CN111756448A - 光模块啁啾管理方法、光模块及dwdm网络 - Google Patents

光模块啁啾管理方法、光模块及dwdm网络 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光模块啁啾管理方法、光模块及DWDM网络。本发明的目的是提供一种光模块啁啾管理方法、光模块及DWDM网络，以低成本地实现了对直接调制激光器的啁啾管理，克服直接调制激光器由于啁啾无法以10G及更高速率信号长距离传输的问题，降低接入型DWDM组网的成本。本发明的技术方案是：一种光模块啁啾管理方法，其特征在于：激光器波长相对链路中合/分波器件通道中心波长向长波方向偏移，使其处于合/分波器件的高通部分，利用合/分波器件对光信号进行滤波整形。本发明适用于光纤通信技术领域。

Description

光模块啁啾管理方法、光模块及DWDM网络
技术领域
本发明涉及一种光模块啁啾管理方法、光模块及DWDM网络。适用于光纤通信技术领域。
背景技术
随着第5代无线通信技术(5G)的商用，AR/VR、4K/8K超高清视频等应用的普及，承载5G前传的光纤接入网的带宽要求逐渐提高。为了提升光纤接入网的带宽和解决前传建设中光纤资源紧张的问题，波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术成为前传建设的改进方向。中国联通牵头起草发布的ITU-T G.698.4标准是接入型密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)组网，进一步提升光纤利用率。
成熟的DWDM组网工作在标准单模光纤的C波段，该波段色散较大。然而直接调制激光器(Directly modulated laser，DML)调制时，调制电流会引起有源区折射率的变化，导致光的相位受到调制，即存在频率啁啾(chirp)，对于10G及以上高调制速率，啁啾使得DML的过纤信号质量严重劣化，有明显的色散代价，在C波段传输距离不超过10km。
目前，商用的DWDM光模块为了扩展传输距离都采用外调制激光器方案，即激光器集成调制器，如电吸收调制器(Electro Absorption Modulator，EAM)、马赫曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。但是外调制方案成本高，同时芯片存在较大的插入损耗(6～8dB)，导致发射功耗居高不下，不适合5G前传这种对成本敏感的应用场景。
另一种解决DML啁啾的方案就是所谓的啁啾管理激光器(chirp managed laser，CML)。该技术将一个DML与一个无源高通滤波器组合成一个发射机。光信号具有正啁啾，位“1”波长短通过无源滤波器，位“0”波长长被无源滤波器衰减，从而增大信号的消光比。并且CML要求将绝热啁啾大小控制为调制速率的一半，这样可以使间隔奇数个位“0”信号的两个位“1”信号之间的相位差为π，同时经过无源滤波器使得位“0”的相位变化从缓变变成突变。这样经光纤色散延时后，位“1”信号展宽到位“0”信号的部分会干涉相消，减小码间串扰，从而抑制脉冲展宽的影响。同时该滤波器与分束器、两个监控光电二极管(MonitorPhotodiode，MPD)组成波长锁定光路，一个MPD监控未经过滤波器的发射光功率，一个MPD监控经过滤波器的发射光功率，当DML波长变化时，经过滤波器的发射光功率变化，此时通过调节激光器波长使得两个MPD监控的光功率之比复原，锁定DML的波长，维持啁啾管理的效果。
目前该技术主要有以下几种实现方式：
(1)华为技术有限公司设计了一种同轴(Transistor Outline，TO)封装CML(专利：光发射机、波长对准方法及无源光网络系统CN 105634614 B)，将窄带光滤波器和额外的MPD直接封装在TO器件中，实现啁啾管理与波长锁定。这是最典型的CML方案，但是光路复杂，封装难度大，成本高。
(2)上海交通大学的毕美华、何浩等人，在时分波分复用无源光网络(TWDM PON)的光线路终端(Optical Line Terminate，OLT)仅部署一个周期性滤波器，用于多路上下行数据信号的啁啾管理，提高了系统的对光纤色散的容忍度，增加了系统传输距离(专利：基于直调激光器的混合波分时分复用无源光网络传输系统CN 103313150 B)。但是这种CML若要增加波长锁定功能需要额外使用导频(pilot tone)、FPGA，造成OLT、光网络单元(OpticalNetwork Unit，ONU)十分复杂，推高了成本。
(3)青岛海信宽带多媒体技术有限公司设计了一种集成FP滤波波导的CML芯片(专利申请：一种激光器CN 108649426 A)，其内置二阶光栅监控光功率和电调节FP滤波波导透射峰位，使出射波长与FP滤波谱线相匹配，故其在封装时无需添加稳定性较差的外置滤波器和分束器，直接在芯片层面实现啁啾管理和波长锁定。但是该芯片相比EML并不简单，插入损耗也不小。
由此，目前急需一种低成本的啁啾管理方案使得光模块可以使用直接调制激光器来降低成本，以使其在5G前传中广泛应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种光模块啁啾管理方法、光模块及DWDM网络，以低成本地实现了对直接调制激光器的啁啾管理，克服直接调制激光器由于啁啾无法以10G及更高速率信号长距离传输的问题，降低接入型DWDM组网的成本。
本发明所采用的技术方案是：一种光模块啁啾管理方法，其特征在于：
激光器波长相对链路中合/分波器件通道中心波长向长波方向偏移，使其处于合/分波器件的高通部分，利用合/分波器件对光信号进行滤波整形。
所述激光器波长由光模块自动相对链路中合/分波器件通道中心波长向长波方向偏移至激光器啁啾管理工作波长；
所述激光器啁啾管理工作波长基于以下方法确定：
调节激光器温控，升高温度，使激光器发出的光信号波长变长；
测量经光纤和合/分波器件的光信号的上升时间，将上升时间最短对应的激光器波长确定为光模块啁啾管理工作波长；
啁啾管理工作波长对应的温度调节量保存在光模块内。
该光模块采用如下波长锁定方法锁定啁啾管理工作波长：
光模块自动将激光器波长偏移到啁啾管理工作波长；
光模块与该光模块链路互通的另一光模块之间建立通信；
光模块获取自身的发射光功率，以及所述另一光模块的光接收功率；
光模块基于发射光功率和光接收功率计算波长漂移量Δλ和相应的温度补偿量ΔT；
根据波长漂移量Δλ判断是否要进行波长补偿，需进行波长补偿时，根据温度补偿量ΔT进行补偿。
所述光模块和所述另一光模块之间进行低速调顶信号通信，从而获取该另一光模块的光接收功率。
光模块定时获取自身的当前发射光功率，以及与该光模块链路互通的另一光模块的当前光接收功率；
基于当前发射光功率和当前光接收功率计算当前链路损耗；
根据当前链路损耗、初始链路损耗、温度补偿系数计算和波长与温度比例系数计算波长漂移量Δλ；
若Δλ超过规定的波长误差阈值，开始补偿波长误差；
根据当前链路损耗、初始链路损耗和温度补偿系数计算温度补偿量ΔT；
基于温度补偿量ΔT调节光模块的激光器温度，补偿波长误差。
所述初始链路损耗和温度补偿系数获取方法，包括：
光模块自动将激光器波长偏移到啁啾管理工作波长；
光模块获取自身的初始发射光功率Tx_0，以及与该光模块链路互通的另一光模块的初始光接收功率Rx_0；
基于初始发射光功率Tx_0和初始光接收功率Rx_0计算得到初始链路损耗Loss_0，Loss_0＝Rx_0/Tx_0；
光模块调节自身激光器温度，升高t℃，并获取升高t℃后自身的发射光功率Tx_+t，以及与该光模块链路互通的另一光模块的光接收功率Rx_+t，计算链路损耗Loss_+t，Loss_+t＝Rx_+t/Tx_+t；
光模块调节自身激光器温度，降低t℃，并获取降低t℃后自身的发射光功率Tx_-t，以及与该光模块链路互通的另一光模块的光接收功率Rx_-t，计算链路损耗Loss_-t，Loss_-t＝Rx_-t/Tx_-t；
计算温度补偿系数k，k＝(Loss_+t-Loss_-t)/2t。
所述波长漂移量Δλ计算公式如下：
Δλ＝Kλ/Tx(Loss_current-Loss_0)/k；
其中Kλ/T为波长与温度的比例系数，Loss_current为当前链路损耗，Loss_0为初始链路损耗，k为温度补偿系数。
所述温度补偿量ΔT计算公式如下：
ΔT＝(Loss_current-Loss_0)/k；
其中Loss_current为当前链路损耗，Loss_0为初始链路损耗，k为温度补偿系数。
一种光模块，具有光发射组件TOSA、光接收组件ROSA和光模块控制单元，其特征在于：所述光模块控制单元按所述的光模块啁啾管理方法进行啁啾管理。
一种DWDM网络，其特征在于：具有若干所述的光模块。
本发明的有益效果是：本发明利用DWDM光纤链路中已有的合/分波器件作为啁啾管理激光器的无源光学滤波器，无需其他额外的光学滤波器，简单又低成本地实现了对DML的啁啾管理，扩展了传输距离。
本发明将远端光模块作为锁波光路的第二个MPD使用，合/分波器件将光波长变化转化为远端光模块接收功率的变化，利用光模块具备的低速调顶信号通信功能，回传经过链路的光功率，这就构成了一个传统锁波光路相同的锁波链路，波长锁定由模块自动进行，无需额外的设备，成本低。
本发明可使得接入型DWDM组网可以使用DML，降低了5G前传的建设成本。
附图说明
图1为实施例中应用合/分波器件做啁啾管理的原理示意图。
图2为实施例中确定啁啾管理工作波长的测试系统图。
图3为实施例中获取温度补偿斜率的原理图
图4为实施例中基于低速调顶信号通信的波长锁定系统图。
图5为实施例中基于低速调顶信号通信的波长锁定的工作流程图。
具体实施方式
本实施例提供一种DWDM网络，具有合/分波器件和多个光模块部署在DWDM网络中，本地光模块经合/分波器件、光纤及合/分波器件与远端光模块实现配对互通，任意一对链路互通的光模块之间进行低速调顶信号通信。
本例中光模块具有光发射组件TOSA、光接收组件ROSA和光模块控制单元，光模块控制单元按以下光模块啁啾管理方法进行啁啾管理，该光模块啁啾管理方法包括以下步骤：
光模块光模块使用直接调制激光器发射高速光信号，发射的高速光信号具有正啁啾，光信号原始波长与合/分波器件通道中心波长重合；
光模块在初始化阶段，自动调节激光器的温控，升温将波长红移到激光器啁啾管理工作波长，使其处于合/分波器件这种带通光学滤波器的高通部分；
利用链路中已有的合/分波器件对高速光信号进行滤波整形。
激光器直接调制时会产生频率啁啾，啁啾的效果为调制信号“1”时波长蓝移，而调制信号“0”时波长红移。由于激光波长在合/分波器件中心的长波侧，合/分波器件表现出高通滤波器特性，对短波(频率高)的损耗小，对长波(频率低)损耗大，光信号被滤波整形，消光比得到提高，脉冲的频率分布得到均衡，高频部分等效于增强，脉冲的抗色散能力增强，从而能够支持长距离光纤传输。
本实施例中激光器啁啾管理工作波长的确定方法，包括：
信号发生器给光模块加载10Gb/s或更高速率信号，光模块的光信号经过光纤，合分波器件后，使用分束器分光，分别接入光谱仪、功率计、波长计、眼图仪，监测分析光信号；
不断调节激光器温控，升高温度，使波长变长，用眼图仪测量得到光信号的上升时间，上升时间最短对应的激光器波长就是激光器啁啾管理的工作波长。
上升时间最短说明脉冲的高频成分最大，滤波的脉宽压缩效果最明显，对光纤色散造成的脉冲展宽的抑制效果最佳，码间串扰减小，能够得到最佳的过光纤传输性能。
本实施例中确定的激光器啁啾管理工作波长会以温度偏移量的形式存储在光模块中。
本实施例中激光器啁啾管理工作波长采用如下波长锁定方法进行锁定，包括以下步骤：
初始化阶段，包括：
光模块启动时自动将激光器波长偏移到啁啾管理工作波长；
本地光模块向远端光模块发送获取接收光功率Rx_0的命令，远端光模块通过低速调顶信号将接收光功率Rx_0反馈给本地光模块，本地光模块收到Rx_0后，结合自身发射光功率Tx_0，计算啁啾管理工作波长处的初始链路损耗Loss_0＝Rx_0/Tx_0，并将初始链路损耗Loss_0存储在本地光模块中；
本地光模块调节激光器温控，升高0.1℃，改变激光器波长，本地光模块向远端光模块发送获取接收光功率Rx_+0.1的命令，远端光模块通过低速调顶信号将Rx_+0.1反馈给本地光模块，本地光模块收到Rx_+0.1后，结合自身当前发射光功率Tx_+0.1，计算链路损耗Loss_+0.1＝Rx_+0.1/Tx_+0.1；
本地光模块调节激光器温控，降低0.1℃，改变激光器波长，本地光模块向远端光模块发送获取接收光功率Rx_-0.1的命令，远端光模块通过低速调顶信号将Rx_-0.1反馈给本地光模块，本地光模块收到Rx_-0.1后，结合当前发射光功率Tx_-0.1，计算链路损耗Loss_-0.1＝Rx_-0.1/Tx_-0.1；
计算温度补偿系数k＝(Loss_+0.1-Loss_-0.1)/0.2，并将温度补偿系数k存储在本地光模块中；
本地光模块初始化阶段结束。
实时锁定阶段，包括：
本地光模块定时发起波长锁定流程；
本地光模块通过低速调顶信号向远端光模块发送读远端光模块当前接收光功率Rx_current的命令，远端光模块通过低速调顶信号向本地光模块回传Rx_current；
本地光模块收到远端光模块回传的Rx_current，结合自身当前发射光功率Tx_current，计算得到当前链路损耗Loss_current＝Rx_current/Tx_current；
本地光模块计算波长漂移量Δλ＝0.1nm/℃x(Loss_current-Loss_0)/k；
若Δλ超过规定的波长误差阈值，开始补偿波长误差，若未超过则不补偿；
计算温度补偿量ΔT＝(Loss_current-Loss_0)/k；
本地光模块调节激光器温控温度至T_new＝T_current-ΔT，T_current为当前激光器温控温度；
本次波长锁定结束，进入下一次波长锁定的定时阶段。
本实施例中中波长漂移不很大时，使用温度补偿系数计算得到的补偿量，可以一次性补偿波长漂移量；在波长漂移很大时，使用温度补偿系数计算得到的补偿量，不能一次性补偿波长漂移量，但多次补偿后，就可以完全补偿漂移量。
远端光模块的波长锁定流程与本地光模块完全一致，跟随本地光模块实现波长锁定。在本地光模块的初始化阶段结束后，通过低速调顶信号告知远端光模块开始它的初始化阶段，流程与本地光模块完全一致。在本地光模块的每次波长锁定结束后，通过低速调顶信号告知远端光模块开始它的波长锁定阶段，流程与本地光模块完全一致。本地光模块和远端光模块是相对而言的，也可以是本地光模块跟随远端光模块实现自动波长锁定。
光模块之间的低速调顶信号通信是模块自身具备的功能，无需外部设备，低速调顶信号速率通常在1kb/s-100kb/s之间，也可以是其它速率的的低速信号，优选的速率为50kb/s，以符合G698.4规定。
光模块的波长和合/分波器件的通道中心波长为满足国际电信联盟电信标准分局ITU-T G694.1协议规定的DWDM标准波长，信道间隔100GHz、50GHz均可，也可以是其他非常规信道间隔。
链路中的合/分波器件的形状、带宽、在链路中的位置无要求，优选高斯型阵列波导光栅。光纤为G652标准单模光纤，在C波段的色散系数为17ps/nm/km。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光模块啁啾管理方法，其特征在于：
激光器波长相对链路中合/分波器件通道中心波长向长波方向偏移，使其处于合/分波器件的高通部分，利用合/分波器件对光信号进行滤波整形。
2.根据权利要求1所述的光模块啁啾管理方法，其特征在于：所述激光器波长由光模块启动时自动相对链路中合/分波器件通道中心波长向长波方向偏移至激光器啁啾管理工作波长；
所述激光器啁啾管理工作波长基于以下方法确定：
调节激光器温控，升高温度，使激光器发出的光信号波长变长；
测量经光纤和合/分波器件的光信号的上升时间，将上升时间最短对应的激光器波长确定为光模块啁啾管理工作波长。
3.根据权利要求1或2所述的光模块啁啾管理方法，其特征在于，该光模块采用如下波长锁定方法锁定波长：
光模块启动时自动将激光器波长偏移到啁啾管理工作波长；
光模块与该光模块链路互通的另一光模块之间建立通信；
光模块获取自身的发射光功率，以及所述另一光模块的光接收功率；
光模块基于发射光功率和光接收功率计算波长漂移量Δλ和相应的温度补偿量ΔT；
根据波长漂移量Δλ判断是否要进行波长补偿，需进行波长补偿时，根据温度补偿量ΔT进行补偿。
4.根据权利要求3所述的光模块啁啾管理方法，其特征在于：所述光模块和所述另一光模块之间进行低速调顶信号通信，从而获取该另一光模块的光接收功率。
5.根据权利要求3或4所述的光模块啁啾管理方法，其特征在于：
光模块定时获取自身的当前发射光功率，以及与该光模块链路互通的另一光模块的当前光接收功率；
基于当前发射光功率和当前光接收功率计算当前链路损耗；
根据当前链路损耗、初始链路损耗、温度补偿系数计算和波长与温度比例系数计算波长漂移量Δλ；
若Δλ超过规定的波长误差阈值，开始补偿波长误差；
根据当前链路损耗、初始链路损耗和温度补偿系数计算温度补偿量ΔT；
基于温度补偿量ΔT调节光模块的激光器温度，补偿波长误差。
6.根据权利要求5所述的光模块啁啾管理方法，其特征在于，所述初始链路损耗和温度补偿系数获取方法，包括：
光模块启动时自动将激光器波长偏移到啁啾管理工作波长；
光模块获取自身的初始发射光功率Tx_0，以及与该光模块链路互通的另一光模块的初始光接收功率Rx_0；
基于初始发射光功率Tx_0和初始光接收功率Rx_0计算得到初始链路损耗Loss_0，Loss_0＝Rx_0/Tx_0；
光模块调节自身激光器温度，升高t℃，并获取升高t℃后自身的发射光功率Tx_+t，以及与该光模块链路互通的另一光模块的光接收功率Rx_+t，计算链路损耗Loss_+t，Loss_+t＝Rx_+t/Tx_+t；
光模块调节自身激光器温度，降低t℃，并获取降低t℃后自身的发射光功率Tx_-t，以及与该光模块链路互通的另一光模块的光接收功率Rx_-t，计算链路损耗Loss_-t，Loss_-t＝Rx_-t/Tx_-t；
计算温度补偿系数k，k＝(Loss_+t-Loss_-t)/2t。
7.根据权利要求5所述的光模块啁啾管理方法，其特征在于：所述波长漂移量Δλ计算公式如下：
Δλ＝Kλ/Tx(Loss_current-Loss_0)/k；
其中Kλ/T为波长与温度的比例系数，Loss_current为当前链路损耗，Loss_0为初始链路损耗，k为温度补偿系数。
8.根据权利要求5所述的光模块啁啾管理方法，其特征在于：所述温度补偿量ΔT计算公式如下：
ΔT＝(Loss_current-Loss_0)/k；
其中Loss_current为当前链路损耗，Loss_0为初始链路损耗，k为温度补偿系数。
9.一种光模块，具有光发射组件TOSA、光接收组件ROSA和光模块控制单元，其特征在于：所述光模块控制单元按权利要求1～8任意一项所述的光模块啁啾管理方法进行啁啾管理。
10.一种DWDM网络，其特征在于：具有若干权利要求9所述的光模块。
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