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1、消除中瑞利散射的研究（本期优秀论文）张小寒，刘逢清（南京邮电大学 光电工程学院，南京 210046）WDM-PON摘要：在无色化波分复用无源光网络（WDM-PONs）中，基于反射半导体光放大器（RSOA）的单光纤 WDM-PON倍受青睐，但沿光纤传输时由于瑞利散射的影响，性能有较大下降，因此主要讨论和研究在 WDM-PON 中 如何消除瑞利散射的影响。首先介绍了无色化的 WDM-PON，描述了瑞利散射的产生机理，然后总结当前 国内外研究者消除瑞利散射的方法，并具体阐述其中的 3 个方案。最后用 optisystem 对新型 WDM-PON 结构中瑞利散射的消除方案进行仿真。关键词：WDM-PO
2、N；无色 ONU；瑞利散射中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2012）10-0016-04The study on eliminating the Rayleigh scattering in WDM-PONZHANG Xiao-han, LIU Feng-qing(College of Optoelectronic Engineering, Nanjing University ofPosts and Telecommunications, Nanjing 210046,China)Abstract:single-fiber WDM-PONs bas
3、ed on reflective semiconductor optical amplifier(RSOA)has becomewidely accepted In the schemes of colorless WDM-PONs,but its performance have larger decline because of the Rayleigh scatting efficiency when along the optical fiber teansmission.The paper discusses how to elimi- nate the effects of Ray
4、leigh scattering in WDM-PON.First,the colorless WDM-PON is introduced,and a de- scription of the mechanism of the Rayleigh scattering is given.The paper then makes a review of methods of e- liminating Rayleigh scattering effect,and describes three schemes of them in details.Finally,software Optisys-
5、 tem is used to demonstrate how to emulate the Rayleigh scattering effect in a new ring structure of WDM-PON.Key words: WDM-PON; colorless ONUs; Rayleigh scattering0 引言在无色化的 WDM-PONs 中，来自中心局（CO）的 集中光源可以再次用于波长无关的无色光网络单元（ONU） 端， 减少系统的监测和维护成本 ， 这是 一个理 想的解决无色的方案， 并使得 PON 系统更符合低成 本、 高效益1。 因此未来 ONU 应具有重用下
6、行（ 副 载 波）信号调制上行信号的能力,这样在 CO 端只用一个 发射激光光源就足以提供光载波来传输上下行信号。 而上行信号和下行信号在单根光纤双向传输时，全双 工方式是必不可少的， 这样可以进一步减少 WDM- PON 的系统成本、复杂性和外部设备。 然而，在双向传 输中，使用相同的波长来传输相反方向的信号， 不可避免地受到瑞利散射（RB）和菲涅尔反射的影响，使得系统的传输性能受损2。 本文对瑞利散射的产生进行 了详细地描述，总结了最近研究消除瑞利散射的一些 方案，并介绍了 3 个具体方案，最后用 optisystem 对新 型环形结构 WDM-PON 系统中瑞利散射效应的消除 方案进行了
7、仿真。1 WDM-PON 中的瑞利散射本文主要研究的是无色化 WDM-PON。通常情况下，“无色”化 ONU 技术可以分为三大类：第一类是宽带光谱分割式的“无色”化 ONU；第二类是注入-锁定 式和“种子”波长式的“无色”化 ONU；第三类是波长重 用式 ONU3。 本文重点讨论的是第三类。 系统中所有的 ONU 共用的宽谱光源置于光线路终端（OLT） 处，通过收稿日期：2012-07-02。作者简介：张小寒（1988-），女，硕士生，主要研究方向为光纤通信及其 接入技术。波 导 光 栅 路 由 器 （WGR） 进 行 光 谱 分 割 ， 然 后 向 每 个ONU 提供波长互不相同的光信号，
8、而 ONU 直接对此2.1 基于副载波调制的传输方案文献6提出了一种简单的集中式 WDM-PON 系 统架构，能实现 115km 长距离、单纤双向传输，并消除 了 RB 噪音。如图 1 所示，在这长距离、 单纤双向传输 WDM- PON 系统结构中，下行为 10Gb/s 的差分正交相移键控（DPSK）信号，并且用这下行信号再调制 2.5Gb/s 的上 行 信 号 。 这 里 用 到 的 是 光 载 波 抑 制 载 波 调 制 技 术光信号进行调制，以产生上行信号。根据上行光信号的路径，该方案也叫基于反射的无色 ONU。在光纤传输系统中，由于光纤内在的折射率不均 匀特性，会在光纤表面产生连贯的瑞
9、利散射， 同时还会在各种光器件存在的节点上产生离散的反射。如果采用单纤传输，这些反射光将与另一个方向上传输的有用信号相遇、 叠加后进入接收机， 以反射噪声的形 式对系统性能造成影响。（OCS-SCM），简称副载波调制技术。经过副载波调制后， 原来光载波波长 i 携带的下行信号被抑制并在i-f0 和 i+f0 两个载波上同时携带了 2.5Gb/s 的上行信 号。 通过梳状滤波器（IL）将波长为 i-f0 的上行信号传 输到 CO 端。 梳状滤波器有单数通道（odd） 和偶数通 道(even)之分，下行信号经单数通道路由，上行信号经偶数通道路由，这样可以在 CO 端和 ONU 端有效地减 少上下行
10、信号的串扰。 该方案中上、下行信号使用不用的光载波来传输，所以有效地消除了瑞利散射噪声 和菲涅尔反射噪声。2 瑞利散射的产生及消除方案在基于反射 ONU 的结构中，OLT 采用集中光源 ，并且通过载 波信号 （CW） 作为 ONU 的种子光 源 。在ONU 端，载波信号直接调制上行信号，并将上行信号反射回 OLT 端。 在这个过程中，一些干扰信号可能会 影响上行传输，比如：由于光纤的不均匀性（即瑞利散 射效应）及无源器件可能产生一些小反射（ 如多路复 用器、分配器等的反射），而其中两个主要的干扰信号 是由瑞利散射（RB）影响引起的。 在实际传输中，第一 个干扰信号来自 ONU 端的下行载波分路
11、上的散射和 上行信号的背向散射；第二个干扰信号是当上行信号注入 ONU 端后，直接放大再调制并将上行信号反射到 OTL 端时产生的4。为了尽量减少其影响，有一些技术，如扩大光谱， 减少它们重叠的波长抖动， 相位抖动 、 波长偏移失谐 和频谱切片，或用 PSK 和 FSK 调制、交叉再调制技术 及副载波调制（SCM）等。 但是基于频率抖动的方法，信 号传输速率是有限的； 而使用相位调制， 需要复杂的 发射器。还有一些其它的方案， 如在 ONU 端放置复用器 和链接器时，首选中等增益的量化分布网络使光纤和 器件的损耗调整到最佳增益值，从而最大限度地减少 受 RB 的影响4；噪声预测均衡器能有效地减
12、轻有色的 瑞利散射噪声，提高系统的传输性能2。 在电气方面， 可以通过预编码来减少噪声5。然而，这些方案不能完全消除载波瑞利散射（CB） 和信号瑞利散射（SB）， 只有上行加上额外的光载波， 或下行信号和上行信号使用单独的光纤链路，才能完 全消除。 在 ONU 端加光载波就相当于在 ONU 端重新图 1 长距离单纤双向传输的 WDM-PON 系统结构2.2 基于交叉再调制的传输方案文献7提出交叉再调制的方案，并提高了光源的第一种类型曾在文献8就已经被提出，如图 2（a）所示。 A 和 B 两个波段的直接调制下行信号通过分路 器一分为二：一部分直接传输到 ONU 端的接收器；另 一部分作为二次调
13、制光源，这一部分的 A 波段下行信 号被注入到 RSOA 的再调制 B 波段 ONU 端的上行信号， 同样，这一部分的 B 波段的下行信号被注入到RSOA 的再调制 A 波段 ONU 端的上行信号。 同光纤的上、下行信号在这样的不同波段上传输， 有效地减少 了瑞利散射的干扰。第二种类型为共享式的， 如图 2（b）所示，路由途 径是相似的。 在图 2（b）中不需要从 A 波段的下行信号 中分出一部 分 光图 3 基于远程节点（RN）的环形结构基于 ONU 端的环形结构如图 4 所示。 WDM 的下 行 信 号 通 过 光 循 环 器 ， 按 逆 时 针 方 向 传 送 到 每 个 ONU。 在这
14、里，每个 ONU 由两个光循环器、一个光接 收器（Rx）和一个 FBG 组成。 通过 FBG 来反射符合条 件的下行信号， 不满足条件的下行信号继续通过光 栅。 被反射的下行信号通过光分路器一分为二，其中 一 部 分 用 作 下 行接 收 ， 另 一 部 分 用 于 再 调 制 上 行 信 号 ， 调 制 后 的 上 行 信 号 沿 逆 时 针 方 向 传 输 到 接 收 端 。 因 此 ， 在 图 3 和 图4 这种新型环形网络 架 构 中 ， 下 行 和 上 行 信 号 可 以 在 两 个 不 同 的 方 向 上 传 播 ， 从 而 消 除源，这样避 免 了3dB 的分裂损耗，有利于下行
15、信 号 的 长 距 离 传 输 。 这 种 WDM -PON 系统， 可 以 利 用 IL -FP 激 光 器 或 任何 一 种 发 射 机 发出 B 波段的光 载 波 来 再 调 制 无(a)相互式光载波交叉结构色 的上 行ONU信号。 A/B 两个波段 实 际 是 两 个 WDM -PON 之 间 的 交 叉 再 调 制 ， 这样 可 以 满 足 更 多的用户。(b)共享式光载波交叉结构图 2两种不同的光载波交叉结构2.3 新型的环形网状架构的方案欧洲、美国和日本已经在对环形网络结构进行研 究，由于波长分配的灵活性和良好的安全性， 环形网 络结构被作为下一代接入网最有发展潜力的构架之 一。
16、 目前提出的新型环形网络架构方案有两种：基于 远程节点（RN）9 的环形结构和基于 ONU 端10 的环形 结构。基于远程节点的环形结构如图 3 所示。 从 CO 端 发出的光载波携带的下行信号沿逆时针方向传输，通 过 RN 时，波长会被布喇格光栅（FBG） 有选择性地路图 4 基于 ONU 端的环形结构了瑞利散射噪声。3 基于 optisystem 的环形 WDM-PON 仿真针对图 4 所示的环形 WDM-PON 结构，我们对其进行了 optisystem 仿真分析。 图 5 是基于 ONU 端的环形 WDM-PON 仿真原理图。在该系统仿真中，使用连续波激光器（CW），发射 波长为 19
17、3.1THz，线宽为 10MHz，上、下行单模光纤长由 ，并 以 TDM-tree 的 形 式 路 由 到 每 个 对 应 的 ONU度 均 为 20km， 参 考 波 长 为 1550nm，光 纤 损 耗 均 为端。 传输过程中，每个 ONU 的光载波和下行信号都被分开了，光载波将再调制上行信号，逆时针传输到 CO端的接收器。0.2dB/km， 色 散 系 数 为 16.75ps/nm/km，色 散 斜 率 为0.075ps/nm2/km， 有效区 域 为 80m2，非 线 性 系 数 为2.6E-20m2/W， 上 下 行 信 号 采 用 码 长 为 （27 -1） 的 NRZ4 结束语W
18、DM-PON 因其独有的带宽优势，是下一代接入网可选的主流技术之一。 为了减少客户成本，通常采用无色化 WDM-PON，它使用相同的波长来传输相反方向的信号，不可避免地受到 RB 的影响。本文针对WDM-PON 中 RB 的产生和消除进行了研究，在总结已有经典消除 RB 方案的基础上，针对新型环形结构WDM-PON 系统中的 RB 效应的消除方案进行了仿真研究，仿真结果表明环形结构采用上下行信号在两个图 5 是基于 ONU 端的环形 WDM-PON 仿真原理图伪随机比特序列（PRBS），上行速率为 10Gb/s，下行速 率 分 别 为 2.5Gb/s 和 1.25Gb/s；FBG 的 中 心
19、波 长 是193.1THz；RSOA 偏置电流为 35mA。通过调节接收端的光衰减器，分别在不同接收光不同方向传播，能。消除了 RB 噪声，并且达到较好的性参考文献：1 LOPEZ E T,LAZARO J A.Optimization of Rayleigh-Limited WDM-PONs With Reflective ONU by MUX Positioning and Optimal ONU Gain J.IEEE Photonics Technology Letters,2010,22(2):97-99.2 GUO Q,TRAN A V.Reduction of backscatt
20、ering noise in 2.5 and 10Gbit/s RSOA-based WDM-PON J.Electronics Letters, 2011,47(24):1333-1335.3 原荣. WDM-PON 接入技术及其最新进展J. 中国新通信，2010，(1):9-14.4 CRISTINA ARELLANO.Effect of the Multiplexer Position in Rayleigh-Limited WDM-PONs with Amplified-Reflective ONU J.IEEE Transparent Optical Networks,2007:84
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22、ted 2.5Gb/s OOK upstream using optical carrier-sup- pressed sub-carrier modulationC.IEEE Lasers and Electro-Optics Society,2008,20(24): 673-674.7 LIN Shu-chuan, LEE San-liang.Cross-Seeding Schemes for WDM basedNext-Generation Optical Access NetworksJ.IEEE Lightwave Technology,2011,29(24):3727-3736.8
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24、etters,2011,23(16):1121-1123.10 CHOW C W,YEH C H.Signal Remodulation Ring WDM Passive Opti-cal Network with Rayleigh Backscattering Interferometric Noise MitigationJ.IEEE Communications letters,2011,15(10):1114-1116.功率下系统的上行传输的误码率性能如图 6 所示。在仿真过程中，我们分别对 0dBm、2dBm 和 6dBm 的发射光功率进行了误码率测试，其中设置为 2dBm 和 6d
25、Bm时系统中未加掺铒光纤放大器时，分路器前增加了 EDFA。而在 0dBm（EDFA），图 6 上行传输信号从图 6 可以看出， 当没有加 EDFA 时， 传输速率 为 1.25Gb/s 和 2.5Gb/s 的 上 行 信 号 的 误 码 率 相 差 不 大；增加 EDFA 后，1.25Gb/s 的上行信号误码率明显变小了。而系统传输过程中的误码率几乎没有随着接收光功率的改变而发生改变。在 optisystem 仿 真 平 台 中 没 有 原 理 图 中 理 想 的 FBG，理想的 FBG 可能会大大提高上行信号的传输性 能。 仿真时用两个普通的 FBG 和一个 WDM 复用器代 替理想的 FBG，这样可能影响了信号的传输。 WDM 复 用器的波带宽度为 100GHz。