WDM PON關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

隨著人們對(duì)通信需求的增長(zhǎng)，光纖接入(FTTx)得到了快速發(fā)展。以無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON：Passive Optical Network)技術(shù)為主的光纖接入技術(shù)已經(jīng)以多種形態(tài)在全球得到了廣泛應(yīng)用。全球FTTx用戶數(shù)2009年底已超過(guò)6000萬(wàn)，比2008年增長(zhǎng)35%。其中，亞洲約占81%，北美約占11%，歐洲約占8%。2009年中國(guó)已成為FTTx用戶數(shù)最大的國(guó)家，其次是日本和韓國(guó)。由于各國(guó)經(jīng)濟(jì)狀況的不同，F(xiàn)TTx在日本覆蓋率已很高，將逐漸進(jìn)入飽和期，其他國(guó)家還仍然處在發(fā)展期。

當(dāng)前，在我國(guó)全業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)和網(wǎng)絡(luò)融合的背景下，高帶寬應(yīng)用如視頻會(huì)議、實(shí)時(shí)游戲、IPTV等正不斷涌現(xiàn)，尤其是HDTV、網(wǎng)真等視頻業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入帶寬提出了更高的要求，也推動(dòng)著新的FTTx技術(shù)層出不窮。此外，“三網(wǎng)融合”的逐步推進(jìn)、物聯(lián)網(wǎng)的逐漸普及、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及固定和移動(dòng)融合(FMC)等也將有力推動(dòng)高帶寬業(yè)務(wù)的應(yīng)用和相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。因此，未來(lái)光纖接入技術(shù)將向更高速率、更多傳輸波長(zhǎng)、更廣覆蓋范圍(包括長(zhǎng)距離、大分路比)的方向發(fā)展。

為了適應(yīng)未來(lái)光接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，我國(guó)“十一五”863計(jì)劃及時(shí)啟動(dòng)了“低成本的多波長(zhǎng)以太網(wǎng)綜合接入系統(tǒng)(λ-EMD)”重大課題的研究;歐盟FP7計(jì)劃也將WDM PON的研究列為重點(diǎn)攻關(guān)的項(xiàng)目。基于WDM PON和WDM-TDM PON技術(shù)的λ-EMD系統(tǒng)具有光纖資源利用充分、對(duì)速率和業(yè)務(wù)完全透明、安全性高、易管理維護(hù)、傳輸距離長(zhǎng)、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，能夠極大的節(jié)約主干光纖和其他光分配網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用，擴(kuò)大用戶覆蓋范圍和增加用戶接入數(shù)量，為運(yùn)營(yíng)商構(gòu)建具有更大接入容量、更高傳輸速率、面向全業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的全新光接入網(wǎng)提供了理想的解決方案。

一、WDM PON基本原理及主要特點(diǎn)

1. WDM PON基本原理

WDM PON是一種采用波分復(fù)用技術(shù)的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)。即在同一根光纖中，雙向采用的波長(zhǎng)數(shù)目大于3個(gè)以上，利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)上行接入，能夠以較低的成本提供較大的工作帶寬，是光纖接入未來(lái)重要的發(fā)展方向。典型的WDM PON系統(tǒng)由三部分組成：光線路終端(OLT：Optical Line Termination)、光波長(zhǎng)分配網(wǎng)絡(luò)(OWDN：Optical Wavelength Distribution Network)和光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU：Opitcal Network Unit)，見(jiàn)圖1。OLT是局端設(shè)備，包括光波分復(fù)用器/ 解復(fù)用器(OM/OD)。一般具有控制、交換、管理等功能。局端的OM/OD在物理上與OLT設(shè)備可以是分立的。OWDN是指在位于OLT與ONU之間，實(shí)現(xiàn)從OLT到ONU或者從ONU到OLT的按波長(zhǎng)分配的光網(wǎng)絡(luò)。物理鏈路上包括饋線光纖和無(wú)源遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)(PRN：Passive Remote Node)。PRN主要包括熱不敏感的陣列波導(dǎo)光柵(AAWG：Athermal Arrayed Waveguide Grating)，AAWG是波長(zhǎng)敏感無(wú)源光器件，完成光波長(zhǎng)復(fù)用、解復(fù)用功能。 ONU放置在用戶終端，是用戶側(cè)的光終端設(shè)備。

下行方向，多個(gè)不同的波長(zhǎng)ld1……ldn在局端OM/OD合波后傳送到OWDN，按照不同波長(zhǎng)分配到各個(gè)ONU中。上行方向，不同用戶 ONU發(fā)射不同的光波長(zhǎng)lu1……lun到OWDN中，在OWDN的PRN處合波，然后傳送到OLT。完成光信號(hào)的上下行傳送。其中，下行波長(zhǎng)ldn和上行波長(zhǎng)lun可工作在相同波段，也可工作在不同波段。

圖1、典型的WDM-PON框圖[center]

2.WDM PON的主要特點(diǎn)

采用波分復(fù)用技術(shù)的PON技術(shù)主要特點(diǎn)有：

1)更長(zhǎng)的傳輸距離。由于WDM PON中AAWG的插入損耗比傳統(tǒng)的TDM PON系統(tǒng)中光功率分路器的插入損耗要小，因此在OLT或 ONU激光器輸出功率相等的情況下，WDM PON傳輸距離更遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更大。

2)更高的傳輸效率。在WDM PON中上行傳輸時(shí)，每個(gè)ONU均使用獨(dú)立的、不同的波長(zhǎng)通道，不需要專門的MAC協(xié)議，故系統(tǒng)的復(fù)雜度有很大的降低，傳輸效率也得到了大幅提高。

3)更高的帶寬。WDM PON是典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每個(gè)用戶獨(dú)享一個(gè)波長(zhǎng)通道的帶寬，不需要帶寬的動(dòng)態(tài)分配，其能夠在相對(duì)低的速率下為每個(gè)用戶提供更高的帶寬。

4)更具安全性。每個(gè)ONU獨(dú)享各自的波長(zhǎng)通道帶寬，所有ONU在物理層面上是隔離的，不會(huì)相互產(chǎn)生影響，因此更具安全性。

5)對(duì)業(yè)務(wù)、速率完全透明。由于電信號(hào)在物理層光路不做任何處理，無(wú)需任何封裝協(xié)議。

6)成本更低。由于WDM PON中光源無(wú)色技術(shù)的應(yīng)用，使得ONU所用光模塊完全相同，解決了器件的存儲(chǔ)問(wèn)題的同時(shí)，也降低了OPEX和CAPEX。且單纖32波~40波，可擴(kuò)展至80波，節(jié)約主干光纖和OSP費(fèi)用。

7)更易維護(hù)。避免OTDR由于高插入損耗對(duì)光纖線路等測(cè)量限制。另外，無(wú)色光源技術(shù)的應(yīng)用，使得維護(hù)更方便。

二、WDM PON關(guān)鍵技術(shù)

WDM PON技術(shù)的規(guī)模商用首先需要解決光模塊的互換性，尤其是ONU側(cè)光模塊。固定波長(zhǎng)光源的方案難以應(yīng)用于商用的WDM PON中，因此“無(wú)色”光源技術(shù)是WDM PON系統(tǒng)攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，無(wú)色ONU方案包括但不限于此三種：可調(diào)激光器、注入鎖定FP-LD和波長(zhǎng)重用RSOA方式，其技術(shù)特點(diǎn)分析如下。

可調(diào)激光器作為無(wú)色ONU的方案，即可調(diào)激光器工作在特定波長(zhǎng)，可通過(guò)輔助手段對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，使用激光器發(fā)射不同的波長(zhǎng)。采用此種方案的系統(tǒng)不需要種子光源，且可調(diào)激光器的調(diào)諧范圍較寬，可達(dá)50nm。采用直接調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)2.5Gb/s以上的傳輸速率，若采用外調(diào)制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)10Gb/s的傳輸速率，且傳輸距離大于 20km，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好。但不足之處在于，系統(tǒng)需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制，需要對(duì)ONU波長(zhǎng)控制，增加了ONU設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，且目前成本較高。

注入鎖定FP-LD方式作為無(wú)色ONU的方案，即FP-LD在自由運(yùn)行時(shí)為多縱模輸出，當(dāng)有適當(dāng)?shù)耐獠糠N子光注入時(shí)，被激發(fā)鎖模輸出與種子光波長(zhǎng)相一致的光信號(hào)，F(xiàn)P-LD鎖定輸出的工作波長(zhǎng)與種子光源和波分復(fù)用/解復(fù)用的通道波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。采用此方案的系統(tǒng)無(wú)需制冷控制，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單。不足之處在于受限于傳輸速率和傳輸距離，且成本較高。由于鎖模器件FP-LD調(diào)制速率低，理論帶寬為0.2Ghz-4Ghz，且器件模間噪聲大，不宜于高速率的傳輸系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)中需要兩個(gè)種子光源，若用在混合PON中，上行信號(hào)對(duì)種子光源的要求更高，高功率的種子光源存在安全問(wèn)題。由于種子光源的問(wèn)題，使得傳輸距離受限于20km，且系統(tǒng)不宜于擴(kuò)展。