CN105306160A - 模式复用/解复用器及其制备方法、一种pon*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模式复用/解复用器及其制备方法、一种PON***。本***OLT端包括一模式复用器，其中，第i级模式复用/解复用器的端口1与第i+1级模式复用/解复用器的端口3连接，将第1级的端口1以及每一级的端口2作为输入端，将最后一级端口3作为输出端；ONU端包括一模式解复用器；其中，第i级模式复用/解复用器端口3与第i+1级模式复用/解复用器端口1连接，将最后一级端口1以及每一级端口2作为输出端，将第一级端口3作为输入端；发射机与模式复用器的一输入端连接，接收机经光开关与模式解复用器的一输出端连接。本***实现了时域-模式复用，极大提高通信***传输容量。

Description

模式复用/解复用器及其制备方法、一种PON***

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种低模式串扰的模式复用/解复用器及其制备方法、基于时模式复用的PON***。

背景技术

光纤通信技术作为现代通信的主要支柱之一，在现代网络中具有举足轻重的地位，其近年来发展速度很快，是未来信息社会中各种信息的主要传送工具。近年来，互联网技术的发展使高清电视、移动多媒体等新型业务不断涌现，信息传输带宽需求以***式速度在不断增长，为满足带宽需求，光纤开始大量铺设，并逐步实现了波分复用等新技术，使得主干光纤网络在几年之内已经有了突破性的发展。而目前大家关注，最需要突破的地方就在于连接网络主干和局域网以及家庭用户之间的一段，即“最后一公里”，这是个瓶颈。必须打破这个瓶颈，才可能迎来网络世界的新天地。人们迫切需要一种经济、简单、易升级、能够综合传输语音、数字和视频业务的新的接入网络技术。在各种技术中，无源光网络(PON)技术获得了广泛的关注。

PON网络的突出优点是消除了局端与用户端之间的有源设备，从而使得维护简单、可靠性高、成本低。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入***的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。

目前PON技术主要有采用异步转移模式(ATM)的无源光网络APON、以太网无源光网络(EPON)、千兆比特无源光网络(GPON)、波分复用无源光网络(WDM-PON)等几种，其主要差异在于采用了不同的传输技术。其中，前三种PON技术都是基于时分复用的，而WDM-PON是基于波分复用的。

与本发明相关的现有技术

i.无源光网络(PON)

一个典型的无源光网络PON(PassiveOpticalNetwork)的网络体系结构如图1，其主要组成部分包括光线路终端(OLT,OpticalLineTerminator),光网络单元(ONU,OpticalNetworkUnit)和光配线网(OpticalDistributionNetwork,ODN).由于光路特征为ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备，因此被称为无源光网络。

ii.基于时分复用(TDM)的PON技术(EPON和GPON)

基于TDM的PON主要分为APON/BPON(ATMPON/宽带PON)、EPON(以太网PON)和GPON(千兆比特PON)，但只有后两者目前有广泛的应用。其中，EPON非常适合IP业务的宽带接入，商用化程度最高。2004年，IEEE批准EPON标准为802.3ah，它支持上下行最高速率1.25Gb/s传输，最大分路比为64。EPON的优点主要有：(1)以太网技术成熟，设备成本低；(2)设备价格低，通用性好；(3)出去了IP数据传输的协议和格式转换，效率高，管理简单，可灵活支持基于PI的综合业务和多种服务质量管理。其缺点在于传送高质量保证的实时性业务比较复杂，服务质量问题和流量控制待加强。

GPON在高速率和多业务支持方面则有一定优势。2003年GPON被国际电联(ITU)采纳为标准G.984。GPON的优点主要有：(1)承载快速以太网和T1/E1电路不需要额外开销，也不会增加复杂性；(2)综合业务支持能力强，支持VLAN交换和其他新的以太网业务。其缺点是目前成本较EPON高，在仅承载以太网业务和语音业务时无明显优势。

iii.WDM-PON

WDM-PON是基于波分复用技术的，即在同一根光纤上同时采用多束不同波长的光，用不同波长的光分配给不同的业务或终端。从技术原理上来说，EPON和GPON都是功率分割型的，而WDM-PON则属于波分复用，使用光分路器识别局端(OLT)发出的各种波长，将信号分配给各路光节点(ONU)。WDM-PON优点在于可以实现较高的工作带宽，在网络管理和***升级方面具有一定的优势，但其缺点是成本很高，距离产业化和大规模应用还有很长的一段距离。

iv.模分复用技术

随着时分复用、波分复用、相干接收和多维调制等技术的应用，单模光纤的传输容量已达到香农极限，波分复用光传输的容量增长正在减速，因此，少模光纤中的模分复用技术被作为一种可以进一步提升光网络容量的方案而被广泛关注。模分复用技术是利用光纤中各模式间的正交性将每个模式作为独立的信道加载信号，在模式复用***中，模式作为一种新一维的资源被引入，有助于大幅提升光网络的通信容量。

然而对于现在的模式PON***，大多数利用相位片来实现模式的复用/解复用，但是该器件占有比较大的空间，使得与光纤的兼容性变差，同时由于空间的模式转换导致了大的***损耗。因此，为了改善使用空间相位片实现模式复用解复用的缺点，本发明提出一种全光纤结构的低模式串扰的模式复用/解复用器件，实现模式的转换和复用/解复用的功能，该器件可以实现一根光纤在一定的波长范围内一个模式到任意一个模式的转换。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种低模式串扰的模式复用/解复用器及其制备方法、一种PON***。本发明提出基于TMDM技术的PON***，这种方案的特点是利用本发明专门制备的低模式串扰的模式复用/解复用器件将时域复用和模式复用同时考虑，实现了ONU端模式的自由切换和选择，实现了***的无色性，在分配资源的时候，所用资源数随业务量需求的增加而增加，不会造成资源的浪费。

本发明的技术方案为：

一种模式复用/解复用器，其特征在于，包括少模光纤臂、单模光纤臂及少模光纤臂与单模光纤臂熔融部分；其中，当少模光纤臂一端口，称为端口1，输入LP₀₁模时，在少模光纤臂另一端口，称为端口3，输出LP₀₁模，当单模光纤臂的一端口，称为端口2，输入LP₀₁模时在端口3输出LP₁₁模；当端口1和端口2分别都输入LP₀₁模时，在端口3输出LP₀₁和LP₁₁；当该端口3共同输入LP₀₁模和LP₁₁模时，在端口2和端口1均输出LP₀₁模。

进一步的，在所述熔融部分少模光纤臂、单模光纤臂中传播的模式满足相位匹配条件β₁＝β₂；其中β₁是单模光纤中基模LP₀₁的传播常数和β₂是少模光纤中任意高阶模式的传播常数。

一种模式复用/解复用器的制备方法，其步骤为：

1)对单模光纤进行预拉锥，使该单模光纤中基模LP₀₁的传播常数β₁与选取的少模光纤中任意高阶模式的传播常数β₂相匹配；

2)将该预拉锥的单模光纤与选取的该少模光纤进行熔融拉锥，得到具有少模光纤臂、单模光纤臂及少模光纤臂与单模光纤臂熔融部分的模式复用/解复用器；其中，对于模式复用器，当少模光纤臂一端口，称为端口1，输入LP₀₁模时，在少模光纤臂另一端口，称为端口3，输出LP₀₁模，当单模光纤臂的一端口，称为端口2，输入LP₀₁模时在端口3输出LP₁₁模；当端口1和端口2分别都输入LP₀₁模时，在端口3输出LP₀₁和LP₁₁；对于解复用器，当该端口3共同输入LP₀₁模和LP₁₁模时，在端口2和端口1均输出LP₀₁模。

进一步的，在熔融拉锥结束后，通过测量模式复用/解复用器的输入功率、输出功率以及拉锥机操作界面显示的***损耗的数值，对制备完成模式复用/解复用器的模式转换效率、***损耗和模式串扰分别进行记录，使得分光比为50％以上，***损耗小于10dB。

进一步的，通过调整预拉锥光纤的尺寸、形状、熔融拉锥区长度控制模式的转换，使该单模光纤中基模LP₀₁的传播常数β₁与选取的少模光纤中任意高阶模式的传播常数β₂相匹配。

一种PON***，包括通过光配线网ODN连接的OLT端和若干ONU端，其特征在于，

所述OLT端包括由多个所述模式复用/解复用器级联构成的模式复用器，其中，第i级所述模式复用/解复用器的端口3与第i+1级所述模式复用/解复用器的端口1通过少模光纤连接，将第1级所述模式复用/解复用器的端口1以及每一级所述模式复用/解复用器的端口2作为模式复用器的输入端，将最后一级所述模式复用/解复用器的端口3作为模式复用器的输出端；

所述ONU端包括由多个所述模式复用/解复用器级联构成的模式解复用器；其中，第i级所述模式复用/解复用器的端口1与第i+1级所述模式复用/解复用器的端口3通过少模光纤连接，将最后一级所述模式复用/解复用器的端口1以及每一级所述模式复用/解复用器的端口2作为模式解复用器的输出端，将第一级所模式复用/解复用器的端口3作为模式解复用器的输入端；

所述OLT端的发射机分别与所述模式复用器的一输入端连接，所述模式复用器的输出端与所述光配线网ODN连接，所述ONU单元的接收机经光开关与所述模式解复用器的一输出端连接，所述模式解复用器的输入端与所述光配线网ODN连接。

进一步的，所述模式复用器的输出端通过少模光纤与所述光配线网ODN连接；所述模式解复用器的输入端通过少模光纤与所述光配线网ODN连接。

本发明的时模式复用技术中，对于同一波长，同一光纤信道可以同时传输多个模式，而同一模式可以实现不同业务的分时传输，随着使用波长数量增加，可用模式数也随之增加，可以极大的提高通信***的传输容量，从而实现时域-模式复用技术。

除了与WDMPON类似的传输容量增加、传输距离更长、大分光比、对业务、速率完全透明、更具扩展性等优点，TMDMPON还可以实现WDMPON所不能实现的***无色性，并实现ONU端模式的自由切换和选择。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明技术方案最大的优点是可以实现ONU端不同时刻任意模式信号的发射和接收。传输过程中，OLT可根据业务量的大小选择模式的使用数量，随着业务量的增加，模式使用数量也随之增加，不会造成资源的浪费。同时，该***可以实现一个波长不同模式的传输，因而实现了传输的无色性，因此不用考虑接收端是否具有可调谐功能。该方案中，我们自主制备了低串扰的少模复用/解复用器件和少模耦合器件，最终实验验证了该***的可行性。

附图说明

图1为传统PON网络体系结构图；

图2为基于光纤熔融拉锥型的模式转换器结构简图；

(a)单个低模式串扰的模式复用/解复用器结构原理图，

(b)级联多个低模式串扰的模式复用/解复用器构成的模式复用器结构图，

(c)级联多个低模式串扰的模式复用/解复用器构成的模式解复用器结构图，

图3为模式转换器制备流程图；

图4为TMDM-PON结构框图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

基于TMDM的PON***可以利用一个波长的不同模式实现业务的承载和传输，而同一模式上可以分时传输不同的业务。采用TMDM的传输***可以将MDMA(模分多址)和TDMA(时分多址)相结合，实现多用户TMDM***，采用以上多址技术的无源光网络被称为基于TMDM的无源光网络。

基于TMDM技术的PON***结构如图4所示。OLT处发射机发射光信号，通过单模光纤传输至模式复用器产生不同模式的信号，每个模式承载相应的业务并经复用后通过少模光纤传输，随后经功率分配器分束并传输至不同的ONU，混合模式信号通过模式解复用器件后根据相应ONU分配到的模式资源信息再通过光开关自主的进行模式选择。对于本发明提出的低模式串扰的模式复用/解复用器，该器件利用相位匹配条件来实现模式之间的转换，通过拉锥机对少模光纤和单模光纤进行熔融拉锥实现，基模信号通过复用器可以实现向高阶模式的转变，而高阶模式的信号通过解复用器则重新转换成基模信号，这种结构是利用相位匹配条件来实现模式之间的转换。

下面详细介绍具体基于光纤拉锥型低模式串扰的模式复用/解复用器件的设计思路。模式复用/解复用技术是模式转换机制在模分复用***中的重要应用。基于光纤熔融拉锥型的模式转换器，其对模式具有选择耦合和分离的作用。如图2(a)所示，该模式复用/解复用器分为少模光纤臂，单模光纤臂及熔融的作用部分。当少模光纤和单模光纤分别都输入LP₀₁模时(称为端口1和端口2)，在输出端的少模光纤臂(称为端口3)输出LP₀₁和LP₁₁，起到的是模式复用的功能，当少模光纤输入LP₀₁模时(端口1)，在输出端的少模光纤臂(称为端口3)输出LP₀₁；当少模光纤臂(端口3)共同输入LP₀₁模和LP₁₁模时，输出端的少模光纤臂(端口2)和单模光纤臂(端口1)输出的都是LP₀₁，达到的是模式解复用的功能。在理论模型的指导下，利用相位匹配条件β₁＝β₂，其中β₁是单模光纤中基模LP₀₁的传播常数和β₂是少模光纤中任意模式的传播常数，采用少模光纤和标准单模光纤进行熔融连接，经过一段的作用距离以后，不同的模式满足不同的相位匹配条件，表现出不同选择输出特性。两个不同的光纤有不同的模式传播常数，因此，为实现相位匹配条件，在此过程中对单模光纤进行预拉锥是非常重要的。通过对单模光纤进行预拉锥，使单模光纤中基模(LP₀₁)的传播常数β₁与选取的少模光纤中任意高阶模式的传播常数β₂相匹配。通过调控多种物理参数，如预拉锥光纤尺寸、光纤形状、熔融拉锥区长度等等，来控制模式的转换。其中预拉锥光纤尺寸和光纤形状必须满足相位匹配条件，熔融拉锥区长度是通过检测模式输出功率来调控。在理论模型的指导下，本发明控制其中某个参数，或多个参数，实现模式的相互转换。为实现多个模式的复用/解复用，我们对低模式串扰的模式复用/解复用器进行串行级联，如图2(b)和(c)所示用两个低模式串扰的模式复用/解复用器级联实现三个模式的复用/解复用。

基于以上理论模型和器件设计，本发明采用光纤拉锥机制备低模式串扰的模式复用/解复用器件。在制备过程中通过对单模光纤进行预拉锥，使单模光纤中基模(LP₀₁)的传播常数与少模光纤中高阶模式的传播常数相匹配，从而实现不同高阶模式的转换。并对熔融拉锥光纤低模式串扰的模式复用/解复用器的模式转换效率，***损耗和模式串扰等参数进行测量分析，即可以通过测量低模式串扰的模式复用/解复用器的输入端端口1、2和输出端口3测输入信号和输出信号的功率，来计算上述参数，也可以通过拉锥机用户界面上所显示的参数值得到上述参数，例如若使得分光比50％以上，***损耗在10dB以内，即可而实现高转换效率、低串扰、高稳定、低复杂度的低模式串扰的模式复用/解复用器件。基于光纤熔融拉锥型低模式串扰的模式复用/解复用器的制备流程如图3所示。

利用光纤结构的低模式串扰的模式复用/解复用器件，我们搭建了如图4所示的TMDM-PON实验***。

本发明技术基于前述制备的低模式串扰的模式复用/解复用器件提出一种可用于10Gb/s及更高速率的基于TMDM的PON结构方案，其基本实验框图如图4所示。激光器发射激光，通过OOK信号调制，不同发射机的信号分别经单模光纤或少模光纤传输至模式复用器，通过模式复用器得到不同模式如LP11、LP01等的信号，然后经少模光纤传输，再通过功率分配器进行功率分配，得到几路功率相等的信号并通过少模光纤传输至每个ONU的模式解复用器中，随后每个ONU通过光开关选择对应的模式信号，最后经PD接收。

对实验结果进行分析，每种模式和不同模式混合后的信号分别通过少模光纤传输前后的模场图变化不是特别明显，经少模光纤传输后，基模LP01的眼图和背靠背(BTB)的眼图类似，但是高阶模式的眼图有些恶化，对于误码率的结果，经少模光纤传输后，LP01的接收灵敏度是-29.2dBm，LP11的接收灵敏度是-27dBm，因此实验验证该TMDMPON***可行。

Claims (7)

1.一种模式复用/解复用器，其特征在于，包括少模光纤臂、单模光纤臂及少模光纤臂与单模光纤臂熔融部分；其中，当少模光纤臂一端口，称为端口1，输入LP₀₁模时，在少模光纤臂另一端口，称为端口3，输出LP₀₁模，当单模光纤臂的一端口，称为端口2，输入LP₀₁模时在端口3输出LP₁₁模；当端口1和端口2分别都输入LP₀₁模时，在端口3输出LP₀₁和LP₁₁；当该端口3共同输入LP₀₁模和LP₁₁模时，在端口2和端口1均输出LP₀₁模。

2.如权利要求1所述的模式复用/解复用器，其特征在于，在所述熔融部分少模光纤臂、单模光纤臂中传播的模式满足相位匹配条件β₁＝β₂；其中β₁是单模光纤中基模LP₀₁的传播常数和β₂是少模光纤中任意高阶模式的传播常数。

3.一种模式复用/解复用器的制备方法，其步骤为：

1)对单模光纤进行预拉锥，使该单模光纤中基模LP₀₁的传播常数β₁与选取的少模光纤中任意高阶模式的传播常数β₂相匹配；

2)将该预拉锥的单模光纤与选取的该少模光纤进行熔融拉锥，得到具有少模光纤臂、单模光纤臂及少模光纤臂与单模光纤臂熔融部分的模式复用/解复用器；其中，对于模式复用器，当少模光纤臂一端口，称为端口1，输入LP₀₁模时，在少模光纤臂另一端口，称为端口3，输出LP₀₁模，当单模光纤臂的一端口，称为端口2，输入LP₀₁模时在端口3输出LP₁₁模；当端口1和端口2分别都输入LP₀₁模时，在端口3输出LP₀₁和LP₁₁；对于解复用器，当该端口3共同输入LP₀₁模和LP₁₁模时，在端口2和端口1均输出LP₀₁模。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在熔融拉锥结束后，通过测量模式复用/解复用器的输入功率、输出功率以及拉锥机操作界面显示的***损耗的数值，对制备完成模式复用/解复用器的模式转换效率、***损耗和模式串扰分别进行记录，使得分光比为50％以上，***损耗小于10dB。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过调整预拉锥光纤的尺寸、形状、熔融拉锥区长度控制模式的转换，使该单模光纤中基模LP₀₁的传播常数β₁与选取的少模光纤中任意高阶模式的传播常数β₂相匹配。

6.一种基于权利要求1所述模式复用/解复用器的PON***，包括通过光配线网ODN连接的OLT端和若干ONU端，其特征在于，

所述OLT端包括由多个所述模式复用/解复用器级联构成的模式复用器，其中，第i级所述模式复用/解复用器的端口3与第i+1级所述模式复用/解复用器的端口1通过少模光纤连接，将第1级所述模式复用/解复用器的端口1以及每一级所述模式复用/解复用器的端口2作为模式复用器的输入端，将最后一级所述模式复用/解复用器的端口3作为模式复用器的输出端；

所述ONU端包括由多个所述模式复用/解复用器级联构成的模式解复用器；其中，第i级所述模式复用/解复用器的端口1与第i+1级所述模式复用/解复用器的端口3通过少模光纤连接，将最后一级所述模式复用/解复用器的端口1以及每一级所述模式复用/解复用器的端口2作为模式解复用器的输出端，将第一级所模式复用/解复用器的端口3作为模式解复用器的输入端；

所述OLT端的发射机分别与所述模式复用器的一输入端连接，所述模式复用器的输出端与所述光配线网ODN连接，所述ONU单元的接收机经光开关与所述模式解复用器的一输出端连接，所述模式解复用器的输入端与所述光配线网ODN连接。

7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述模式复用器的输出端通过少模光纤与所述光配线网ODN连接；所述模式解复用器的输入端通过少模光纤与所述光配线网ODN连接。