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单纤双向光模块技术介绍

 普通的光模块,都会有收和发两个端口,也就是说发送出来有一根光纤,接收也有一根光纤,即双纤双向,这个很容易理解,收和发各占一个独立的车道,完全没有干扰,坏处是占用了两根光纤,这对于一些光纤资源比较紧张的应用场景还是不可接受的。因此就诞生了Bidi光模块的需求。

普通的光模块,都会有收和发两个端口,也就是说发送出来有一根光纤,接收也有一根光纤,即双纤双向,这个很容易理解,收和发各占一个独立的车道,完全没有干扰,坏处是占用了两根光纤,这对于一些光纤资源比较紧张的应用场景还是不可接受的。因此就诞生了Bidi光模块的需求。

BIDI

单纤双向光模块要求在一根光纤上既要发又要收,还得是同时,也就是全双工工作,听起来似乎有点难。不过细想一下,在一根光纤里还可以再通过其它的维度再开辟两个独立的通道,比如,利用频率或者波长就是很自然的想法了。比如WDM系统,可以在一根光纤里上传百路信号。因此,一种自然的实现方式便是,在单纤双向光模块(Bidi)中发送和接收用两个不同的波长,如一个用1310,一个用1550,用一个WDM 滤波器来区分发送和接收方向的波长信号。

当然,波长对的用法还可以是1310/1490,1270/1310,1270/1330。比如5G前传25G模块中似乎就比较倾向于将波长方案定为1270/1330。

进一步地 ,是否也可以单纤双向用同波长呢?答案是肯定的。只要有办法能够在光模块的光口上把收方向和发方向的光分开就行了,如3端口环形器就是一个很好的方法,三端环形器的工作特性是 1进2出,2进3出,1和3不通。因此,只需要把2端口作为光模块的光口,1与发射机相连,3与接收机相连。

当然,采用环形器后也是可以用不同波长的。那么除了环形器之外,是否还有其它的方法呢?我觉得以下方案应该也是可行的,隔离器+耦合器。从光纤过来的虽然会分到2个支路上,但TOSA上加了隔离器,不让上行的光进入TOSA中,避免对器件造成损坏,而ROSA可以正常接收。并且,实际上这个隔离器是有可能可以省掉的 ,因为一般的激光器内部会自带一个隔离器,防止自激振荡。不过,这种方案的缺点在于耦合器带来的损耗大于环形器。可能实用价值不大。

进一 步地,除了用波长维度外,还有别的方法可以支持单纤双向吗?有的,光纤有5个物理维度可用来传输信息,频率、时间、幅度相位、空间、偏振。理论上这5个维度都可以,波长只是其中一个方案。比如时间,通过时分复用来分别发送和接收信息,理论上是可行的,但它就变成了单双工模式了。幅度和相位也是可行的,比如,发和收有同一个波长,一个传强度调制信号,一个传相位调制信号。空间怎么理解呢,可以利用不同的空间模式,比如一个用基模,一个用高阶模式,二者也是可区分的。而偏振就更容易理解了,收和发一个用X偏振,一个用Y偏振,用偏振分束器来分开。既然这么多方案都可行,那是不是真的可用呢?显然不是,业界只是希望方案尽可能简单。模式、偏振这种虽然看起来可行,但实际操作起来就不太稳定可控了,目前没有太强的实用价值,特别是在短距应用中,没有DSP来处理串扰。

我们再来分析一下单纤双向不同波长方案和同波长方案的优劣点。不同波长的好处是波长独立,WDM容易分波,收和发方向没有干扰。劣势是需要维护两种波长的光模块,成本增加,另外上下行波长不同,也会有传输性能的波动和差异,特别是如果一个是O波段,一个C波段,两个波长差异太多的话,色散对二者的影响差异较大。而同波长方案的优点是,仅需要维护一种模块,易维护,上下行完全对称,传输时延一致性好;劣势是环形器的2端对反射串扰非常敏感,出纤需要采用具有高回损指标的光纤倾斜端面接口,并对实际工程使用提出了较高的防尘要求,另外,同波长单纤双向传输时会有瑞利背向散射噪声的影响,特别是高速,较长距传输时,更明显。也就是说双向传输时,下行的背向散射光会影响上行的接收质量。

也有很多的方法来避免或降低背向瑞利散射噪声的影响。比如,上下行分别采用幅度和相位调制格式,采用低频分量小的调制格式,利用频带搬移,特殊编码调制和相干探测。但是这势必会增加短距光模块方案的成本和复杂度,降低实用价值。对于前传25GBidi光模块,如果采用同波长方案的话,考虑到传输距离10km左右的话,瑞利散射噪声对性能的影响不至于太严重。同时,可以适当选取长波长的1550波段,这样可以稍微减小瑞利散射(与波长四次方成反比)。

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