波分复用无源光网络的机遇与挑战

张磊

（中国移动通信集团福建有限公司，福州 350003）

21世纪是信息大爆炸时代，互联网（Internet）作为获取信息最直接有效的媒介已成为人们日常生活生产中密不可分的部分,且用户对网络带宽的需求已越来越高。无源光网络技术因具备较好的带宽控制能力、组网灵活、良好的扩展和升级能力，适应“光进铜退”的策略要求，被认为是实现低成本FTTx的最具潜力的接入方式。目前，无源光网络（PON）已形成了A/BPON、EPON、GPON和WDM-PON等一系列技术概念。其中，前三类均属于时分复用无源光网络，而WDM-PON为波分复用无源光网络。以上PON技术各有特点，各具优势和劣势。

本文中，我们将着重呈现WDM-PON在未来接入网发展中拥有的巨大机遇，同时也阐述目前它所面临的主要挑战，并进一步分析指出WDM-PON在技术层面上亟待解决的问题和未来研究发展方向。

1 WDM-PON的机遇

全光纤无源光网络接入技术因能提供高带宽、高速率、高质量的“三高服务”，被视为下一代宽带接入技术的代表——“最后1 km”的最终解决形式。目前，国内已大规模采用EPON或GPON等时分复用无源光网络（TDM-PON）开始铺设FTTx接入网。尽管EPON或GPON技术能提供较高的上、下行总带宽（通常达1.25或2.5 Gbit/s）,但其时分复用的本质导致单个用户最终分享到的带宽仅30～80 Mbit/s，如表1所示[1]。因此，随着用户带宽需求的提高，这些TDMPON接入网带宽也将面临带宽枯竭的问题。

与TDM-PON不同，波分复用无源光网络（WDMPON）基于点对点通信方式，无需与其他用户共享带宽，而是每个用户专享一个完整的波长信道带宽，因而能提供超高带宽、完全透明的接入服务。从表1中比较可知，WDM-PON能提供单个用户高达10 Gbit/s的带宽服务，某种程度上而言这是取之不尽、用之不竭的带宽配给，如此宽的带宽完全能满足“三网融合”及未来接入网带宽的发展需求。另一方面，EPON、GPON等TDM-PON下行信号均通过广播方式传输给每一位用户，从而导致网络透明性降低，使得信息在传递过程中可能引入一些不安全因素。相比较地，WDM-PON采用点对点的方式传送保证了信号更加透明、可靠，增加了网络的安全性。正是因为WDM-PON的众多优点，使得其在下一代宽带光接入网中将具有非常强的竞争力，因此被公认为解决带宽紧缺问题的理想选择之一。

表1 TDM-PON与WDM-PON性能比较

2 WDM-PON的挑战

尽管WDM-PON能提供超高的接入速度及理想的网络安全性，但目前WDM-PON作为FTTx的一种接入技术仍处于初级发展阶段，制约WDM-PON发展的主要原因为：WDM-PON的铺设成本以及后期维护成本过于高昂。尽管它能提供几百倍于ADSL的接入速度，但其成本也相应地为ADSL的5～7倍以上。根据目前通信市场的资费标准，安装ADSL的成本通常仅需1～2年的时间就能收回，然而WDM-PON的成本却至少需5～6年才能收回。因此，成本高昂已制约了WDM-PON的快速发展，已成为WDM-PON进一步发展的最大挑战。

图1 典型的WDM-PON网络架构图

PON通常由3部分构成，即中心局端（central office或OLT）、光网络单元（ONU或ONT）及远端节点（RN）。图1为典型的双向运行WDM－PON的网络结构图。假设图1中WDM-PON存在64个用户，由于每个用户上行和下行链路各需要1个特定波长的光发射器（Tx和TL）和光接收器（Rx），于是整个WDM-PON系统中将需要128个波长不同光发射器和128个光接受模块。目前商用的光发射器大多采用分布反馈（DFB）半导体激光器，如此众多的DFB激光器将导致整个系统成本非常高。然而，这些光发射器及光接受模块均集中在中心局端和光网络单元。因此，除了网络系统后期维护成本，WDM-PON的主要成本体现在中心局端（central office或OLT）和光网络单元（ONU或ONT）两部分。

3 WDM-PON的潜在发展方向

因此，为正确应对WDM-PON成本高昂的挑战，最直接可行的方法就是降低中心局端OLT和光网络单元ONU所采用的大量光源的成本。为此，必须向努力实现OLT光源的中心化及ONU光源的无色化而迈进。这也是国际上近年兴起的在WDM-PON领域的两个前沿热点研究方向。

3.1 ONU无色光源技术

在设计WDM-PON网络系统时，ONU端光源的选用是非常重要的，它将直接决定系统上行信道的性能，是整个接入网系统的关键技术之一。如图1中所示，传统的ONU光源采用分布反馈半导体激光器（DFB）来实现，每个专门波长DFB仅负责一个ONU，因此价格比较昂贵。为此，开发一种波长无关（无色）、廉价的ONU光源是十分必要的。目前，国内外学者已提出了许多技术以期望解决这一问题。主要的ONU无色光源技术包括以下几种。

3.1.1 宽带光源频谱分割技术

为了节约成本，不少学者已提出利用廉价的LED或光纤型ASE等宽带光源产生ONU端的发射光源。如图2所示[2]，在ONU端将一个宽带光源经过梳状滤波器进行谱线分割，产生众多等间隔、不同波长的光载波，而后在每路光载波上调制上行数据。尽管利用此类技术能极大的降低ONU端成本，然而技术上也存在着一些难以逾越的障碍，主要有：（1）LED或ASE光源等通常输出功率较低，这就限制了用户的数量；（2）因为LED或ASE光源属于非相干光源，引入的强度噪声较大，从而也限制了上行传输的速度；尽管利用饱和型SOA增益能一定程度的压制宽带光源本身的强度噪声[3]，但效果也不尽理想。目前，利用此类技术通常仅能实现约622 Mbit/s的传输速率。

图2 宽带光源频谱分割技术的ONU无色光源

3.1.2 注入锁定RSOA或FP-LD技术

近年来，随着半导体工艺的不断发展，反射型半导体光放大器（RSOA）及法布里－珀罗激光二极管（FPLD）等器件已经相当成熟，价格已比较低。但因其本身并不能产生单色光，从而不能直接作为光发射器用于光网络中，只有通过外部窄带种子光注入其中进行受迫振荡才能产生准单模光输出。其输出波长由注入的光波长决定,因此也能保证ONU端光源的无色化。通常情况下，根据注入种子光的方式不同，可以将此类技术分为自注入锁定RSOA（或FP-LD）技术[4]和外注入锁定FP-LD（或RSOA）技术[5]。

图3 （a）自注入锁定RSOA技术结构图；（b）外注入锁定FP-LD技术结构图

图3（a）和（b）分别为利用自/外注入锁定RSOA（或FP-LD）技术的理想网络架构图。图3(a)中，反射型RSOA和宽带反射镜（BR）通过阵列波导光栅（AWG）选模后能构成自反馈，从而引发RSOA在AWG的特定波长处实现受迫振荡产生准单模输出，加载传输上行信号。相比较地，图3（b）中，中心局端分配的种子光传递到ONU端后注入锁定FP-LD，调制上行数据后再传输回中心局端。

3.1.3 副载波调制及载波再使用技术

最近，为进一步减少系统成本及节省密集波分复用的可用信道波长以提高传输容量，研究者们针对下行载波入手展开了一系列前沿创新性的工作。早期的工作大多集中在利用基带调制方式的载波再使用技术，其运行原理为：在ONU端将下行信号分成两部分，其中一部分供探测解调下行信号，而另一部分经过放大和整形之后再调制上行数据，供上行链路使用。利用该技术必须要求下行信号的调制深度不能太大，否则再次调制上行数据时容易造成上/下行码混乱，引入较大的误码率。

Attygalle和Xu等人在此基础上进一步提出了副载波调制技术[6,7]。如图4所示，在高速下行数据经历马赫－曾德尔调制器（MZM）时，同时也插入一个低频信号（LO）联合调制，即在光载波上引入一个低频副载波。从频谱上看，此时下行数据将主要加载在副载波频段，经一段馈线（feeder fiber）传输，在远程节点RN处由一个延迟线干涉仪（DI）将光载波和副载波在频谱上分离，携带下行信号的副载波部分经基带探测后获得下行数据，而不携带下行信号的光载波经放大后再调制上行数据用于上行传输。因为副载波的使用，上/下行信号之间尽管使用同一光载波，但也不会引起混乱，从而无需限定下行信号的调制深度，进而有利于提升网络传输速率。利用此技术已实现了1.25 Gbit/s的上/下行双向传输。

3.2 OLT中心化光源技术

以上3.1小节中所涉及的技术均为使ONU端无色化而提出的，目前国际上为了降低OLT光源主要采用如下技术。

3.2.1 宽带光源频谱分割技术

与3.1小节中用于ONU端的宽带光源频谱分割技术类似，OLT端也可以采用类似的方法实现下行信号的传输。利用此技术已实现了下行传输速率为622 Mbit/s的WDM-PON传输[8]，进一步利用宽带光源频谱分割后的多波长光源注入锁定FP-LD,实现了C波段用于下行，L波段用于上行，U波段用于监控的双向运转WDM-PON[9]。然而，同样是因为宽带光源本身的非相干性，强度噪声大，导致WDM-PON传输速率较低，通常仅能实现622 Mbit/s的传输速率。

3.2.2 多波长激光源作为OLT中心光源

若采用一种相干光源代替以上非相干宽带光源，强度噪声得以削弱，从而将有望实现高速率传输的WDM-PON。要同时考虑OLT光源的中心化，且兼顾光源具有良好的相干性，多波长激光器是最好的选择。

图4 副载波调制技术

考虑到与WDM-PON全光纤网络的兼容性和集成性，选用多波长光纤激光器作为OLT中心化光源将是理想选择。多波长光纤激光器具有结构简单、成本低、插入损耗小、多波长激射等优点，目前已被广泛研究，具有较大的应用前景。利用多波长光纤激光器作为WDM-PON的中心化光源，目前已实现了上/下行1.25 Gbit/s的传输[10]。

4 总结

随着各种宽带业务的不断涌现，用户对接入网带宽的需求不断增长，宽带化已成为接入网发展的最显著特征，预计在未来3～5年内单个用户带宽将超过100 Mbit/s, 至2020年带宽需求将达1 Gbit/s。如此大的带宽需求对xDSL技术而言是无法满足的，甚至对TDM-PON而言也是难以实现的。然而，对于利用点对点通信技术, 几乎能提供无限量带宽的WDM-PON而言却是一种莫大的机遇。目前WDM-PON未能实现大范围铺设的主要障碍就是其成本过于高昂，如何降低其成本成为目前WDM-PON研究领域的热点。由于WDM-PON的主要成本位于中心局端和光网络单元的众多光源成本，因此许多研究已针对此症结进行了大量研究。主要包括发展ONU端无色光源技术和OLT端中心化光源技术。当然，面临WDM-PON高成本问题，也不能仅仅局限于从降低光源的成本这个角度加以考虑，恰当的关注也应放在优化网络架构、减小后期维护成本等方面。

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