一种光功率均衡方法及其装置与流程

本发明涉及通信
技术领域：
中的，尤其涉及一种光网络通信系统中的光功率均衡方法及其装置。
背景技术：
：无源光网络系统中，不同onu(光网络单元)的地理位置及光信号传输路径的差异，形成非对称的网络拓扑结构，最终导致olt(光纤线路终端)所接收上行信号的光功率差异较大。接收功率动态范围在高分光比的网络拓扑中会变得更加显著，有时候接收到的数据包功率差能达到10db以上。因此，为了更准确地接收不同功率和数据长度的光信号，需要一个快速精准的突发模式光接收机并且其接收功率动态范围要非常大。而在目前应用的10gb/stdmpon(基于时分复用的无源光网络)网络系统中，由于高速电均衡以及突发模式信号阀值的快速提取技术仍难以商业化，导致突发模式光接收机的接收功率动态范围都相对较小。而光功率预均衡可以有效地降低突发模式光接收机的复杂度，光功率均衡器必须要低成本、复杂度低，并且支持10gb/s的数据速率，因此，光功率均衡器设计对于40gb/stwdm-pon(基于时分和波分复用的无源光网络)的突发模式上行光信号接收显得十分重要。基于soa(半导体光放大器)的光功率均衡已被证明是一个非常有前景的、降低接收功率动态范围的方法。由于基于soa的光均衡器一般被放置在远程节点并作为传输距离延长器，这对其精确光功率均衡的要求很高。并且这种配置存在几个缺点，即需要远程供电以及配置相关人力，缺乏故障监控并增加了onu用户的成本。通常，基于soa的功率均衡器可通过以下两个方案实现：1)，自动增益控制方式的功率均衡器如图1所提供的自动增益控制方式的功率均衡器中，其采用基于输入光信号强度来切换soa偏置电流的功率均衡方案。不同的突发模式输入数据包(强包和弱包)将经历不同的放大增益以明显地压缩功率动态范围并避免soa工作在饱和区。这种设计方案将极大程度地降低olt的突发模式光接收机的复杂度，并不需要快速阀值提取以及电信号均衡等技术。然而，这种方案需要一个监控光电二极管和高速电路去调整soa的偏置电流，并且由于外部控制所带来的额外成本和复杂度，对于目前应用场景来说是不可被接受的。2)，soa级联方式的功率均衡器如图2所示，光功率均衡可以通过两个半导体光放大器soa1、soa2级联得以实现，第一个半导体光放大器soa1对输入光信号功率进行预放大、第二个半导体光放大器soa2工作在饱和状态作为均衡装置。由于其并不需要复杂的电子控制，该方案相对较简单成本也相对较低。然而，由于半导体光放大器soa2工作在饱和区域，其放大过程中“0”比特的放大增益要比和“1”比特的放大增益高，这将导致输出信号眼睛闭合并恶化信号的消光比；此外，在10gb/s数据传输过程中当输入信号数据速率接近半导体光放大器的增益恢复速率时，码形效应变得特别明显，从而导致半导体光放大器增益介质中载流子的快速耗尽并驱使半导体光放大器进入深入饱和状态，这种受信号影响的半导体光放大器增益最终将导致数据比特失真以及符号间的串扰。技术实现要素：本发明旨在提供一种本发明提出了一种光功率均衡技术方案，该方案将大幅改善上述两种方案的缺点。根据本发明的一个方面，这里提供一种光功率均衡方法，其包括：将输入光信号分为两路，其中第一路光信号作为原信号，第二路光信号生成一个逻辑反信号作为辅助信号；原信号和辅助信号同时从相反的方向输入到一个半导体光放大器；从半导体光放大器一端分离出输出光。优选地，所述第二路光信号通过一个光学非门生成逻辑反信号。优选地，所述原信号与逻辑反信号保持高度线性。优选地，前述方法进一步包括对输入光信号进行预放大处理，使得所述半导体光放大器在原信号和辅助信号作用下工作在饱和放大区。优选地，所述方法进一步包括：对半导体光放大器的信号输入和输出光进行隔离，防止输出光对信号输入的反向干扰。优选地，前述输出光为放大后的原信号。优选地，所述方法进一步包括对输出光信号进行衰减。根据本发明的一个方面，这里提供一种光功率均衡装置，其包括：输入装置，将输入光信号分为第一、第二两路光信号，其中第一路光信号作为原信号，第二路光信号生成一个逻辑反信号作为辅助信号；半导体光放大器，工作在饱和放大区，对所述原信号和辅助信号进行放大；输出装置，从所述半导体光放大器一端分离出输出光。优选地，所述输入装置第二路光信号通过一个光学非门生成逻辑反信号。优选地，所述输入装置中原信号与逻辑反信号保持高度线性。优选地，所述输出装置进一步对半导体光放大器的信号输入和输出光进行隔离，防止输出光对信号输入的反向干扰。优选地，所述输出装置可以是一个环形器，用于隔离半导体光放大器的辅助信号输入和输出光，所述输出光为放大后的原信号。优选地，所述输出装置可以是光隔离器和光分器，用于隔离半导体光放大器的输入光和输出光，并通过光分支器输出放大后原信号。优选地，光功率均衡装置进一步包括：预放大装置，其工作在线性放大区间，对输入光信号进行预放大处理，使得所述半导体光放大器在原信号和辅助信号作用下工作在饱和放大区。优选地，前述预放大装置为掺铒光纤放大器，拉曼光纤放大器、或半导体光放大器。优选地，光功率均衡装置进一步包括：衰减装置，用于降低输出光功率以满足后续接收要求。根据本发明的一个方面，这里提供一种无源光网络系统中的光网络设备，其包括前述功率均衡装置，光网络设备可以是光纤线路终端或远程节点。根据本发明实施例所提供的方法及其装置，它不需要动态电子控制、并可在信号质量衰减的情况下提供足够高的动态功率范围压缩，使得突发模式光接收机的复杂度大幅降低、并可允许使用传统的连续模式光接收机。同时，其尤其适用于高速率信号光传输过程中的光功率均衡，有效地解决了传统方式下输入信号数据速率接近半导体光放大器的增益恢复速率时所导致的码形效应问题、数据比特失真以及符号间串扰问题。附图说明通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的元件具有相同的标识，其中：图1是自动增益控制方式的功率均衡器；图2是soa级联方式的功率均衡器；图3a是本发明所提供的功率均衡器实施例之一；图3b是本发明所提供的功率均衡器实施例之二；图4a是本发明所提供光功率均衡器于无源光网络系统中对上行光信号进行功率均衡应用实施例之一；图4b是本发明所提供光功率均衡器于无源光网络系统中对上行光信号进行功率均衡应用实施例之二；图5是本发明所提供功率均衡器实施例中soa的光功率注入图例；图6是本发明所提供的功率均衡器实施例中输入端的数据包码形图例；图7是本发明所提供的功率均衡器实施例中soa的两端叠加后的数据包码形及时域幅度；图8是本发明所提供的功率均衡器实施例中soa的输入功率变化的增益特性。图9是本发明所提供的功率均衡器实施例中soa的输出功率变化的增益特性。图10是本发明所提供的功率均衡器输出端的数据包码形图例；图11是本发明所提供的功率均衡器实施例中信号均衡过程中数据包码形及相应时域信号幅度图例。具体实施方式在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。需要说明的是，尽管本文中以特定顺序描述了本发明中有关方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，本文中所描述的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。图3a是本发明所提供的功率均衡器实施例之一，图例中光功率均衡器至少由一个光输入装置、1个半导体光放大器soa，1个光输出装置组成。该光功率均衡器利用饱和半导体光放大器soa的自增益调制特性使得强数据包的放大增益变小，当输入光信号功率较大时，半导体光放大器soa即进入饱和状态。该光功率均衡器需要保证输入至半导体光放大器soa的光功率要足够大以驱动其进入饱和状态。假设输入光信号光功率足够大，输入光信号通过光输入装置的一个光分支器被分成两个光路，其中第一路光信号作为原信号s，第二路光信号生成一个逻辑反信号作为辅助信号，其中，第二路可通过一个光逻辑非门not生成反信号作为辅助信号s’，通过光逻辑非门not产生的反信号最好与原信号保持高度线性。光逻辑非门not可通过现有几个方案实现：如基于soa的马赫曾德尔干涉仪，增益箝制soa，量子控制非门，或频谱相线性光滤波器等。研究公开表明基于光子集成电路的技术可实现全光逻辑门设计及制造，如光子晶体环形谐振腔。上述所有方法都已经成功地演示了光信号反转，并且反转后的“1”比特和“0”比特之间的功率差明显并与原信号保持高度线性。该逻辑非门的开关速率可高达40gb/s，可满足对高速信号下的光均衡器要求，随着半导体技术以及光子集成技术的发展，未来低成本和高性能的全光逻辑门将成为商业化。半导体光放大器soa，其工作在饱和放大区，原信号s和辅助信号s’两路信号同时从相反的方向抵达半导体光放大器soa，半导体光放大器soa对原信号s和辅助信号s’两路信号进行放大和输出，进一步结合图5所提供的功率均衡器实施例中soa的光功率注入图例可见，在原信号s和辅助信号s’两路正反信号作用下，其结果是soa的输入光功率保持恒定不变，可视为连续波信号输入。在一个突发模式期间，soa的增益与输入信号无关，使得“1”比特与“0”比特的放大增益相同并导致均衡后的信号眼睛张开以及消光比保持不变。此外，由于soa的增益和输入信号速率无关，码形效应产生的信号失真得到了显著的减少。由于soa工作在饱和放大区间，在放大过程中弱数据包的放大增益比强数据包的放大增益高，从而实现信号光功率均衡的效果。光输出装置，从半导体光放大器soa的一端分离出输出光，图例中我们使用一个环形器从半导体光放大器soa的一端分离出输出光，环形器把光从第1端口传输到第2端口，从第2端口传输到第3端口。图例中一个环形器1被配置在半导体光放大器soa对原信号s放大后的输出端口，以隔离输入辅助信号s’和输出光以防反向干扰，同时输出放大后的原信号；在半导体光放大器soa的另外一端，即半导体光放大器soa对辅助信号s’放大后的输出端口，也可配置一个环形器将隔离输入号原信号s和输出光以防反向干扰。根据本发明提供的一个优选实施例，在半导体光放大器soa后放置一个可变光功率衰减器voa用来进一步地降低输出光功率以满足后续接收要求。根据本发明提供的一个优选实施例，图例中光功率均衡器可进一步包括一个预放大装置，对输入信号提供恒定功率放大，它可以是一个半导体光放大器，工作在线性放大区间，放大后的输入信号可以使前述半导体光放大器soa在原信号、反信号作用下工作在饱和放大区。预放大装置半也可以采用掺铒光纤放大器edfa，拉曼光纤放大器rfa来实现。图3b是本发明所提供的功率均衡器实施例之二，图例中光功率均衡器至少由一个光输入装置、1个半导体光放大器soa，1个光输出装置组成，值得说明的是其光输出装置被配置在半导体光放大器soa对原信号s放大后的输出端口，它采用一个光分支器和一个光隔离器构成，原信号s经半导体光放大器soa放大后，通过光分支器输出，光隔离器可有效隔离输入辅助信号s’和输出光以防反向干扰。在半导体光放大器soa的另外一端，即半导体光放大器soa对辅助信号s’放大后的输出端口，也可配置一个光隔离器可有效隔离输入号原信号s和经soa放大输出的辅助信号s’以防反向干扰；该链路上还可设置一个voa1，其衰减系数等同于光输出装置中的光分支器，使得作用于soa的原信号s和辅助信号s’功率相当。如图4a所示本发明所提供的光功率均衡器于无源光网络系统中对上行光信号进行功率均衡应用实施例之一，所提的功率均衡方案用于非对称网络拓扑的40gb/stwdmpon系统，该系统包括位于局端的olt，非对称的光分配网络，远端的onu单元。非对称的光分配网络拓扑包含两个分光器：一个1∶2分光器和一个1∶32分光器，1∶2分光器通过20km的主干光纤和olt相连，该分光器一个分支端直接连接至一个附近的onu#1，连接距离＜1km，同时该分光器另外一分支端连接至1∶32分光器，1∶32分光器一个分支端通过20km的用户光纤与最远的onu#2相连。由于链路的非对称性，onu#1、onu#2的上行信号通过非对称的光分配同络，将存在不通程度的衰减，最终导致olt侧接收到的上行信号的光功率差异较大。在局端侧，对于一个4波长twdm-pon系统，每个波长的olt板卡设置一个驱动装置，共需要4个驱动装置，它们可以被放置在局端中心站的可插拔模块上。对于一个驱动装置而言，一个波分复用器wdm用来分离上下行波长，一个下行波长通过一个光放大器输出放大后的下行信号λds，而来自光分配网络的上行信号λus通过本发明所提供的光功率均衡器进行功率均衡之后输出到突发模式光接收机rx。根据itu-tg989.1标准，olt接收到的上行光功率可能非常低，需要对接收到的上行信号λus进行预放大，通过饱和放大区工作的soa的自增益调制特性使得来自onu#1的强数据包的放大增益变小、来自onu#2弱数据包的放大增益比强数据包的放大增益高，从而实现上行信号光功率均衡的效果。图4b进一步提供了所示本发明所提供的光功率均衡器于无源光网络系统中对上行光信号进行功率均衡应用实施例之二，所提的功率均衡方案用于非对称网络拓扑的40gb/stwdmpon系统，该系统包括位于局端的olt，非对称的光分配网络，远端的onu单元。非对称的光分配网络拓扑包含远程节点rn以及两个分光器：一个1∶2分光器和一个1∶32分光器，远程节点rn通过20km的主干光纤和olt相连，其内置一个均衡器来对上行光信号进行功率均衡，该分光器一个分支端直接连接至一个附近的onu#1，连接距离＜1km，同时该分光器另外一个分支端连接至1∶32分光器，1∶32分光器一个分支端通过20km的用户光纤与最远的onu#2相连。由于链路的非对称性，onu#1、onu#2的上行信号通过非对称的光分配网络，将存在不通程度的衰减，最终导致远程节点rn接收到的上行信号的光功率差异较大，远程节点中驱动装置通过阵列波导光栅awg分离出四个不同的上行波长λu1、λu2、λu3、λu4，通过本发明所提供的光功率均衡器分别对前述四个不同上行波长的上行光功率进行均衡输出到主干光纤，为局端olt中的突发模式光接收机rx所接收。光功率均衡器通过饱和放大区工作的soa的自增益调制特性使得来自onu#1的强数据包的放大增益变小、来自onu#2弱数据包的放大增益比强数据包的放大增益高，从而实现在远程节点中对上行信号光功率均衡的效果。为了进一步地了解本发明实施例所提供的光功率均衡方案，以下将结合图4a所提供的twdmpon系统局端侧olt中光功率均衡器前后的上行光功率输入、输出，数据包码形等进行说明，通过本发明提供的光功率均衡，来自不同onu的上行信号λus功率动态范围得到了显著的压缩，以便olt端采用传统的连续模式光接收机。图4a所示的twdmpon系统的非对称网络拓扑结构完全符合ngpon2的标准，其传输总长度达到40km以及不同onu之间的设定传输距离差最大范围为20km。考虑到光纤衰减为0.2db/km、以及光分支器所带来的损耗，onu#1的上行信号在抵达olt前的功率总损耗为7db，而onu#2的上行信号在抵达olt前的功率总损耗为26db。因此最近的onu#1和最远的onu#2的上行信号功率损耗相差19db。假设所有onu的光模块相同且其入纤光功率为odbm，那么onu#1和onu#2的信号在olt接收到的平均光功率可以计算出并入表1所示。表1onu#1onu#2功率损耗7db26dbolt接收功率-7dbm-26dbm为了模拟优化的soa功率均衡器的均衡效果且简单起见，我们只考虑两个onu(onu#1和onu#2)工作、剩余onu都保持在关断状态。onu#1和onu#2的光收发模块相同，都是1530nmdfb激光器并将10gb/sook信号直接调制至dfb激光器上。调制后信号的消光比是10db，他们交替传输上行信号并拥有相同的保护间隔时隙为125μs。其传输信号内只包含有效数据载荷包(随机的1010数据)，不同的突发时隙之间有一个25μs的保护间隔以防信号之间的干扰。图6示出功率均衡器输入端的数据包码形图例，由于onu#1和onu#2的信号的传输距离和分光比不同导致olt端分别接收到来自onu#1的强信号和来自onu#2的弱信号，其功率动态范围可高达19db，结合图中放大的信号码形可看出，强信号和弱信号的消光比在均衡前为10db。图7是本发明所提供的功率均衡器实施例中soa的两端叠加后的数据包码形及时域幅度，图例下方示意出输入至soa总的数据码形图；图例上方示意出一个强信号的时域幅度叠加效果图，其中，原始信号s和辅助信号s’两路信号将同时抵达soa的两侧输入端面进行叠加，通过这种方式，soa的增益是由总的输入光功率决定的，于理想情况下，每一个“1”比特都会伴随着一个“0”比特，反之亦然，使得输入至soa的光功率保持恒定不变。在图7所示的仿真结果验证中，强信号和弱信号在经过预放大装置后都同时放大25db，由于原始信号s和辅助信号s’两路正反信号的叠加，其数据码形的振幅明显地变平坦了。叠加后的数据仍存在一定的波动这是由于光逻辑非门所产生的噪声引起的。然而这样的噪声可以被忽略不计，因为其振幅变化范围＜0.2db。由此看出，在每一个突发模式期间，该均衡器是不受信号质量以及速率的影响。图8是本发明所提供的功率均衡器实施例中半导体光放大器soa的输入功率变化的增益特性，增益曲线上的两个位置点分别对应强信号和弱信号(onu#1和onu#2)的inputpower(输入光功率)以及对应的gain(增益)。由于soa工作在饱和放大区间，可以看到onu#1和onu#2的上行信号在通过本发明所提供的功率均衡后，他们的放大增益是不相同的，分别为获得了2.3db和19db的增益，这将使得功率动态范围得到显著的压缩。图9是本发明所提供的功率均衡器实施例中半导体光放大器soa的输出功率变化的增益特性，onu#1和onu#2的上行光信号在通过本发明所提供的功率均衡后，onu#1和onu#2的inputpower(输入光功率)在均衡前相差19db，经过功率均衡后它们outputpower(输出光功率)相差2.3db，可见，它们之间原来的19db的功率动态范围通过功率均衡后被压缩至2.3db的功率动态范围，使得olt的上行信号接收功率动态范围减少16.7db。图10是本发明所提供的功率均衡器输出端的数据包码形图例。半导体光放大器soa产生的ase也将作为高斯白噪声叠加至输出信号上，然而由于soa工作在饱和放大区间，ase噪声底非常低，一般＜-20dbm，几乎对传输信号不造成影响。强信号的最终输出功率为17.3dbm而弱信号的输出功率为15dbm，功率动态范围从19db降低至2.3db。然而强信号和弱信号的消光比在均衡后仍保持10db不变，使得信号眼睛张开，这种与信号无关的消光比保证了低误码率。由于soa的增益保持恒定不变，在均衡过程中信号质量保持不变并不受信号速率影响。和均衡前的信号质量相比，均衡后的信号几乎没有失真。图11是本发明所提供的功率均衡器实施例中信号均衡过程中数据包码形及相应时域信号幅度图例，在模拟仿真时我们也做了如下几个假设：1.预放大装置工作在线性区间，增益始终保持25db恒定不变；2.光逻辑非门not高度线性并且信号反转损耗可忽略不计；3.输出装置采用环形器，且其插入损耗忽略不计；4.可变衰减器voa的衰减为15db；5.强信号和弱信号的消光比均为10db。图例中标注出了7个关键位置以及对应的信号幅度，我们以弱信号为例来进一步地了解功率均衡过程中数据包码形及其时域信号幅度变化。突发功率为突发信号的平均功率，比特功率为数据“1”和“0”的瞬时功率。表2总结了这7个节点所对应的突发功率以及比特功率。表2①号关键位置为输入信号在预放大装置之前的数据包码形及弱信号时域幅度图，其中，由于onu#1的上行信号在抵达olt前的功率总损耗为7db，其上行信号-强信号在半导体光放大器soa之前的突发功率为-7db，而onu#2的上行信号在抵达olt前的功率总损耗为26db，其上行信号-弱信号在半导体光放大器soa之前的突发功率为-26db，强信号和弱信号突发功率相差19db。其中，弱信号的数据“1”的比特功率为-23db，数据“0”的比特功率为-33db，消光比为10db。②号关键位置为第二路信号在进入光非门之前的弱信号时域幅度图，通过预放大装置的25db线性放大以及分路损耗3db，弱信号数据“1”的比特功率为-1db，数据“0”的比特功率为-11db。③号关键位置为第二路信号在进入与光非门之后的时域幅度图，由于光非门not高度线性并且信号反转损耗可忽略不计，弱信号数据“1”的比特功率为-1db，数据“0”的比特功率为-11db。④号关键位置为第一路信号在进入半导体光放大器soa之前的时域信号幅度图，其弱信号数据“1”的比特功率为-1db，数据“0”的比特功率为-11db。⑤号关键位置为半导体光放大器soa放大均衡后输出的原信号时域信号幅度图，弱信号取得了19db的放大增益，强信号获得2.3db的放大增益。对应地，弱信号数据“1”的比特功率为18db，数据“0”的比特功率为-8db。⑥号关键位置为半导体光放大器soa放大均衡后输出的反信号时域信号幅度图，相应地，弱信号数据“1”的比特功率为18db，数据“0”的比特功率为-8db，该信号经过环形后被截断。⑦号关键位置为功率均衡器输出的数据包码形和弱信号时域信号幅度图，其中，强信号--onu#1的上行信号在通过功率均衡之后的对应输出突发功率为2.3db，弱信号--onu#2的上行信号在通过功率均衡之后的对应输出突发功率0db，强信号和弱信号突发功率相差2.3db，对比功率均衡之前，强信号功率扩展了9.3db，弱信号功率扩展了26db。同时，结合弱信号时域信号幅度图，弱信号数据“1”的比特功率为3db，数据“0”的比特功率为-7db，消光比维持在10db不变，使得信号眼睛张开。综上所述，我们提出了一个基于优化的soa的全光功率均衡方案实现了10gb/s信号的光功率均衡，该方案可用于40gb/stwdmpon中，均衡器可设置在局端olt。仿真结果表明，功率动态范围的压缩高达16.7db，然而信号质量和消光比保持不变。该功率均衡器对于强信号和弱信号分别增加了9.3db和26db的功率预算。同时，该功率均衡器还具有增加功率预算的优势，通过比较均衡前和均衡后的光信号功率得知，强信号和弱信号分别得到了9.3db和26db的放大。这允许实现更长的传输距离以及更高的分光比网络拓扑。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。当前第1页12