讯号再调变被动式高速宽带光纤接取计算机网络技术

丁 蕙

(南京森林警察学院 信息技术学院,南京210009 )

1 光通讯网络

依据电信网络节点组件的特性，光网络系统可大致分为主动光纤网络(Active optical network; AON)与被动光纤网络(Passive optical network; PON)两种[1]。其中，又以被动式光网络最为瞩目。由于被动式组件不需耗电就可以完成信号处理，PON只有局端及终端设备需要用到电源，网络架构与节点则可由光纤与被动组件构成，由于传输网络系统为无耗电的装置，因此，在维护成本上会远低于的光纤铜缆混合网络(Hybrid fibre-coaxial; HFC)。PON 可作为下一代新兴的覆盖最后一哩(Lastmile) 的宽带接取网络技术[2]，因其在光分歧点上并不需要节点设备，只需使用一个简单的光分歧器(OpticalSplitter) 即可，目前已有多种不同的被动光纤网络架构被提出。亚洲为建置PON 网络最多的国家，美国与欧洲PON 的数量目前也正快速地增加中。依照多任务器的类型分类而言，PON 网络系统可区分为分时多任务 (Time division multiplexing; TDM) 与分波多任务 (Wavelength division multiplexing)两种型式如图1所示，在TDM-PON 网络架构内，上传与下传使用不同单一波长进行传输[3]，由不同子频道所输出的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输，各个子频道则轮流占用此通信线路。时间域被划分成周期循环的多个小时段，每段时间长度是固定的，每个时段用来传输一个子频道的信号。例如子频道1 使用时间段1，子频道2 使用时间段2，等，当最后一个子频道n 传输完毕，这样的过程将会再次重复( 从1～n)。现行商业的PON 网络皆为分时多任务，包括ATM-PON、Broadband-PON、Etherne。

图1 分时多任务- 被动式光网络(TDM-PON) 示意图

另一方面，如图2所示，WDM-PON 则是在单条光纤上使用多激光器发送多束激光，每个子频道都传输于独有区段内，所以设施容量增大，相较于分时多任务，其带宽效率潜力、接入速率、安全性和信号承载力方面有明显优势[4]。目前，GPON 系统是许多用户一起分享带宽，这会引起带宽缩减问题，导致用户群得不到他们预期中的带宽。而 WDM-PON 可提供10 或 20 倍以上的带宽和单独波长，网络速度极快，可以在几秒内下载一首音乐或在几分钟内下载一部电影。最近几年，分波多任务的技术又实现了高密度分波多任务 (Dense wavelength division multiplexing; DWDM)，所谓 DWDM 与 WDM 原理类似，是指 DWDM 可以以高密度的方法让8个以上不同波长的光信息同时通过一条光纤传输，最多可将约 80 笔的数据封包多任务放在单一光纤上传输，以达到充分宽带的效果，同时也被视为未来最具发展潜力的光网络架构之一。

图2 分波多任务- 被动式光网络(WDM-PON) 示意图

2 ONU 搭配CLS技术

图3 综合长距离被动光网络(LR-PON) 的简化架构图

尽管WDM-PON 拥有技术上的巨大优势，可以提供相当高带宽的网络，但其成本也随着频宽的增加而迅速地增长，而成本刚好是使用者考虑的最关键因素[5]。如此一来，WDM-PON 会因WDM 光源的价格原因而无法普及化。另一方面，在WDM-PON 网络系统中，最重要的也是最具挑战性的议题即WDM 激光光源数量的需求，在多个不同波长同时工作时，最直接的WDM-PON 系统使用会系在 OLT 内使用多个不同波长的激光光源，而每一个ONU 也会使用特定波长的激光光源且相对应于 OLT 内的下传光源波长，其点对点连接都按预先设计的波长进行配置和工作。使用的用户数越多，其需要的激光波长数就会越多，需要不同波长的激光光源种类也越多，将会产生大量的储备机房问题。对 ONU 的影响会尤其明显[6]，因为其成本无法像 OLT 一样具有可分摊性，在成本上要考虑。由于存在严重的 ONU 储备机房问题，固定光源的解决方案难以应用于商用 WDM-PON 系统，因此使用无色光源的 ONU(Colorless-ONU) 模块已成为当前 WDM-PON 相关技术研究的方向。

图4 使用RONU 时所产生之两种RB 噪声示意图

无色光源 ONU 搭配中央化光源 (Centralized light source; CLS) 可达到最高的经济效益。如图3、图4所示，系统中的所有光源都置于 OLT 处，并通过数组波导光栅 (Arrayed waveguide grating; AWG) ( 或是使用 WDM Multiplexer)分割光谱向 ONU 提供光信号，而 ONU 重新调制信号后产生上传信号。此操作方式的 ONU 也称为反射式 ONU(Reflective ONU; RONU)。AWG 分波下传光源发出的光，提供给ONU 作为上传光源，光信号不会浪费。R-ONU 调制器价格低廉，其工作在操作温度范围内不受偏振影响，且光带宽范围较大、噪声低且插入损耗小。反射调变器有注入锁模式的 Fabry-Perot 激光二极管 (FP-laser diode; FP-LD)、反射式半导体光放大器 (Reflective semiconductor optical amplifier; RSOA) 以及致电 - 吸光式调变器 ，可现无色 ONU。

此技术避免使用 ONU 光源，然而也存在缺点。 OLT 光源要很大输出功率来支持上下传的传输。若无高功率的 OLT 光，替代方法是放大上传信号。为在 ONU和 OLT 间保持被动设备，须在 ONU 内放置放大器，以致 ONU 成本增加。另外，当 OLT 与 ONU 之间仅使用单一光纤同时传输上下传讯号时，会导致严重的雷利后向散射 (Rayleigh backscattering; RB)，造成信号干扰，若分离上下行信号，在不同的光纤里传输，就会成倍增加光纤数量、路由器端口数量，设备安装维护的复杂度提高。如图3所示，光源从 OLT 处由光回旋器及单模光纤散布到 RONU 中以产生上传讯号。由于光纤传输的本质特性，将会导致两种不同类型的 RB 噪声产生，并且在 OLT 中的光接收器对上传讯号进行干扰。载子 -RB 是当光源从 OLT 处散布到 RONU 时被光纤反射所产生的。信号 -RB 则是由于上传讯号被光纤反射后回到 RONU 中，经过 RONU 的二次调变及放大所导致的。

3 被动式讯号再调变光纤接取网络技术

因为在 TDM-PON 中，每个 ONU 距离局端的 OLT(Optical line termination)距离都不一样，到达 OLT 的功率必定都不一致。这样会造成 OLT 必须接收不同功率的光讯号，使得 OLT 的光接收器变的相当复杂，不仅影响接收性能，也造成成本上升。

因此，在本发明中，我们利用一个光旋波器(Optical Circulator, OC)以及一个被动式功率平整器(Passive Power Equalizer)，其容易内建在 OLT 模块内，并且可以由功率平整器来统一各个 ONU的上传功率，使得每个 ONU 的光收发器传送的讯号在到达 OLT 时都可以几乎一样。可以简化 OLT 的接收器的复杂度，也可以提升整体接收的质量，如图5所示。

图5 提出的被动式光模块架构

其主要通过 FP-LD 的增益饱和特性使得每个上传信号的功率大小被均化，可以简化OLT的接收器的复杂度，同时提升接收质量。现行 2.5 Gb/s TDM-PON 的传输技术是TDM 方式传输，因此在 OLT 端需要一个 2.5 Gb/s 的暴冲式光接收器(Burst-mode receiver; BMR)。但现阶段若是要达到 10 Gb/s 的上传信号的话，在 OLT 端则需要一个10 Gb/s 的 BMR，以目前的 BMR 技术而言，现阶段仅能在实验室内进行实验验证，无法有效将其产品化。因为 10 Gb/ s BMR 是影响整个网络的关键技术，因此，我们提出以现行的光电通讯组件设计成 10 Gb/s 上传信号的光纤接取网络架构，不但不需改变原本的光纤网络，同时还可以解决无 10 Gb/s BMR 的窘境。如图6所示，将 4 颗具 2.5 Gb/s 直接调变信号的自我注入式Fabry-Perot 激光二极管(FP-LD)放置于 TDM-PON 的 ONU 内以作为 10 Gb/s 的上传信号源。本研究方式简易且可以直接实现 10-Gb/s 的上传数据率。图7为我们所提出的“讯号再调变”长程被动光纤网络实验架构图。

图6 提出的10 Gb/s 之上传信号TDM-PON 架构

图7 讯号再调变 DWDM-PON 实验架构图。EAM:致电 - 吸光式调变器 ,SMF:单模光纤 ,EDFA:掺铒光纤放大器 ,RSOA: 反射式半导体光放大器 ,FP-LD:FabryPerot激光二极管。

图8 不同种类ONU 所产生的下传OFDM 及上传NRZ

基频数字讯号处理器 Digital signal processing; DSP) 被用来产生实验所需的 16-QAM OFDM 讯号，搭配 4 GHz 取样率总比特率 (Bit rate) 达 4 Gb/s 的 OFDM 讯号由 16 个次载波组成，共占据 1 GHz 的带宽，每个次载波则采用 16-QAM 编码格式。下传 16-QAM OFDM 讯号经 100 km单模光纤的传输后使用掺铒光纤放大器 (Erbium doped fiber amplifier; EDFA) 补偿光纤传递所导致的光损耗后被光接收器所侦测。在 ONU 中， 10%的下传讯号能量被预放大-接收器(Pre-amplified receiver) 所接收，此接收器由一个 EDFA、光带通滤波器及 PIN 光侦测器所组成。所接收到的下传模拟讯号经由模拟 - 数字转换器 (Real-time 10 GHz sampling oscilloscope) 转成数字讯号以便做讯号解调。解调的过程由计算机软件来执行。误码率由测量到的 EVM(Error vector magnitude) 计算而得。其余 90% 的下传讯号则传送到 ONU 中的无色调变器进行上传讯号的调变。在研究当中，我们分析3种不同种类的无色调变器，包括了 EAM、 RSOA 与 FP-LD。每一种调变器皆以 2.5 Gb/s nonreturn-to-zero (NRZ) data 做直接调变。调变后的上传讯号经由另外一条单模光纤传送回局端中的接收器做讯号的解调和误码率(Bit error rate; BER)的计算。由于下传 OFDM-QAM 讯号的 ER(Extinction ratio)值会影响到上下传讯号的传输质量，故首先调查这项参数变化对传输质量的影响。如8所示，降低下传 OFDM 讯号的 ER 值可得到的功率代价更好的上传的讯号质量。对于以 EAM 所组成的 ONU 来说，当 OFDM 的 ER 值为 3.7 dB 时，上下传的讯号大约有 4 dB 的功率代价 (Power penalty)。可以发现，采用 RSOA 的增益饱合特性或者 FP-LD 的光注入锁模特性皆可观察到下传 OFDM 讯号被明显的抑制，从而得到质量较好的上传讯号，结果显示，由于上传 NRZ 讯号可以有效率的调变到下传的讯号上，功率代价可以改进 2-dB。进一步比较以 RSOA 以及 FP-LD 为基底时讯号再调变系统的成果。从图8得知 FP-LD 的光注入锁模特性可以有效抑制下传 OFDM 信号以便得到比较好的上传 NRZ 信号。

4 结 语

我国光纤通讯产业起步较慢，因此，发展光纤接取网络 (Fiber access network) 关键技术，建立局端接取设备技术同时研究光通讯网络技术，及早建立 IP 化的光网络技术以及完整化的布局，进而由技术追随者转变成为领先者。其光纤传输信号可避免受电磁波的干扰，且具有低损耗的特性，可以提高传输通讯的质量，光纤通讯网络已成为现在宽带接取网络的最佳解决方案之一。本设计的光纤网络可以提供相当高速的带宽，一次可以满足用户高带宽的需求，免去日后需重新建置网络的麻烦。