Para fornecer maior largura de banda na rede de acesso, operadoras de todo o mundo começaram a implementar o plano de substituição de cabos de cobre por cabos de fibra ótica e implantar redes óticas passivas representadas por EPON e GPON. Tecnicamente falando, tanto EPON quanto GPON trabalham no modo de multiplexação por divisão de tempo, que são chamados coletivamente de TDM-PON.
O mecanismo de TDM-PON alocando fatias de tempo para cada usuário em um único comprimento de onda não apenas limita a largura de banda disponível de cada usuário, mas também desperdiça muito a largura de banda disponível da própria fibra óptica. A introdução da tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda no sistema PON, ou seja, WDM-PON, aumentará muito a largura de banda de acesso dos usuários e atenderá às necessidades finais dos usuários. Portanto, o WDM-PON é considerado uma solução para a rede de acesso de próxima geração.
Fonte de luz do transmissor
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fonte de luz ONU
Várias tecnologias de fontes de luz da ONU no sistema WDM-PON pertencem à categoria de fontes de luz de comprimento de onda único. FP-LD e RSOA são as tecnologias de realização da ONU incolor usadas principalmente no sistema WDM-PON atual. O FP-LD tem sido amplamente utilizado no atual sistema de comunicação óptica. Embora o FP-LD usado no sistema WDM-PON seja ligeiramente diferente (por exemplo, a refletividade da superfície frontal deve ser baixa e a superfície traseira é alta), seu custo ainda é baixo e a saída é grande. Já o SOA possui múltiplas aplicações em redes ópticas e módulos ópticos além de ser utilizado como amplificador. Seu efeito não linear também pode ser usado para realizar modulação, conversão de comprimento de onda, regeneração e comutação óptica de alta velocidade (especialmente acima de 40 Gb/s) e outras funções. O dispositivo reflexivo RSOA pode ser obtido modificando levemente sua estrutura, o que é especialmente útil em sistemas WDM-PON.
Em geral, embora os dispositivos SOA/RSOA tenham várias funções e processos maduros e possam otimizar parâmetros para diferentes aplicações, eles ainda são considerados como estando em estágio de aplicação laboratorial, e o mercado comercial está apenas em sua infância, e atualmente não há força motriz para a adoção generalizada de dispositivos SOA/RSOA. Não há muitos fornecedores de produtos SOA/RSOA no mundo. Os grandes incluem CIP no Reino Unido e Kamelian na Escócia. A ETRI na Coréia do Sul também está desenvolvendo dispositivos RSOA para sistemas WDM-PON e fornecendo-os ao Corecess. No entanto, o preço dos dispositivos RSOA usados para WDM-PON é caro no momento, portanto, a escala de produção é necessária para reduzir ainda mais o custo.
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Fonte de luz OLT
Para o OLT, como ele precisa usar comprimentos de onda diferentes para se comunicar com cada ONU, é muito inconveniente usar essa solução de fonte de luz de comprimento de onda único. A fonte de luz OLT também pode usar a divisão de espectro da fonte de luz de amplo espectro, mas a divisão de espectro introduzirá uma grande perda (cerca de 18 dB), causará um orçamento de energia apertado, portanto, atualmente, fontes de luz de vários comprimentos de onda são usados principalmente. A fonte de luz de vários comprimentos de onda está em um dispositivo integrado que pode gerar vários comprimentos de onda de luz ao mesmo tempo e é muito adequado para uso como fonte de luz OLT em um sistema WDM-PON. Existem os seguintes tipos de fontes de luz de vários comprimentos de onda.
Laser multifrequência (MFL): Conforme mostrado na Figura 1, no laser de multifrequência, uma grade de guia de onda em arranjo 1 × N e vários amplificadores ópticos são integrados, e cada extremidade de entrada da grade de guia de onda em arranjo integra um amplificador óptico. Uma cavidade óptica é formada entre o amplificador óptico e a extremidade de saída da grade de guia de onda em arranjo. Se o amplificador fornecer ganho suficiente para superar a perda na cavidade, haverá saída de laser e o comprimento de onda de saída é determinado pelas características de filtragem da grade de guia de onda em arranjo. Ao modular diretamente a corrente de polarização de cada amplificador, podem ser gerados sinais de downlink de vários comprimentos de onda.
Figura 1: Diagrama esquemático da estrutura de um laser multifrequência
O intervalo de comprimento de onda do MFL é determinado pela diferença de comprimento do guia de onda na grade do guia de onda, que pode ser controlada com precisão. Cada comprimento de onda pode ser ajustado uniformemente mantendo a mesma temperatura, o que é conveniente para monitoramento de comprimento de onda. O MLF é uma fonte de luz OLT ideal. A modulação direta também é possível em lasers de multifrequência, mas a velocidade de modulação é limitada devido à longa cavidade do laser. Foram lançados os MFL com 200 GHz e espaçamento de 20 canais, e com 400 GHz e espaçamento de 16 canais, cuja taxa de modulação direta é de 622 Mbit/s.
Matriz de laser DFB com ganho acoplado: A matriz de laser DFB fabrica vários lasers de guia de ondas multiquânticos InGaAsP/InP com as mesmas propriedades no mesmo substrato e é uma fonte de luz integrada de vários comprimentos de onda. As matrizes de laser DFB combinam um mecanismo de acoplamento de ganho com recursos de ajuste em um módulo de laser, e o ajuste de comprimento de onda é obtido por meio do controle de temperatura. Resistores de película fina são integrados ao dispositivo e o comprimento de onda pode ser alterado controlando sua temperatura, o que permite um ajuste quase contínuo. A vantagem deste dispositivo reside em seu tamanho compacto e modulação de alta velocidade, mas tem um grande problema, que é a dificuldade de controlar com precisão o comprimento de onda de cada laser na matriz, porque cada comprimento de onda do laser é determinado por um independente filtro.
Fonte de luz laser supercontínua: Um pulso de femtossegundo é gerado por um laser de femtossegundo e, após a transmissão através de um meio não linear, a extensão do pulso e o chirp de frequência linear são causados pelo efeito de modulação de autofase. No espectro ampliado, o comprimento de onda aumenta linearmente com o tempo, de modo que comprimentos de onda diferentes ocupam intervalos de tempo diferentes e os dados de downlink são modulados em cada canal por TDM. O espectro ampliado pode ser amplificado e dividido para suportar múltiplos PONs a serem compartilhados por um grande número de usuários.
WDM
Em WDM-PON, um multiplexador de divisão de comprimento de onda é geralmente chamado de roteador de comprimento de onda. Ele desmultiplexa o sinal de downlink e o distribui para uma ONU designada e multiplexa o sinal de uplink em uma fibra óptica e o transmite para o OLT. Seus principais indicadores incluem perda de inserção, diafonia, espaçamento de canal, dependência de polarização e sensibilidade à temperatura.
Figura 2: Diagrama WDM-PON
Atualmente, existem dispositivos com várias estruturas, como filtros de interferência de filme fino, filtros acústico-ópticos, grades de Bragg de fibra, AWGs, etc. No caso de um pequeno número de canais, filtros de interferência de filme fino e grades de fibra são bons escolhas. Para sistemas WDM com mais de 16 canais, o AWG é usado principalmente para dispositivos de multiplexação/demultiplexação, principalmente porque a perda de AWG não tem nada a ver com o número de canais. A grade de guia de onda desenvolvida nos últimos anos tem as vantagens de tamanho pequeno, fácil integração, espaçamento de canal estreito e desempenho estável, o que promove o desenvolvimento de WDM-PON.
Embora o AWG tenha sido amplamente utilizado em sistemas DWDM, quando aplicado a redes PON, ele não pode usar dispositivos ativos de controle de temperatura e enfrentará o problema de desvio de comprimento de onda causado por mudanças de temperatura. Portanto, AWGs insensíveis ao calor são críticos para sistemas WDM-PON. A tecnologia AWG insensível ao calor é relativamente madura, mas o preço é mais alto do que o AWG comum. Se puder ser produzido em massa e amplamente utilizado, o custo será basicamente o mesmo do AWG comum.
receptor WDM
O receptor no sistema WDM-PON inclui um fotodetector e um circuito de acompanhamento para recuperação de sinal (receptor óptico digital). Fotodiodos PIN e fotodiodos de avalanche são fotodetectores comumente usados, que têm diferentes aplicações, dependendo da sensibilidade necessária. Um receptor óptico digital geralmente consiste em um pré-amplificador, um amplificador principal e um circuito de recuperação de dados de relógio (CDR).
O receptor em WDM-PON consiste em um desmultiplexador e uma matriz de receptores. Em um receptor WDM, a diafonia linear no demultiplexador precisa ser considerada, o que causa um rápido aumento na perda de potência. Os métodos para controlar o crosstalk incluem equalizar a potência de cada ONU, filtrar duplamente o sinal recebido e assim por diante.
Monitoramento de comprimento de onda
Como vários comprimentos de onda são usados em WDM-PON, e como o AWG é geralmente colocado ao ar livre sem controle de temperatura, a temperatura tem uma grande influência na mudança da banda passante do AWG. Em termos gerais, a faixa de diferença de temperatura do AWG é de -40~85°C, e a taxa de mudança da banda passante é de 0.011 nm/°C. Portanto, em tal diferença de temperatura, haverá uma mudança de 1.4 nm no comprimento de onda. Tal deslocamento será na mesma ordem de magnitudes (100~200 GHz) que o intervalo de comprimento de onda do DWDM, o que afetará seriamente o trabalho do WDM-PON. Portanto, é necessário executar o trabalho de detecção e ajuste de comprimento de onda no OLT.
O monitoramento de comprimento de onda usa um algoritmo diferencial para comparar a potência de transmissão de um canal com a potência que passa pelo roteador de comprimento de onda para obter um sinal de diferença. Se for menor que o sinal de diferença no momento anterior, a temperatura mudará em ΔT na direção atual. Caso contrário, isso significa que a incompatibilidade do canal aumenta e a temperatura mudará ΔT na direção oposta. Neste método, a velocidade e a distância do passo ΔT do ajuste de temperatura devem ser selecionadas apropriadamente.
O monitoramento do comprimento de onda pode ser realizado monitorando a potência do canal downlink e a potência do canal uplink. Para PONs compostas que usam apenas WDM no downlink, apenas a potência do canal downlink pode ser monitorada. Este método requer fibras de loopback adicionais ou um canal de monitoramento e grade de fibra. Para WDM-PON usando uplink de divisão de espectro, você pode comparar a potência do sinal de uplink antes e depois da demultiplexação na OLT e só precisa adicionar um acoplador para monitoramento de comprimento de onda sem canais adicionais.