，放大微波信号用于无线通信；X偏振方向的光单边带信号经过光环形器输入到光纤光栅，由光纤光栅输出的+1阶边带经光电探测器转换为电域信号用于有线接入，由光纤光栅反射的光载波通过光环形器输出作为上行链路的光源，上行光载波通过偏振分束器分为X、Y两个正交偏振方向，上行光载波经强度调制后通过偏振合束器输出；
多个所述光网络单元输出上行光信号并传输至所述远端节点，所述远端节点将上行光信号波分复用并传输至所述光线路终端；
所述光线路终端将接收的上行光信号波分解复用，并将上行光信号经偏振解复用分离成上行无线信号与上行有线信号，上行无线信号与上行有线信号分别通过光电探测器转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述光单边带信号包括光载波和相应的+1阶边带。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述波分复用与波分解复用均采用阵列波导光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述多载波光源经波分解复用分为多路光载波具体为：多载波光源经阵列波导光栅分为多路单独波长通道的光载波。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述光单边带调制具体为马赫-曾德尔调制器偏置在正交偏置点。
6.根据权利要求5所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述马赫-曾德尔调制器包括第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器，第一马赫-曾德尔调制器用于调制X偏振方向的光载波、第二马赫-曾德尔调制器用于调制Y偏振方向的光载波；第一马赫-曾德尔调制器由下行有线基带信号与射频信号混频后驱动，第二马赫-曾德尔调制器由下行无线基带信号与射频信号混频后驱动。
7.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述偏振复用包括依次经过同一光路上设置的偏振控制器、偏振分束器以及偏振合束器；偏振控制器用于调节光源在X和Y偏振方向的功率分配比。
8.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述光线路终端与所述远端节点之间通过单模光纤传输。
9.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，各所述光网络单元中光纤光栅的中心频率为对应的光学频率梳各个梳线的频率。
10.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳和偏振复用的WDM-RoF-PON系统，其特征在于，所述强度调制包括强度调制器，强度调制器用于将上行无线信号与上行有线信号调制到预留给上行链路光载波的X、Y两个正交偏振方向上。
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