技术领域本发明涉及光纤通信领域，具体是涉及一种用低速光器件实现高速传输的对称TWDM-PON系统中的ONU。
背景技术：
随着国家大力推广“互联网+”政策，互联网必将迎来新一轮的高速发展，与此同时通信数据流量也会快速增长，而光通信作为传输网的主流、接入网的重要组成部分，其容量需求必将不断提升发展。不仅如此，全球互联网用户数量飞速增长。在这样一个大环境下，ITU-T(InternationalTelecommunicationUnionTelecommunicationStandardizationSector，国际电信联盟电信标准化部门)组织与IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电气电子工程师学会)组织都开始了各自新一代光接入网的标准讨论。自2012年起，ITU-T组织与FSAN(FullServiceAccessNetworks，全业务接入网论坛)组织开始进行NGPON2(NextGenerationPassiveOpticalNetwork2，下一代无源光网络)的相关研究及标准制定，而IEEE组织对NG-EPON(NextGenerationEthernetPassiveOpticalNetwork，下一代以太网无源光网络)的探讨也已经开始。2012年，FSAN组织将TWDM-PON(TimeandWavelengthDivisionMultiplexingPON，时分波分复用无源光网络)系统选为NG-PON2的优选方案。一方面，该系统基于波长堆叠方案，技术相对成熟；另一方面，该系统仍沿用基于波长无关光分路器的光分配网络，支持后向兼容。基于上述优点，该系统在TWDM-PON的构建中也存在较好的应用前景。如何实现低成本高速调制是TWDM-PON实现中的主要挑战。四波长堆叠的100GTWDM-PON要求单波长速率高达25Gb/s，而目前常用的商用器件带宽在10GHz左右。如何用低成本器件和简单的技术实现单波长25Gb/s及以上的调制并支持40km以上的光纤传输是需要重点考虑的问题，针对这个问题的研究主要包括以下两个方面：一方面：涉及器件制备，通过高速调制器和宽带接收机实现高速调制与接收；已报道有利用基于混合硅、III/V族材料实现低成本的可支持20Gb/s调制速率的直调激光器；同时如何提高接收机带宽也得到广泛研究。另一方面：利用高阶调制码型降低对发射和接收机的带宽要求。目前已经有部分相关工作发表。经检索发现，2014年，华为技术有限公司在光纤通信会议(OpticalFiberCommunicationConference)上发表了题为“30kmDownstreamTransmissionUsing4×25Gb/s4-PAMModulationwithCommercial10GbpsTOSAandROSAfor100Gb/s-PON”(基于商用10Gb/s收发器件的4×25Gb/s4-PAM信号的30公里传输)的文章。该文章中记载了以下方案：利用商用10Gbps器件实现4-PAM(4PulseAmplitudeModulation，四电平脉冲幅度调制)格式的单波长25Gb/s信号的调制和解调。4-PAM调制格式是一种多电平调制，四种脉冲幅度可以代表两位数据，使信号的波特率降低为二进制格式的一半，从而能够降低对收发机的带宽需求。该文章中的方案的主要缺点在于：在光域没有考虑色散，所以导致后续DSP(DigitalSignalProcessing，数字信号处理)处理相对复杂，系统效果也不甚理想。除4-PAM外，双二进制调制也是一种常用的调制方式。双二进制码属于一种相关编码技术，利用比特间的相关性，将二电平的电信号转为三电平。相关编码通常由两种方式实现：1-bit延迟相加或模拟低通滤波。低通滤波器通常选择贝塞尔型，3dB带宽约为信号带宽的1/4。因此，双二进制码的谱效率比二电平提高将近四倍，同速率的双二进制抗色散能力更强。经检索发现，阿尔卡特-朗讯公司的D.VanVeen等在2014年的欧洲光纤通讯展览会(EuropeanConferenceonOpticalCommunication)上发表了题为“26-GbpsPONTransmissionover40-kmusingDuo-binaryDetectionwithaLowCost7-GHzAPD-BasedReceiver”(利用7GHzAPD接收机实现的26-Gb/s双二进制信号的40km传输)的文章，该文章中提出以下方案：在ONU端，利用7GHz带宽的接收机，实现26Gb/s信号的双二进制接收，后续通过双二进制到二进制解调电路进行解调。该方案的主要缺点在于：虽然降低了接收机的带宽，但发射端仍需要宽带调制器；而且信号波长在O波段，该波段色散系数很低，因此该方案没有考虑色散问题。2015年，D.VanVeen等在IEEEJournalofLightwaveTechnology(《光波技术杂志》)上发表了另一篇题为“Demonstrationof40-Gb/sTDM-PONOver42-kmWith31dBOpticalPowerBudgetUsinganAPD-BasedReceiver”(基于APD接收机的31-dB功率预算和42km光纤传输的40Gb/s时分复用无源光网络系统演示)的文章，该文章中提出以下方案：利用窄带调制器，实现高速Duo-binary(双二进制码型)调制，发射端通过低通滤波器，将OOK(On-OffKeying，开关键控)转换为Duo-binary码型。但是，该方案中的接收端仍需要宽带接收机。该文章演示了40-Gb/s信号在C波段的26km差分距离的光纤传输。虽然采用了啁啾系数较小的外调制方式，但是，对于不同的传输距离，需要补偿不同的色散量，具体的实现过程很复杂。在低复杂度的条件下，用低速器件实现高速信号的实时调制与解调是下一代光接入网中亟待解决的问题。现有方案要么采用高速器件实现高速传输，系统成本很高；要么大量的依赖数字信号处理，急剧增加后续的数据处理的复杂度，基本无法实现系统的实时运行。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用低速光器件实现高速传输的对称TWDM-PON系统中的ONU，能够显著降低系统的成本，有效降低系统的复杂度，降低系统高速实时传输数据的难度。本发明提供一种用低速光器件实现高速传输的对称TWDM-PON系统中的ONU，该TWDM-PON系统包括光线路终端OLT、馈线式光纤、光远端节点、若干分布式光纤和若干光网络单元ONU，光远端节点位于OLT和ONU之间，光远端节点的一端通过馈线式光纤连接OLT，另一端通过若干分布式光纤连接若干ONU，分布式光纤与ONU一一对应，其特征在于：所述ONU包括第三光波分复用器、下行数据接收模块、第二媒体介质控制模块以及上行数据发射模块，ONU的上行、下行共用第三光波分复用器、第二媒体介质控制模块，下行方向，第三光波分复用器、下行数据接收模块、第二媒体介质控制模块顺次连接；上行方向，第二媒体介质控制模块、上行数据发射模块、第三光波分复用器顺次连接。在上述技术方案的基础上，所述上行数据发射模块包括低速电吸收调制激光器EML，该低速EML具有波长可调谐特性，用于对第二媒体介质控制模块发来的上行信号进行四电平脉冲幅度调制。在上述技术方案的基础上，在上行方向，ONU中的第二媒体介质控制模块根据控制协议，控制上行信号的产生、上行数据发射模块的发射波长和传送的时隙，将产生的上行信号传输到上行数据发射模块中的低速EML，低速EML对第二媒体介质控制模块发来的上行信号进行四电平脉冲幅度调制，将经过四电平脉冲幅度调制的上行信号传输到第三光波分复用器；第三光波分复用器通过分布式光纤将经过四电平脉冲幅度调制的上行信号传输到光远端节点。在上述技术方案的基础上，所述下行数据接收模块包括可调光滤波器、下行光电探测器，第三光波分复用器、可调光滤波器、下行光电探测器、第二媒体介质控制模块顺次相连。在上述技术方案的基础上，在下行方向，ONU中的第三光波分复用器将下行信号传输到下行数据接收模块；下行数据接收模块中的可调光滤波器对下行信号进行滤波，得到单波长的光信号；下行光电探测器将单波长的光信号转变为电信号，传输到第二媒体介质控制模块，第二媒体介质控制模块对接收的电信号进行处理后传输到客户侧；第二媒体介质控制模块还根据控制协议，控制下行信号的接收，主要控制可调光滤波器的中心波长和下行信号接收的时隙。在上述技术方案的基础上，所有下行光电探测器均为低速普通光电探测器。在上述技术方案的基础上，所述下行数据接收模块的带宽为10GHz。在上述技术方案的基础上，所述上行数据发射模块有至少10Gb/s数据调制能力，同时具有波长可调谐功能，用以实现ONU的无色化，根据实际需要，将不同ONU的数据调制到所需要的波长上。与现有技术相比，本发明的优点如下：(1)低成本：本发明利用单个光滤波器的滤波作用，实现对下行信号的频率均衡(FrequencyEqualization)和啁啾管理(ChirpManagement)；利用单个色散量固定的色散补偿器件，实现对传输不同距离上行信号的色散补偿，能够显著降低系统的成本。(2)向下兼容：本发明在接入网、短距离互联等场合有很好的向后兼容性，在传统的10Gb/s系统上，无需改变现有系统的架构，就能实现25Gb/s的高速调制，实现平滑的升级。(3)高速实时传输：本发明下行采用直调直检，上行信号发射采用直接调制，接收端仅用到四电平转两电平逻辑电路，不需要额外的数字信号处理，能够有效降低系统的复杂度，降低系统高速实时传输数据的难度。(4)本发明结合单个光滤波器及光信号高阶调制实现向下兼容的对称TWDM-PON系统，能够利用窄带直调激光器和窄带接收器件实现基于二进制码型的高速调制和解调，实现信号的下行传输；能够合理的使用光色散补偿器件，结合高阶调制，实现信号的上行传输，极大地降低系统成本，推动对称TWDM-PON的发展。(5)在上行方面，区别于现有的大量依赖数字信号离线处理技术，本发明在接收端通过具有固定色散量的色散补偿器件、光波分解复用器和多个上行光电探测器，实现上行多个波长、不同传输距离的高质量接收、四电平脉冲幅度调制(4-PAM)信号的实时接收。(6)在下行方面，区别于现有的高阶调制技术，本发明中采用了二进制调至格式，避免在光网络单元使用复杂的接收电路，能够降低用户端的接收成本。(7)本发明能够实现基于10GHz窄带器件的对称4*25Gbps速率信号的C波段低灵敏度损伤40km光纤传输。附图说明图1是本发明实施例中用低速光器件实现高速传输的对称TWDM-PON系统的结构示意图。图2为具有固定色散量的色散补偿器件的群时延与波长图。图3为上行链路中添加具有固定色散量的色散补偿器件，在背靠背状况下的眼图。图4为上行链路中添加具有固定色散量的色散补偿器件，在传输20km状况下的眼图。图5为上行链路中添加具有固定色散量的色散补偿器件，在传输40km状况下的眼图。图6为上行链路中不加具有固定色散量的色散补偿器件，在传输20km状况下的眼图。图7为周期性光滤波器通带范围、原始信号以及经滤波器滤波后的信号光谱图。图8为下行链路中经过滤波的信号在背靠背状况下的眼图。图9为下行链路中经过滤波的信号在传输40km光纤后的眼图。图10为下行链路中不经滤波的信号在传输40km光纤后的眼图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。参见图1所示，本发明实施例提供一种用低速光器件实现高速传输的对称TWDM-PON系统中的ONU，该TWDM-PON系统包括OLT(OpticalLineTerminal，光线路终端)、馈线式光纤、光远端节点、若干分布式光纤和若干ONU(OpticalNetworkUnit，光网络单元)，光远端节点位于OLT和ONU之间，光远端节点的一端通过馈线式光纤连接OLT，另一端通过若干分布式光纤连接若干ONU，分布式光纤与ONU一一对应。OLT包括第一媒体介质控制模块、下行数据发射模块、第一光波分复用器和上行数据接收模块，OLT的上行、下行共用第一光波分复用器、第一媒体介质控制模块；下行方向，第一媒体介质控制模块、下行数据发射模块、第一光波分复用器顺次连接；上行方向，第一光波分复用器、上行数据接收模块、第一媒体介质控制模块顺次连接。下行数据发射模块包括多个直调激光器、一个第二光波分复用器、一个周期性光滤波器和一个第一光放大器，所有直调激光器的一端与第一媒体介质控制模块相连，另一端与第二光波分复用器相连，第二光波分复用器、周期性光滤波器、第一光放大器、第一光波分复用器顺次相连。上行数据接收模块包括一个第二光放大器、一个具有固定色散量的色散补偿器件、一个光波分解复用器和多个上行光电探测器，上行光电探测器的数量与直调激光器的数量相同，第一光波分复用器、第二光放大器、具有固定色散量的色散补偿器件、光波分解复用器顺次相连，所有上行光电探测器的一端与光波分解复用器相连，另一端与第一媒体介质控制模块相连。每个ONU包括第三光波分复用器、下行数据接收模块、第二媒体介质控制模块以及上行数据发射模块，ONU的上行、下行共用第三光波分复用器、第二媒体介质控制模块，下行方向，第三光波分复用器、下行数据接收模块、第二媒体介质控制模块顺次连接；上行方向，第二媒体介质控制模块、上行数据发射模块、第三光波分复用器顺次连接。上行数据发射模块包括低速EML(EroabsorptionModulatedLaser，电吸收调制激光器)，该低速EML具有波长可调谐特性，用于对第二媒体介质控制模块发来的上行信号进行四电平脉冲幅度调制(4-PAM)。下行数据接收模块包括可调光滤波器、下行光电探测器，第三光波分复用器、可调光滤波器、下行光电探测器、第二媒体介质控制模块顺次相连。下行方向：OLT中的第一媒体介质控制模块控制下行信号的产生和处理，将下行信号调制到所有直调激光器产生的光载波上；各直调激光器产生光载波，同时将相应的电信号调制到该光载波上，形成下行信号；第二光波分复用器对所有直调激光器发出的下行信号进行复用处理，将复用后的下行信号发给周期性光滤波器；周期性光滤波器对复用后的下行信号进行滤波，实现下行信号的频率均衡和啁啾管理，即滤波的作用包括两个方面：频率均衡和啁啾管理；将滤波后的下行信号发送到第一光放大器；第一光放大器对滤波后的下行信号进行放大，将放大后的下行信号发送到第一光波分复用器；第一光波分复用器将第一光放大器放大的下行信号通过馈线式光纤传输到光远端节点，光远端节点通过分布式光纤将下行信号传输到各ONU；各ONU中的第三光波分复用器将下行信号传输到下行数据接收模块；下行数据接收模块中的可调光滤波器对下行信号进行滤波，得到单波长的光信号；下行光电探测器将单波长的光信号转变为电信号，传输到第二媒体介质控制模块，第二媒体介质控制模块对接收的电信号进行处理后传输到客户侧；第二媒体介质控制模块还根据控制协议，控制下行信号的接收，主要控制可调光滤波器的中心波长和下行信号接收的时隙。上行方向：各ONU中的第二媒体介质控制模块根据控制协议，控制上行信号的产生、上行数据发射模块的发射波长和传送的时隙，将产生的上行信号传输到上行数据发射模块中的低速EML，低速EML对第二媒体介质控制模块发来的上行信号进行四电平脉冲幅度调制(4-PAM)，将经过四电平脉冲幅度调制(4-PAM)的上行信号传输到第三光波分复用器；第三光波分复用器通过分布式光纤将经过四电平脉冲幅度调制(4-PAM)的上行信号传输到光远端节点，不同ONU中的上行信号的波长可根据需要进行调谐，工作波长可相同或不同；光远端节点对各ONU传来的不同波长的上行信号进行耦合，再通过馈线式光纤将耦合后的上行信号传输到OLT；OLT中的第一光波分复用器将上行信号传输到第二光放大器；第二光放大器放大上行信号；具有固定色散量的色散补偿器件对上行信号进行色散补偿，为了实现多波长信号的同时处理，所有上行信道对应的色散量应保持一致；光波分解复用器对上行信号进行解复用，将不同波长的上行信号传输到相应的上行光电探测器；上行光电探测器将上行光信号转变为电信号，再将该电信号传输到第一媒体介质控制模块；第一媒体介质控制模块接收上行光电探测器发来的电信号，并对接收的电信号进行四电平到二电平的转换处理。具有固定色散量的色散补偿器件是一种色散量固定的色散补偿器件，例如：啁啾光栅、FBG(FiberBraggGrating，光纤布拉格光栅)、DCF(dispersioncompensationfiber，色散补偿光纤)等。直调激光器具有波长可调谐特性，其波长可调谐特性可以通过温度或电流控制，改变波长最根本的方法是改变激光器的腔长，此处就是通过热胀冷缩或电致折射率改变激光器的腔长。OLT中不同的下行数据发射模块具有不同的发射波长，不同的下行数据发射模块之间的波长间隔满足ITU-T的标准，例如：波长间隔设置为100GHz。为了实现多波长信号的同时处理，下行信道之间的波长间隔应为周期性光滤波器的自由频谱间隔的整数倍，即为了同时实现多波长信号处理，下行信号光谱位于周期性光滤波器谱型的相同位置处(上升沿或者下降沿)；周期性光滤波器的自由频谱间隔是可调谐的。所有上行光电探测器、下行光电探测器均为低速普通光电探测器。光远端节点可由分光比为1：N的光分路/合路器(Splitter)组成，N取64、128或者256。本发明的核心思想是：在下行，利用光滤波技术对调制于窄带器件上的高速信号进行频率均衡和啁啾管理，从而实现了基于10GHz窄带直调激光器和10GHz窄带接收机的25GbpsOOK(On-OffKeying，开关键控)信号的直接调制、直接检测和40km的下行传输；在上行，利用高阶调制高频谱利用率以及信号啁啾的特点，实现基于10GHz窄带电吸收调制激光器(EML)和10GHz窄带接收机的25Gbps4-PAM信号的直接调制和40km的上行传输。下面通过一个基于10GHz光器件传输高速信号的低成本对称TWDM-PON系统为例进行详细说明。该系统的上下行单波长传输速率均为25Gbps，四波长同时传输实现对称TWDM-PON系统，参见图1所示，该TWDM-PON系统包括OLT、馈线式光纤、光远端节点、若干分布式光纤和若干ONU，其中，馈线式光纤的一端与OLT相连，馈线式光纤的另一端连接光远端节点，分布式光纤的两端分别连接光远端节点和ONU，光远端节点是分光比为1：N的光分路/合路器，N取64、128或256，其具体值需要综合考虑系统中的传输距离和系统的光功率预算。光分路/合路器(Splitter)通过分布式光纤连接ONU1、ONU2、ONU3、……、ONUN。图1中有4个直调激光器、4个上行光电探测器，能够实现低成本、高性能的对称4×25G的TWDM-PON系统；同理，当直调激光器、上行光电探测器均为2个时，能够实现低成本、高性能的对称2×25G的TWDM-PON系统；当直调激光器、上行光电探测器均为10个时，能够实现低成本、高性能的对称10×25G的TWDM-PON系统。4个直调激光器的下行输出端口均连接到第二光波分复用器的下行输入端口，第二光波分复用器的下行输出端口连接到周期性光滤波器的下行输入端口，周期性光滤波器的下行输出端口连接到第一光放大器的下行输入端口，第一光波分复用器的下行输出端口耦合到馈线式光纤中。下行数据发射模块中的直调激光器的带宽为10GHz；上行数据接收模块中的上行光电探测器采用PIN(PositiveIntrinsicNegativeDiode，光电二极管)类型光电探测器，带宽为10GHz，并通过简单判决电路将四电平信号转变为二电平信号，实现上行数据的实时处理。OLT中具有固定色散量的色散补偿器件用于：补偿上行25Gbps四电平脉冲幅度调制信号，其群时延跟波长曲线参见图2所示，可以看到其群时延随波长变化是周期性变化的。由于群时延对波长求导就是信号的色散量，从图2可以看出，该色散补偿器件的色散量大约为-650ps/nm。图3、图4、图5分别是在接收端添加该色散补偿器件，背靠背、传输20km、传输40km状况下的眼图，可以看出三个眼图均为张开的四电平眼图，从而说明该方案可以实现信号传输距离0～40km的无缝覆盖。上行链路中不加具有固定色散量的色散补偿器件，在传输20km状况下的眼图参见图6所示。本发明实施例在接收端仅仅将四电平转换为二电平就可以完成解调，不需要添加其他的色散补偿等DSP算法，大大降低了解调的复杂性。OLT的周期性光滤波器用于同时地进行下行信号的频率均衡和啁啾管理。经过实验验证该方案的可行性，其周期性光滤波器的谱型图参见图2所示，周期性光滤波器通带范围、原始信号以及经滤波器滤波后的信号光谱图参见图7所示，下行链路中经过滤波的信号在背靠背状况下的眼图参见图8所示，下行链路中经过滤波的信号在传输40km光纤后的眼图参见图9所示，下行链路中不经滤波的信号在传输40km光纤后的眼图参见图10所示，可见周期性光滤波器一个器件可以同时实现频率均衡和色散管理，实现0～40km的无缝高质量、低成本信号传输。同时由于滤波器的周期滤波特性，可以同时实现对多个波长的管理。在ONU中，下行数据接收模块的带宽为10GHz；上行数据发射模块有至少10Gb/s数据调制能力，同时具有波长可调谐功能，用以实现ONU的无色化，根据实际需要，将不同ONU的数据调制到所需要的波长上。本实施例利用低成本的10GHz光器件，实现了上下行速率对称的4×25G-PON，该方案具有以下优点：(1)利用具有固定色散量的色散补偿器件，实现上行信号多波长的色散补偿，实现了色散补偿全光处理，大大降低了系统复杂度，提高了系统的时效性。(2)利用一个周期性光滤波器，实现下行信号多波长频率均衡和色散管理，实现了全光信号处理，避免了高速电色散补偿模块和电频率均衡算法的使用。(3)周期性器件易于集成实现，可以与OLT的其它器件集成到一起，在很大程度上减小器件的尺寸，降低系统成本。(4)该4×25G-PON系统不改变现有的已经铺设的PON系统的光纤分布式网络的结构，而且还可以沿用现有PON系统中的光远端节点结构，因而可在现有的PON系统进行平滑升级，且完全与现有PON系统兼容，进而可在一定程度上降低PON系统的升级成本。本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。