光线路终端及光网络单元的制作方法

本公开的实施例涉及时分波分复用无源光网络(TWDM-PON)系统，尤其涉及TWDM-PON系统中的光线路终端及光网络单元。

背景技术：

由于时分波分复用无源光网络(TWDM-PON)其成本较低并且与传统的GPON/XGPON后向兼容，因此ITU-T组织已经将TWDM-PON选为用于下一代无源光接入网(NG-PON2)的主要技术。在开始阶段，TWDM-PON目标在于通过复用四个波长信道对(wavelength channel pair)来提供总共40Gbp/s的下行带宽和总共10Gbp/s的上行带宽。在此，每个波长对在上行以2.5Gbp/s进行调制，在下行以40Gbp/s进行调制。

然而，为了满足未来对带宽消耗服务的要求，未来的TWDM-PON需要在上行提供每个波长10Gbp/s的速率，以实现40Gbp/s的对称的TWDM-PON。此外，在TWDM-PON的ITU-T G.989.2的标准中，也希望将光线路终端(optical line terminal,OLT)与光网络单元(optical network unit，ONU)之间的距离增大至大于40km，并且分光比不小于1:64。在此，ONU的上行发射器是用于满足在对称的TWDM-PON系统中的这些要求的关键技术。

传统地，诸如玛赫曾德(Mach-Zehnder,MZM)调制器或电吸收(electro-absorption)调制器的外部调制是用于实现具有10Gb/s的上行波长信道的长距离传输的候选方式。但是，对于TWDM-PON中的实际使用，这些候选方案或者是偏振敏感的或者是相当昂贵的。与上述发射器相比，直接调制半导体激光器(Direct Modulation Laser，DML)(例如，分布式反馈激光器)对于TWDM-PON而言更为吸引人，因为DML激光器是可调的并且成本较低。

然而，大部分商用的DML激光器工作在2.5Gb/s，因此四个堆叠的上行多波长光信号的2.5Gb/s的DML激光器能够仅仅为对称的TWDM-PON产生总的10Gb/s的上行容量。并且由于DML激光器较低的调制效率和较强的频率啁啾引起的脉冲展宽(pulse spreading)和传输性能损耗，因此很难直接使用较低速率的2.5Gb/s的DML激光器来为对称的40Gb/s的TWDM-PON系统产生10Gb/s的高速上行信号。

在直观上，10Gb/s的高速的DML激光器能够用于10Gb/s上行信号的传输，以实现对称的40Gb/s的TWDM-PON系统，但是10Gb/s的DML激光器的成本是2.5Gb/s的DML激光器的2至3倍。进一步地，10Gb/s的DML激光器严重地受到频率啁啾的影响。通常的10Gb/s的DML激光器的传输距离小于20km，并且在PON系统中的分光比将大大地减少，这将使得与NG-PON2的要求无法匹配。由于TWDM-PON对成本要求很高，因此使用低速的2.5Gb/s的DML激光器来在例如长度大于40km光纤上传输10Gb/s的上行信号，以实现具有高的分光比的TWDM-PON系统将是吸引人的，但也是充满挑战的。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本公开的实施例提供了一种对称的TWDM-PON系统，其传输距离较远(例如大于40km)并且具有高的分光比(例如，大于1:64)。并且，在该系统中使用低速并且低成本的2.5Gb/s的DML激光器。

根据本公开的第一方面，提出一种用于光网络单元的发射器，包括：2.5Gb/s的直接调制半导体激光器，用于产生上行光信号；其中，所述直接调制半导体激光器由调制电流和偏置电流驱动，所述偏置电流被配置为大于所述直接调制半导体激光器的阈值电流，并且所述调制电流的幅度被配置为使得所述上行光信号的1比特的频率与0比特的频率之间的差是所述上行光信号的传输速率的一半。

根据本公开的一个实施例，所述直接调制半导体激光器包括分布式反馈激光器或分布式布拉格反射激光器。

根据本公开的一个实施例，所述偏置电流被配置为所述直接调制半导体激光器的阈值电流的至少3倍。

根据本公开的一个实施例，所述偏置电流被配置为所述直接调制半导体激光器的阈值电流的3至5倍。

根据本公开的一个实施例，所述调制电流所携带的数据为二进制启闭键控格式。

根据本公开的一个实施例，基于所述直接调制半导体激光器的物理参数来配置所述调制电流的幅度。

根据本公开的第二方面，提出一种用于光线路终端的接收器，包括：阵列波导光栅；以及N路接收机；其中，所述阵列波导光栅用于均衡上行光信号，并将N个上行多波长光信号分别发送至所述N路接收机，其中所述上行光信号由2.5Gb/s的直接调制半导体激光器产生；并且其中，所述阵列波导光栅的N个通道的中心频率分别与相应的上行多波长光信号的频率偏移，并且所述阵列波导光栅的N个通道的3dB带宽分别处于17GHz至33GHz的范围中。

根据本公开的一个实施例，所述阵列波导光栅的N个通道的3dB带宽分别为25GHz。

根据本公开的一个实施例，所述阵列波导光栅的N个通道的中心频率与相应的上行多波长光信号的频率的偏移处于25GHz至35GHz的范围中。

根据本公开的一个实施例，所述偏移为30GHz。

根据本公开的一个实施例，N等于4或8。

根据本公开的一个实施例，所述阵列波导光栅的N个通道的滤波器阶数至少为2阶。

根据本公开的一个实施例，所述接收器还包括：光放大器，用于放大所述上行光信号，并将其输出至所述阵列波导光栅。

根据本公开的第三方面，提出一种光网络单元，其包括根据本公开的实施例的发射器；接收器；以及波分复用器，其分别与所述发射器和所述接收器连接。

根据本公开的第四方面，提出了一种光线路终端，其包括：根据本公开的实施例的接收器；发射器；以及波分复用器，其分别与所述发射器和所述接收器连接。

根据本公开的第五方面，提出了一种光网络架构，其包括：根据本公开的实施例的N个光网络单元；分光器；以及根据本公开的实施例的光线路终端；其中，所述光线路终端经由所述分光器与所述N个光网络单元连接。

在此，本公开的实施例了提出了一种用于长距离的对称的TWDM-PON的新的方案，其使用低成本并且低速率的2.5Gb/s的DML激光器作为发射器。本公开的实施例的优点至少在于：

1.通过使用低成本并且低速率的2.5Gb/s的DML激光器作为发射器来实现10Gb/s数据的高速上行传输，从而达到长距离的例如速率为40Gb/s的对称的TWDM-PON。在此，不需要在例如ONU处安装其他高速的并且昂贵的光发射器。

2.此外，本公开的实施例还能够支持高于10Gb/s的更高的传输速率，例如20Gb/s。例如可以为80Gb/s对称的TWDM-PON使用低速的2.5Gb/s的DML激光器。

3.通过在OLT处使用一个阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)来同时实施波分解复用和光均衡来扩展传输距离，并且由此提高在长距离的对称的TWDM-PON系统中的分光比。

4.集中地改善了长距离的PON的OLT处的上行多波长光信号的传输性能。

5.实现了未来接入网演进中的城域-接入汇聚。

6.光配线网(ODN)仍是无源的，在远程节点中并没有引入有源的部件来实现长距离的对称的TWDM-PON。

本公开的实施例的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的实施例的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了根据本公开的一个实施例的对称的TWDM-PON系统的光网络架构图；

图2示出了根据本公开的一个实施例的传统的AWG的频谱响应和依据本公开的实施例的AWG的频谱响应与多波长光信号的关系；

图3示出了根据本公开的另一个实施例的传统的AWG的频谱响应和依据本公开的实施例的AWG的频谱响应；

图4示出了根据本公开的一个实施例的经过依据本公开的实施例的AWG之前和之后的上行光信号的频谱；

图5示出了根据本公开的又一个实施例的经过依据本公开的实施例的AWG之前和之后的上行光信号的波形；

图6(a)至图6(i)分别示出了根据本公开的一个实施例的在比特率为10Gb/s的情况下在各种条件下的眼图和误码率示意图；以及

图7示出了根据本公开的一个实施例的在比特率为20Gb/s和30Gb/s的情况下在各种条件下的眼图和误码率示意图。

在图中，相同或类似的附图标记表示相同或相对应的部件或特征。

具体实施方式

本公开的实施例的基本思路在于：

1.与传统意义上的为高速的上行传输使用高速的发射机不同，在ONU发射机侧仅仅使用低速的并且低成本的2.5Gb/s的DML激光器来为40Gb/s或以上的对称TWDM-PON系统传输10Gb/s或甚至以上的非归零-二进制启闭键控(NRZ-OOK，On-Off Keying)光信号(也即，二进制光强度调制格式)。这将使得ONU侧不需要其他任何高速光元件，从而节省成本。

2.在现有技术中，DML激光器的偏置电流位于在DML激光器的阈值电流附近，并且以携带数据的高幅值的电流调制传统的DML激光器，以获取高的消光比。与之不同，在本公开的实施例中，以更高的偏置电流来驱动低速的2.5Gb/s的DML激光器，并且以相对较小的携带数据的调制电流进行调制。该偏置电流被选为阈值电流的若干倍(例如至少3倍)，以增强输出功率并且提高谐振频率。此外，根据DML的物理参数来适当地优化调制电流，以引入半比特率的频率啁啾。

3.在OLT的接收器侧，使用依据本公开的实施例的特定的AWG。该AWG不仅被用作波分解复用器，并且还同时用作光均衡器，以集中地改善失真的高速的上行NRZ-OOK信号的传输性能。该特定的AWG的3dB带宽和中心频率与传统的AWG都不同。在依据本公开的实施例的AWG中，每个通道的中心频率不再与相应的上行波长精确地对齐。替代地，中心频率例如被蓝移或红移了大约三分之一的信道间隔，以实施光均衡。此外，在本公开的一个实施例中，每个通道的3dB带宽被选为大约是传统的AWG的一半。

4.OLT侧的特定的AWG能够同时为多个上行波长信道实施光均衡，以改善由低速的2.5Gb/s产生的高速(例如为10Gb/s)的上行光信号的传输性能。依据本公开的实施例的AWG的成本能够由各个ONU分摊，因此每个ONU的成本将非常低，并且每个ONU的上行速率能够增加至例如10Gb/s，而无需高速并且昂贵的发射机的帮助。

5.能够通过使用本公开的实施例来实现TWDM-PON系统中的传输距离的扩展和分光比的增强。在下文中成功地验证了使用低速的2.5Gb/s的40Gb/s对称的TWDM-PON系统可以实现60km的单模光纤的传输和1:64的分光比。

在下文中将介绍本公开的实施例。应当理解，在此公开的实施例并不限于下文描述的40Gb/s的TWDM-PON的4种波长的信道(即，N＝4的情形)，并且单个ONU的上行传输速率也不限于10Gb/s。例如，本公开的实施例的原理也可以延伸至用于80Gb/s以及更高速的对称TWDM-PON的8个信道。

图1示出了根据本公开的一个实施例的对称的TWDM-PON系统的光网络架构图。

如图1所示，光网络架构包括OLT 10、分光器20以及多个ONU单元1…n。这些ONU单元通过分光器20经由传输光纤与OLT 10连接。在此，传输距离相当长，例如大于20km。

a)40Gb/s的下行光信号的产生和接收

在此，先对下行方向(也即OLT至ONU的方向)进行描述。

在下行方向上，OLT的发射器和ONU的接收器的架构与传统的TWDM-PON系统类似。如图1所示，在OLT侧，发射器包括4个电吸收调制激光器(Electro-absorption modulated laser,EML)、AWG101。各个EML能够用于独立地产生4个下行波长λ_1d,λ_2d,λ_3d,λ_4d。其中，每个波长都以10Gb/s进行调制来产生总共40Gb/s的下行容量。虽然每个EML的成本是DML的成本的两倍，但是在10Gb/s的速率下EML比DML在长距离的单模光纤上展现出更好的性能。EML的总的成本能够被所有的ONU共享，因此能够在OLT侧设置EML。

进一步地，具有100GHz的信道间隔和～50GHz的3dB带宽的传统的AWG 101能够用于复用四个波长。因此，由EML产生的下行多波长光信号能够被复用成下行光信号。在此，每个AWG的通道的中心频率与相应的EML的发射波长相对齐。为了确保取决于分光比和单模光纤的长度的功率分配，可选地，OLT的发射器能够在AWG 101之后还使用光放大器102来预先补偿损失。

在此，仅示出了OLT处的一个发射器的示例，本领域的技术人员应当理解本公开的实施例可以应用现有技术中其他任何类型的发射器。

进一步地，如图1所示，ONU(在此，以ONU 1为例)将包括相应的接收器来接收下行光信号。该接收器也可以以本领域中任何适合的技术进行构造。此外，ONU还包括波分复用器201和发射器(下文将详述)。波分复用器201用于复用和解复用上行光信号和下行光信号。

b)对称的40Gb/s的上行光信号的产生和接收

下文将介绍根据本公开的实施例的原理的上行方向上的光信号的传输。

在上行方向，本公开的实施例的方案可以用于产生和下行方向对称的40Gb/s的上行光信号。在ONU发射机侧，替代使用昂贵的EML，仅仅使用成本低的并且低速的2.5Gb/s的带宽受限的DML激光器。在本公开的一个示例中，以高速的10Gb/s的NRZ-OOK上行数据来调制每个ONU的2.5Gb/s的DML激光器(应当注意，本公开的实施例还可以支持高于10Gb/s的传输速率，例如通过为80Gb/s对称的TWDM-PON使用低速率的2.5Gb/s的DML激光器来实现20Gb/s的速率)。在此，10Gb/s的上行数据仅仅用作40Gb/s对称的TWDM-PON的示例。此外，根据DML激光器的参数来适当地选择调制电流。

在OLT的接收器11侧，取决于上行功率分配的要求，接收器11可以可选地包括光放大器100。在此，将使用依据本公开的实施例的特定的AWG 104，其同时用于实施波分解复用和光均衡，以恢复每个波长信道中的失真的上行10Gb/s的NRZ-OOK信号。该特定的AWG的3dB带宽和中心频率都与传统的AWG不同(例如用于下行传输的OLT的发射机中的AWG 101)。

如图2中的右侧所示，相比于传统的AWG(在图2的左侧中以AWG 101的频谱响应进行说明)，依据本公开的实施例的AWG的3dB带宽更窄，并且在每个AWG的通道的中心频率与相应的上行波长λ_1u,λ_2u,λ_3u,λ_4u之间存在频率偏移。下文将具体描述ONU的发射器和OLT中的接收器的原理和构造。

-使用低速的2.5Gb/s的DML激光器的ONU上行发射器

如图1所示，ONU中的上行发射器包括低速的2.5Gb/s的可调的直接调制半导体激光器，用于产生上行光信号。

优选地，该可调DML激光器可以是分布式反馈激光器或分布式布拉格反射激光器。

依据本公开的一个实施例，高速的10Gb/s的携带上行NRZ-OOK数据的调制电流与高的偏置电流结合来驱动2.5Gb/s的DML激光器。

这种驱动条件不同于传统的DML操作。在传统的DML操作中，偏置电流与DML的阈值电流接近，并且使用高的调制电流以取得高的消光比。

与之相反，在本公开的实施例中，每个DML激光器的偏置电流被设为大于阈值电流(例如，为阈值电流的若干倍)，以产生高的输出功率并且增强DML的谐振频率。优选地，偏置电流被配置为DML激光器的阈值电流的至少3倍。更优选地，偏置电流被配置为DML的阈值电流的3至5倍。当然，上述偏置电流将小于DML的击穿电流。

进一步地，10Gb/s上行NRZ-OOK数据的峰值调制电流相对较小并且应当适当选取调制电流的幅度，以使得上行光信号的1比特的频率与0比特的频率之间的差是该上行光信号的传输速率(在该实施例中为10Gb/s)的一半。

在实际中，也应当在考虑DML激光器的物理参数的情况下来配置调制电流的幅度。这些物理参考例如包括非线性增益压缩、线宽展宽因子(linewidth enhancement factor)、限制因子(confinement factor)、量子效率、容量等。

下文将以具有多量子型的激活层的分布式反馈激光器为例进行说明。该分布式反馈激光器的阈值电流为～21mA。表1中给出了该2.5Gb/s的DML激光器的物理参数。根据前述规则选择大小为80mA的偏置电流和大小为20mA的调制电流，从而将10Gb/s的上行NRZ-OOK数据调制到2.5Gb/s的DML激光器上。

表1

-具有依据本公开的实施例的AWG的OLT接收器结构

如图1所示，OLT中的接收器11包括依据本公开的实施例的AWG 104和N路接收机(在图1中，N为4)。优选地，接收器11还包括光放大器，用于放大上行光信号，并将其输出至AWG 104。

每个ONU的上行10Gb/s的NRZ-OOK光信号由分光器组合并且传输很长的距离，直至到达OLT。由于单模光纤引起的较大的色散，由ONU中的2.5Gb/s带宽受限的DML激光器产生的上行10Gb/s的光信号将受到巨大的干扰。

依据本公开的一个实施例，在OLT接收器中，AWG 104将上行光信号解复用成多个上行多波长信号(在图1中为四个上行多波长信号)，并且同时对上行光信号进行均衡。之后，AWG 104将各个上行多波长信号输出至相应的接收机。在此，AWG 104能够对所有的上行四个波长的信道进行光均衡。因此，依据本公开的实施例的AWG 104不同于现有的AWG。

依据本公开的实施例的AWG 104的每个通道的3dB带宽的宽度大约是传统的AWG的一半。此外，相比于相应的上行波长信道λ_1u,λ_2u,λ_3u,λ_4u，AWG的相应的中心频率被相应地蓝移或红移了大约三分之一的信道间隔，从而与相应的上行多波长光信号的频率发生偏移。

优选地，该偏移处于25GHz至35GHz的范围中。更优选地，该偏移为30GHz。

在本公开的一个实施例中，AWG 104的N个通道的带宽分别处于17GHz至33GHz的范围中。优选地，AWG 104的N个通道的带宽分别为25GHz。

图3示出了根据本公开的另一个实施例的传统的AWG的频谱响应和依据本公开的实施例的AWG的频谱响应。如图3所示，AWG的3dB带宽为～25GHz，其小于传统的AWG的3dB带宽50GHz。此外，中心频率相比于上行波长具有大约30GHz的频率偏移。通过这种特别设计的AWG 104显著地改善由低速的2.5Gb/s的DML激光器产生的上行10Gb/s的NRZ光信号的传统性能。通过上述设置，可以确保经过长距离光纤(例如60km)的传输后的误码率仍在前向纠错的纠错范围10^{^(-3)}之内。

此外，在公开的一个实施例中，AWG 104的N个通道的滤波器阶数至少为2阶。

图4示出了根据本公开的一个实施例的经过依据本公开的实施例的AWG之前和之后的上行光信号的频谱。由于AWG的中心频率被移位，因此可以重新构造输出频谱。各个上行多波长光信号的频谱的蓝色部分已经被轻微地切除，而仍保留红色部分。借助于重新构造的频谱，能够重新产生精确的上行10Gb/s的光信号。

进一步地，如图5的左侧所示，在60km的单模光纤传输之后的上行光信号的波形已经被严重地干扰并且浸没在噪声下。然而，在经过依据本公开的实施例的AWG 104处理之后，已经成功地恢复了上述10Gb/s的光信号，如图5的右侧所示。

图6(a)至图6(i)分别示出了根据本公开的一个实施例的在速率为10Gb/s的情况下在各种条件下的眼图和误码率示意图。在这些仿真过程中，并没有使用任何光放大器。图6(a)至图6(i)为不同的传输距离和分光比的条件示出了传输性能。

如图6(a)所示，在20km单模光纤传输之后，分光比为1:32的条件下，使用2.5Gb/s的DML激光器的传统的TWDM-PON时的10Gb/s的NRZ信号的眼图基本关闭。在此，以阈值电流附近的偏置电流和幅度较高的调制电流来驱动上述DML激光器。在这个情况下，不能够测量误码率。

然而，如图6(b)所示，在相同条件下，使用依据本公开的实施例提出的对称的TWDM-PON系统，其在ONU侧配置有以高的偏置电流和较低的幅度的调制电流驱动的DML发射器，而在OLT的接收器侧则不使用依据本公开的实施例的AWG。如图6(b)所示，在该情况下，眼图部分地睁开，并且误码率为1.4×10^-7。进一步地，在图6(c)中在OLT的接收器侧使用依据本公开的实施例的AWG，则能够清楚地发现在相同条件下误码率显著地下降为4.8×10^-44。

作为比较，图6(d)至图6(f)示出了在传输距离延伸至40km之后，在分光比为1:32的条件下的10Gb/s的NRZ信号的传输性能。

如图6(d)所示，使用2.5Gb/s的DML激光器的传统的TWDM-PON时的10Gb/s的NRZ信号的眼图基本关闭。在此，以阈值电流附近的偏置电流和幅度较高的调制电流来驱动上述DML激光器。在这个情况下，不能够测量误码率。

然而，如图6(e)所示，在相同的条件下，使用依据本公开的实施例的对称的TWDM-PON系统，其在ONU侧配置有以高的偏置电流和较低的幅度的调制电流驱动的DML发射器，而在OLT的接收器侧则不使用依据本公开的实施例的AWG。如图6(e)所示，在该情况下，传输性能受到轻微地影响，并且误码率为4.75×10^-3。进一步地，在图6(c)中在OLT的接收器侧使用依据本公开的实施例的AWG，则能够清楚地发现在相同条件下误码率显著地下降为2×10^-29。在此，眼图仍旧清楚地睁开，因此本公开的实施例的方案能够实现长距离的可靠的传输。

图6(g)至图6(i)示出了在传输距离延伸至60km之后，在分光比为1:64的条件下的10Gb/s的NRZ信号的传输性能。

图6(i)中示出了下述情形下的眼图，在该情形中使用在此提出的对称的TWDM-PON系统，其在ONU侧配置有以高的偏置电流和较低的幅度的调制电流驱动的DML发射器，而在OLT的接收器侧使用依据本公开的实施例的AWG。如图6(i)所示，眼图仍是完全睁开，因此可以实现长距离的无错误地传输。

而对于使用的传统的TWDM-PON和不使用依据本公开的实施例的AWG的两种情形，图6(g)和图6(h)的眼图完全关闭，因此传输将产生错误，也不能够计算误码率。

通过图6(a)至图6(i)的仿真，可以得出本公开的实施例在使用低速和低成本的2.5Gb/s的DML激光器和依据本公开的实施例的AWG的情况下可以实现长距离的高精确性的40Gb/s的对称的TWDM-PON系统。

在传输距离和分光比减少的情况下，依据本公开的实施例的方案还能够实现更高速的上行传输。图7示出了根据本公开的一个实施例的在速率为20Gb/s和30Gb/s的情况下在各种条件下的眼图和误码率示意图。

如图7中的b栏所示，当上行比特率上升至20Gb/s每波长并且分光比为1:32时，如果使用在此提出的对称的TWDM-PON系统，其在ONU侧配置有以高的偏置电流和较低的幅度的调制电流驱动的DML发射器，而在OLT的接收器侧使用依据本公开的实施例的AWG，则对于20km,40km和60km的传输距离，可以获得清楚地睁开的眼图。并且，相对应的误码率分别为3.3×10^-15、1.6×10^-9和1×10^-5，其都在前向纠错的允许范围内。相反，如果不使用依据本公开的实施例的AWG，则将发生错误(如图7中a栏所示)。

进一步地，如图7中d栏所示，当比特率进一步上升至30Gb/s每波长时，在传输距离为20km并且分光比为1:32的情况下，仍能获得清楚的眼图，并且误码率为4×10^-8。因此，通过使用依据本公开的实施例的AWG以及依据本公开的实施例驱动的DML激光器，还能够实现更高比特率的传输。

需要说明的是，上述实施例仅是示范性的，而非对本公开的实施例的限制。任何不背离本公开精神的技术方案均应落入本公开的实施例的保护范围之内，这包括使用在不同实施例中出现的不同技术特征，装置方法可以进行组合，以取得有益效果。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其他权利要求或说明书中未列出的装置或步骤。