CN101188460A - 无源光网和城域网的全光网络互联系统 - Google Patents
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Abstract
一种涉及光纤通信技术领域的无源光网和城域网的全光网络互联系统，包括：一个中心局、一条下行传输链路、一条上行传输链路、1×N光耦合器及对应的N个光网络单元，所述中心局包含一个光分插复用器和一个光线路终端，中心局通过光分插复用器与城域网相连，中心局通过光线路终端接入无源光网，光线路终端经过一根光纤与1×N光耦合器相连，1×N光耦合器的输出端分别连接N个光网络单元，形成下行传输链路，N个光网络单元经过另一个同样的1×N光耦合器和另一根同长度的光纤相连，形成上行传输链路，将上行数据传送给光线路终端。本发明不需要电光或光电转换，光网络单元不需光源，大大节省了无源光网的成本，可连接更多的光网络单元。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的系统，具体涉及一种无源光网和城域网的全光网络互联系统。
背景技术
现有光网络按照传输距离可分为三种：骨干网、城域网和接入网。接入网直接为用户提供服务。大量的信息要在城域网和接入网之间交换，因此，实现全光的无瓶颈的城域网与接入网的互联已成为必要。利用现有的低成本光器件，无源光网(PON)因其结构简单成本低廉，已经成为用户实现宽带接入网的诱人方案。传统上，它采用树形拓扑结构，位于中心局的光线路终端(OLT)通过一根长光纤向远程节点(RN)传递服务，在RN光功率被分路并进一步传输至许多光网络单元(ONU)。每个光网络单元可以为多个用户提供服务。中心局的另一部分直接与城域网互联，实现上行数据和下行数据在城域网与无源光网中传递，承担联接无源光网与城域网的重要任务。
经对现有技术的文献检索发现，Katsumi Iwatsuki等人发表在学术出版物《Journal of Lightwave Technology》(《IEEE光波技术期刊》)2004年第22卷中的文章“Access and Metro Networks Based on WDM Technologies(基于波分复用技术的接入网与城域网)”中公开了两种城域网与无源光网的互联技术。第一种方案，在中心局设置两个波带的光源(L波带和C波带)，从城域网下路的下行数据，先转换成电信号，然后被调制在L波带上，并与C波带的光一起经过一根光纤传送到光网络单元；在光网络单元，L波带与C波带被分开，L波带携带的下行数据被接收，上行数据被调制到C波带上，经过另一根光纤传送到光线路终端。第二种方案，在每一个光网络单元设置一个超辐射发光二极管，用来承载上行数据，经一根光纤传送到光线路终端；中心局的互联接口，将从城域网下路的下行数据转换成电信号，并在光线路终端将其调制在粗波分复用激光器上，经一根光纤传送到光网络单元。这两种方案都有效地实现了波分复用系统中无源光网与城域网的互联。但存在以下缺点：中心局的互联接口模块要完成光电和电光转换，限制了系统的处理速度；第一种方案中下行的C波带没有调制信号，作为上行数据的载波被传到光网络单元，造成了波带资源的浪费；第二种方案中每一个光网络单元配置一个超辐射发光二极管，增加了成本，且不利于光线路终端对光网络单元的管理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种全光的低成本的无源光网和城域网的全光网络互联系统。本发明在中心局将从城域网下路的非归零幅度调制(NRZ)码型转换成频移键控(FSK)码型，作为下行数据传送到光网络单元，一部分FSK被接收，另一部分作为上行数据的光载波，再调制上行数据。中心局不需要进行光电和电光转换，可实现全光互联；光网络单元不需要光源，大大降低了系统成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：一个中心局、一条下行传输链路、一条上行传输链路、1×N光耦合器及对应的N个光网络单元。中心局包含一个光分插复用器和一个光线路终端，中心局通过光分插复用器与城域网相连，中心局通过光线路终端接入无源光网，光线路终端经过一根光纤与1×N光耦合器相连，1×N光耦合器的输出端分别连接N个光网络单元，形成下行传输链路。N个光网络单元经过另一个同样的1×N光耦合器和另一根同长度的光纤相连，形成上行传输链路，将上行数据传送给光线路终端。
所述的N，为接入无源光网的光网络单元(ONU)的个数，实际中可为16，32，64或更多。有N个光网络单元，系统就需要一个1×N光耦合器，将下行信号分成N路。
所述中心局中，光分插复用器属于波分复用城域网的一个节点，负责选择性地下路某个波长或插上某个波长的光信号。光线路终端属于无源光网的一部分，负责给各光网络单元发送下行数据，并接收从各光网络单元上传的数据。因此，中心局是联接波分复用城域网和无源光网的重要部分。
所述的光线路终端，包括一个非归零幅度调制码(NRZ)到频移键控码(FSK)的全光码型转换器以及一个全光波长转换器。NRZ到FSK的全光码型转换器，其输入端与光分插复用器的下路端口相连，输出端与下行链路光纤相连，用全光的办法将在城域网中传输的NRZ信号转换成FSK信号，传送给光网络单元。全光波长转换器输入端口与上行链路光纤相连，输出端口与光分插复用器的上路端口相连，用全光的办法将光网络单元上传的数据转换成所需要的波长，通过光分插复用器上传到城域网中。
所述的NRZ到FSK的全光码型转换器，包括一个激光器、一个增益可调光放大器、一个2×1光耦合器和一个半导体光放大器。波长为λ0的NRZ接入增益可调光放大器，被放大到所需要的功率，与激光器的输出在2×1光耦合器合路，光耦合器的输出接入半导体光放大器，半导体光放大器输出的即为转换后的FSK信号。激光器发出的连续光，波长与NRZ波长不同，为λ1，功率较小。基于半导体光放大器的交叉增益调制原理，当输入的NRZ信号为1时，半导体光放大器输出的波长为λ0；当输入的NRZ信号为0时，半导体光放大器输出的波长为λ1。半导体光放大器的输出信号幅度基本保持不变，包含λ0和λ1两个波长，即为输出的FSK信号。
所述的N个光网络单元，其中每个光网络单元包括一个群速度补偿模块(GDC)、一个频移键控码(FSK)接收机和一个幅度键控调制器。群速度补偿模块的输入端与下行链路的1×N光耦合器对应端口相连，其输出端分成两路，一路接入FSK接收机，解调出下行数据，另一路接入幅度键控调制器，以调制上行数据。幅度键控调制器的输出端接入上行链路的1×N光耦合器的对应端口，经上行链路光纤传送到光线路终端。
所述的群速度补偿模块，包括一个环行器、一个可调光纤延迟线、一个光纤布拉格光栅。下行的FSK信号从1×N光耦合器输出后，接入环行器的第一个端口，环行器的第二个端口与光纤布拉格光栅相连，环行器的第三个端口与可调光纤延迟线相连。光纤布拉格光栅的另一端口以及可调光纤延迟线的另一端口，分别作为该群速度补偿模块的透射输出端和反射输出端。光纤布拉格光栅的中心波长为λ1，使λ0和λ1波长的信号分别从透射端和反射端输出。可调光纤延迟线用来补偿两个波长的光信号的群速度色散，使其同步。
本发明的工作原理如下：城域网中传输的非归零幅度调制码(NRZ)经中心局的光分插复用器，下路到光线路终端，基于半导体光放大器的交叉幅度调制原理，在光线路终端被转换成频移键控(FSK)码，然后经下行链路光纤和1×N光耦合器传送到相应的光网络单元。在光网络单元，下行的FSK信号首先经过群速度补偿模块，使FSK的两个波长的信号分别从透射端和反射端同步输出。两波长输出信号的一部分进入FSK接收机解调出下行数据；另一部分重新合路，成为经过群速度补偿的FSK，由于FSK幅度恒定，可以作为再调制的光载波，因此，将补偿后的FSK接入幅度键控调制器，调制上行数据。上行数据为非归零幅度调制格式。上行数据经上行链路的1×N光耦合器和光纤，传送到光线路终端，经波长转换器转换成所需要的波长λ2，然后在光分插复用器的上路端口，进入城域网。
本发明与现有技术相比具有以下优点：中心局的光分插复用器，码型转换器，波长转换器，均为全光器件，不需要电光或光电转换，能够不受限制的互联城域网和无源光接入网；采用对频移键控码再调制的方法，传送上行数据，光网络单元不需要配置光源，大大节省了无源光网的成本，若有N个光网络单元即可节省N个光源；频移键控码具有很好的抗非线性性能，下行链路可支持较高的入纤功率(最高20.5dBm)，与非归零幅度调制码型(最高19dBm)相比，可连接1.4倍数量的光网络单元；频移键控码型可以使用平衡接收机接收，提高3dB的接收灵敏度。
附图说明
图1为本发明的网络结构图；
图2为本发明中非归零幅度调制码到频移键控码的转换器结构图和原理图；
图3为本发明中群速度补偿模块结构图；
图4为本发明实施例示意图；
图5为本发明实施例结果图一；
图6为本发明实施例结果图二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：一个中心局，一条下行传输链路，一条上行传输链路，1×N光耦合器以及N个光网络单元。中心局包含一个光分插复用器和一个光线路终端；中心局通过一个光分插复用器与城域网相连，通过一个光线路终端接入无源光网；光线路终端与各光网络单元由上行和下行传输链路连接；上行和下行传输链路均由一条光纤和一个1×N光耦合器组成。
所述的光线路终端，其内部由一个非归零幅度调制码(NRZ)到频移键控码(FSK)的全光码型转换器以及一个全光波长转换器组成。NRZ到FSK的全光码型转换器，其输入端与光分插复用器的下路端口相连，输出端与下行链路光纤相连，经1×N光耦合器，将下行数据传送给光网络单元。全光波长转换器输入端口与上行链路光纤相连，输出端口与光分插复用器的上路端口相连，将光网络单元上传的数据转换成所需要的波长，通过光分插复用器上传到城域网中。
所述的N个光网络单元，每个光网络单元包含一个群速度补偿模块(GDC)，一个FSK接收机，和一个幅度键控调制器。群速度补偿模块的输入端与下行链路的1×N光耦合器对应端口相连，群速度补偿模块的输出端分成两路，一路接入FSK接收机，解调出下行数据；另一路接入幅度键控调制器，以调制上行数据。幅度键控调制器的输出端接入上行链路的1×N光耦合器的对应端口，经上行链路光纤传送到光线路终端。
城域网中传输的非归零幅度调制码(NRZ)经中心局的光分插复用器，下路到光线路终端，在光线路终端被全光码型转换器转换成频移键控(FSK)码，然后经下行链路光纤和1×N光耦合器传送到相应的光网络单元。在光网络单元，下行的FSK信号首先经过群速度补偿模块，其输出信号分成两部分，一部分进入FSK接收机解调出下行数据；另一部分接入幅度键控调制器，调制上行数据。上行数据为非归零幅度调制格式。上行数据经上行链路的1×N光耦合器和光纤，传送到光线路终端，经波长转换器转换成所需要的波长λ2，然后在光分插复用器的上路端口，进入城域网。
如图2(a)所示，本发明的非归零幅度调制码(NRZ)到频移键控码(FSK)的全光码型转换器包含一个激光器，一个增益可调光放大器，一个2×1光耦合器，和一个半导体光放大器。波长为λ0的NRZ接入增益可调光放大器，被放大到所需要的功率，增益可调光放大器的输出端与激光器的输出端分别接到2×1光耦合器的两个输入端，光耦合器的输出接入半导体光放大器，半导体光放大器输出的即为转换后的FSK信号。图2(b)给出了全光码型转换的原理。激光器发出的连续光，波长与NRZ波长不同，为λ1，功率较小，介于NRZ信号0和1的功率之间。基于半导体光放大器的交叉增益调制原理，当输入的NRZ信号为1时，半导体光放大器输出的波长为λ0；当输入的NRZ信号为0时，半导体光放大器输出的波长为λ1。半导体光放大器的输出信号幅度基本保持不变，包含λ0和λ1两个波长，即为输出的FSK信号。
所述的增益可调光放大器，可由一个普通光放大器与一个可调光衰减器级联代替。
所述的半导体光放大器，其工作波长在1530-1570nm，因此，λ0和λ1需限定在1530-1570nm，为了降低FSK的色散损伤，两波长间隔不要超过0.5nm。例如，在下面所述的实施例中，λ0和λ1分别取1550.27nm和1549.94nm
如图3所示，群速度补偿模块包括一个环行器，一个可调光纤延迟线，一个光纤布拉格光栅。下行的FSK信号，从1×N光耦合器输出后，接入环行器的第一个端口，环行器的第二个端口与光纤布拉格光栅相连，环行器的第三个端口与可调光纤延迟线相连。光纤布拉格光栅的另一端口，以及可调光纤延迟线的另一端口，分别作为该群速度补偿模块的透射输出端和反射输出端。光纤布拉格光栅的中心波长为λ1，使λ0和λ1波长的信号分别从透射端和反射端输出。可调光纤延迟线，通过调节延迟线的长度来补偿两个波长的光信号的群速度色散，使其同步。
如图4所示，本发明的具体实施图例，演示了下行的非归零幅度调制(NRZ)信号被转换成频移键控码(FSK)传送到光网络单元，以及在光网络单元FSK被再调制携带上行数据传送回光线路终端的过程。下行数据经过一个马赫曾德调制器(MZM1)调制激光器1发射的波长为1550.27nm的光信号，数据速率为10Gb/s，产生下行的非归零幅度调制(NRZ)信号。然后依次连接掺铒光纤放大器(EDFA1)和光带通滤波器(BPF1)，与激光器2发射的波长为1549.94nm的连续光经2×1光耦合器合路，光耦合器的输出端接入半导体光放大器，NRZ信号被转换成FSK，半导体光放大器输出的FSK信号经过一根12.5公里的单模光纤传送到光网络单元。单模光纤接入环行器的第一个端口，环行器的第二个端口连接光纤布拉格光栅，环行器的第三个端口连接可调光纤延迟线，此时光纤布拉格光栅和可调光纤延迟线输出的分别为同步的1550.27nm和1549.94nm的透射光和反射光。光纤布拉格光栅和可调光纤延迟线的输出端分别接一个分路器，将光分成两部分，一部分光接入平衡接收机的两个输入端，解调出下行数据；另一部分光经2×1光耦合器重新合路，入射另一个马赫曾德调制器(MZM2)，调制上行数据，数据速率为1.25Gb/s，数据格式为非归零幅度调制。MZM2的输出端依次连接另一掺铒光纤放大器(EDFA2)，另一光带通滤波器(BPF2)，另一根12.5公里单模光纤，进入光电检测器，检测出上行数据。
如图5所示，为本发明实施例结果图。图5(a)为下行的非归零幅度调制(NRZ)信号的光谱；图5(b)为转换后的频移键控码(FSK)的光谱，可以看到FSK包含的两个波长功率相同；图5(c)为在群速度补偿模块透射输出端口测得的光谱；图5(d)为在群速度补偿模块反射输出端口测得的光谱。
如图6所示，为本发明实施例结果图2。图6(a)为下行的非归零幅度调制(NRZ)信号的眼图，消光比约为10dB；图6(b)为转换后的频移键控码(FSK)的眼图，幅度基本保持恒定；图6(c)为在群速度补偿模块透射输出端口测得的眼图，消光比约为6dB；图6(d)为在群速度补偿模块反射输出端口测得的眼图，消光比约为6dB；图6(e)为平衡接收机检测的背对背的FSK信号的眼图；图6(f)为平衡接收机检测的经过12.5公里传输的FSK信号的眼图，与图6(e)相比增加了噪声；图6(g)为光电检测器检测的背对背的上行数据的眼图；图6(h)为光电检测器检测的经过12.5公里传输的上行数据的眼图。
Claims (8)
1.一种无源光网和城域网的全光网络互联系统，包括：一个中心局、一条下行传输链路、一条上行传输链路、1×N光耦合器及对应的N个光网络单元，其特征在于，所述中心局包含一个光分插复用器和一个光线路终端，中心局通过光分插复用器与城域网相连，中心局通过光线路终端接入无源光网，光线路终端经过一根光纤与1×N光耦合器相连，1×N光耦合器的输出端分别连接N个光网络单元，形成下行传输链路，N个光网络单元经过另一个同样的1×N光耦合器和另一根同长度的光纤相连，形成上行传输链路，将上行数据传送给光线路终端；
所述的N，为接入无源光网的光网络单元的个数，为16，32，64或更多；有N个光网络单元，系统就需要一个1×N光耦合器，将下行信号分成N路。
2.根据权利要求1所述的无源光网和城域网的全光网络互联系统，其特征是，所述的光线路终端，包括一个非归零幅度调制码到频移键控码的全光码型转换器以及一个全光波长转换器，非归零幅度调制码到频移键控码的全光码型转换器输入端与光分插复用器的下路端口相连，输出端与下行链路光纤相连，经1×N光耦合器，将下行数据传送给相应的光网络单元，全光波长转换器输入端口与上行链路光纤相连，输出端口与光分插复用器的上路端口相连，将光网络单元上传的数据转换成所需要的波长，通过光分插复用器上传到城域网中。
3.根据权利要求2所述的无源光网和城域网的全光网络互联系统，其特征是，所述的非归零幅度调制码到频移键控码的全光码型转换器，包括一个激光器、一个增益可调光放大器、一个2×1光耦合器和一个半导体光放大器，待转换的非归零幅度调制码信号接入增益可调光放大器，被放大到所需的功率，增益可调光放大器的输出端与激光器的输出端分别接到2×1光耦合器的两个输入端，2×1光耦合器的输出端接入半导体光放大器，半导体光放大器输出的即为转换后的频移键控码信号。
4.根据权利要求3所述的无源光网和城域网的全光网络互联系统，其特征是，所述的激光器，其波长与下行的非归零幅度调制码信号的波长不同，激光器的输出功率介于下行的非归零幅度调制码信号的0和1功率之间。
5.根据权利要求3所述的无源光网和城域网的全光网络互联系统，其特征是，所述的增益可调光放大器，或由一个普通光放大器与一个可调光衰减器级联代替。
6.根据权利要求1所述的无源光网和城域网的全光网络互联系统，其特征是，所述的N个光网络单元，其中每个光网络单元包含一个群速度补偿模块、一个频移键控码接收机和一个幅度键控调制器，群速度补偿模块的输入端与下行链路的1×N光耦合器对应端口相连，群速度补偿模块的输出端分成两路，一路接入频移键控码接收机，解调出下行数据，另一路接入幅度键控调制器，以调制上行数据，幅度键控调制器的输出端接入上行链路的1×N光耦合器的对应端口，经上行链路光纤传送到光线路终端。
7.根据权利要求6所述的无源光网和城域网的全光网络互联系统，其特征是，所述的群速度补偿模块，包括一个环行器、一个可调光纤延迟线、一个光纤布拉格光栅，下行的频移键控码信号，从1×N光耦合器输出后，接入环行器的第一个端口，环行器的第二个端口与光纤布拉格光栅相连，环行器的第三个端口与可调光纤延迟线相连，光纤布拉格光栅的另一端口以及可调光纤延迟线的另一端口，分别作为该群速度补偿模块的透射输出端和反射输出端。
8.根据权利要求7所述的无源光网和城域网的全光网络互联系统，其特征是，所述的光纤布拉格光栅，其中心波长与非归零幅度调制码到频移键控码的全光码型转换器中的激光器的波长相同，以反射该波长的信号。
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