Research on flexible TWDM-PON system based on optical switch array
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摘要: 为了满足接入网日益增长的业务流量需求，解决当前因架构固定、资源维度有限而导致的不同无源光网络之间波长无法灵活分配的的问题，提出了一种将发射固定波长的激光器与光开关阵列组合的时分波分混合复用无源光网络结构。在这种新的系统结构中，下行波长资源被集中化处理，采用在局端配置光开关阵列的方法实现波长在不同网络之间的灵活调度，降低系统总体成本的同时能够用来解决负载平衡、流量“潮汐效应”、网络资源利用率低下等问题。通过理论分析和仿真实验验证了系统的可行性，得出该结构与传统无源光网络的兼容性、波长资源的共享性、系统低成本以及节能的特点。结果表明，在没有色散补偿的情况下，信号可以覆盖30 km的传输距离，同时服务512个用户。该研究可以为典型应用场景下的无源光网络部署提供参考。
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关键词:
- 光通信 /
- 时分波分混合复用无源光网络 /
- 光开关阵列 /
- 波长共享
Abstract: In order to meet the increasing service traffic requirements of access networks and solve the problem that wavelengths between different passive optical networks cannot be flexibly allocated due to fixed architecture and limited resource dimensions, a time and wavelength division multiplexed passive optical network(TWDM-PON) structure combining lasers emitting fixed wavelengths and optical switch array was proposed. In this new system structure, the downstream wavelength resources were centralized, and the method of configuring the optical switch array at the central office was used to achieve flexible scheduling of wavelengths between different networks. This system can be used to solve the problems such as load balancing, traffic "tidal effect", and low utilization of network resources while reducing overall costs. The feasibility of the system was verified by theoretical analysis and simulation experiments, and the compatibility of the structure with the traditional passive optical network, the sharing of wavelength resources, the low cost of the system, and the characteristics of energy saving were analyzed and demonstrated. Experimental results show that the signal can cover a transmission distance of 30 km without dispersion compensation and can serve 512 users at the same time. This study can provide a reference for passive optical network deployment in typical application scenarios. -
0. 引言
光亮度的精确测量在显示屏性能评估、车灯性能以及隧道照明环境检测等领域有着广泛的应用。随着应用的不断深入，对面光源进行光亮度测量的精度要求也越来越高; 同时光亮度测量的精度也影响着色度、色域等光学参数的测量[1-3]。
目前平板显示器的光学性能测量主要采用成像式亮度计，工业成像式亮度计主要分为两类：滤光片式成像亮度计和分光光谱式成像亮度计。滤光片式成像亮度计采用特定的滤光片模拟人眼对光的响应，使得加上滤光片的图像传感器的光谱响应与基于人眼颜色视觉的国际照明委员会(Commission Internationale de L’eclairage，CIE)标准色度匹配函数相匹配，通过图像传感器输出的灰度值计算出目标各点的光亮度，具有测量速度快、体积小、应用环境广的优点，但滤光片匹配存在误差，因而测量精度不高，校准工作量大。分光光谱式成像亮度计将点式光谱仪与图像传感器相结合，利用光谱仪测量特定区域(一般是视场中心区域)的光谱辐射亮度曲线，再利用图像传感器测量目标的灰度值，由此得到目标的光亮度值，具有测量速度快、成本低、体积小等优点，但由于目标各点的光谱曲线实际上并不是相同的，因而测量精度也有限[4-5]。本文作者以显示屏光亮度高精度测量的需求为应用背景，研究了以线性渐变滤光片为核心的成像光谱仪光亮度测量方法，通过获取目标各像素点绝对辐射亮度光谱分布曲线，高精度地计算出目标各点的光亮度信息。
1. 线性渐变滤光片成像光谱仪原理
以线性渐变滤光片(linear variable filter，LVF)为分光元件的成像光谱仪由光学成像镜头、线性渐变滤光片、电感耦合图像传感器(CMOS image sensor，CIS)、目标位移平台构成。LVF置于光学成像镜头与CIS之间，并紧贴CIS的探测表面[6-8]，如图 1所示。
设物体移动方向为x轴，LVF在此方向上中心波长线性变化，在垂直方向上中心波长保持不变。CIS在x轴方向上每一行像元所接收到的光谱波长都与LVF对应位置上的透过波长相对应[9]，因此不同行对应不同波长的单色光谱。为了获取目标的完整光谱信息，需要改变成像光谱仪和目标的相对位置。将目标固定在传送带上，沿LVF波长变化方向匀速移动，使目标的同一行分时成像在图像传感器的不同行，分时获取目标的光谱数据，再通过图像重构得到目标的光谱信息数据立方体信息[10-12]。LVF成像光谱仪图像重构原理如图 2所示，每一帧图像都包含目标的2维空间信息和全谱段光谱信息。将对应的单波长条带依次提取进行重排拼接，即可获得特定波段的单波长图像，所有单波长图像叠加即得到待测目标的高光谱数据立方体。
2. 光亮度计算模型
为精确测量目标的光亮度信息，需要建立待测目标面光源光亮度与图像传感器CIS输出灰度值的函数关系。根据光学系统能量传递关系，得到目标物面光谱辐射亮度与像面光谱辐射照度的传递关系，根据CIS的成像原理，得到CIS像面光谱辐射照度与CIS输出图像灰度值的传递关系，再由CIE1931亮度计算方法得到目标面光源的光亮度值[13]。
物面上微小面元的最大孔径角由孔径光阑的大小决定，由于物面不同位置的微小面元对应的最大孔径角相同，因此进入成像光学系统的光辐射能量相同[14-15]。由于不同位置的微小面元进入光学系统的光能量都相同，因此仅分析光学系统中心的光能量传递情况，传递示意图如图 3所示。
将物面视为余弦辐射体，在物面取一微元dS，对应的像面微元为dS′，如图 3中剖面线扇形所示。dS与dS′可构成元光管[16]，每个元光管的辐射通量为dΦ，对整个入瞳面积分，可求出从dS向整个入瞳发射的总辐射通量Φ。
由光谱辐射亮度的定义，得到波长为λ的光谱辐射通量为：
\mathit{\varPhi}(\lambda)=L(\lambda) \mathrm{d} S \int_0^{2 \mathsf{π}} \mathrm{d} \varphi \int_0^U \cos i \sin i \mathrm{~d} i (1) 式中：由于物面为余弦辐射面，光谱辐射亮度L(λ)为恒定值; dφ为入瞳上的光面相对入瞳中心的张角，i为入瞳相对光源的方向角; U为入瞳上光面对物面原点的张角; 定义K(λ)为透过LVF照射到CIS像元上的光谱透过率，则像面dS′接收到的光谱辐射通量为：
\mathit{\varPhi}^{\prime}(\lambda)=K(\lambda) \mathsf{π} L(\lambda) \mathrm{d} S \sin ^2 U (2) 可推出像面dS′处的光谱辐射照度E′(λ)为：
E^{\prime}(\lambda)=\frac{\mathit{\varPhi}^{\prime}(\lambda)}{\mathrm{d} S^{\prime}}=K(\lambda) \mathsf{π} L(\lambda) \frac{\sin ^2 U}{\beta^2} (3) 式中: β为垂轴放大率。由图像传感器及成像系统原理可知[17]，图像传感器像元输出灰度值u与曝光时间内该像元接收的光子数量μ为线性关系：
u=u_{\mathrm{d}}+G \eta \mu (4) 式中: ud为像元在无光辐射照射下输出的暗信号; G为CIS的总增益; η为量子效率。
像元接收的光子数量可由像元表面的光谱辐射照度值E′(λ)和曝光时间t计算得到，将式(3)代入，得到物平面像元的光谱辐射亮度L(λ)：
\begin{gathered} L(\lambda)=\frac{u-u_{\mathrm{d}}}{t} \frac{h c \beta^2}{G \eta \lambda A K(\lambda) \mathsf{π} \sin ^2 U}= \\ \frac{u-u_{\mathrm{d}}}{t} C(\lambda) \end{gathered} (5) 式中: hc/λ表示光子能量; A为图像传感器像元面积; C(λ)为光谱辐射亮度校正曲线。
根据人眼视觉特性函数V(λ)和最大光谱光视效能Km，将辐射亮度转换为光亮度Lv：
L_{\mathrm{v}}=K_{\mathrm{m}} \sum\limits_{\lambda=380}^{780} L(\lambda) V(\lambda) \Delta \lambda (6) 式中: Δλ为波长间隔。
3. 定标
通过光谱定标建立像元位置与波长之间的函数关系，通过辐射定标建立灰度值和辐亮度之间的函数关系。定标系统示意图如图 4所示，包括发光二极管积分球光源、分光光谱辐射亮度计CS-2000A、自研LVF成像光谱仪、计算机及配套软件。
LVF成像光谱仪的性能参数如表 1所示，采用的分光辐射亮度计CS-2000A的性能参数如表 2所示。
表 1 LVF成像光谱仪参数Table 1. LVF imaging spectrometer parametersperformance parameters camera parameters spectral range 384 nm~1050 nm detector type CMOS global shutter spectral resolution 2.60 nm data aquistition type continuous shooting/snapshot numbers of spectral channels 256 data format 8 bit, 10 bit CIS pixel 2048×2048 data interface USB3.0 time of exposure 28 μs~1 s lens type F port telecentric lens 表 2 CS-2000A参数Table 2. CS-2000A parametersperformance parameters value wavelength range 380 nm~780 nm wavelength resolution 0.9 nm/pixel display wavelength width 1 nm wavelength accuracy ±0.3 nm spectral wave width 5 nm(full width at half maximum) 3.1 光谱定标
LVF成像光谱仪的入射光分光后不同波长的单色光对应着图像传感器不同的像元位置，只有确定了像元位置与中心波长的函数关系，将像元与中心波长一一对应，才能在图像重构算法中拼接出单色图像，得到各像元的光谱曲线信息[18]。
采用特征光谱法进行光谱定标，积分球光源输出高均匀面辐射光源，用分光辐射亮度计和LVF成像光谱仪同步采集数据[19]。分光辐射亮度计得到光源的光谱辐射亮度数据，LVF成像光谱仪得到灰度值随像元位置变化的数据。在可见光范围内，将特征光谱的中心波长以固定间隔步进，分别对采集的数据进行高斯函数拟合，得到峰值点对应的中心波长与中心像素位置，基于最小二乘法建立波长和像素位置的函数对应关系。拟合图像如图 5所示。
拟合得到的波长λ关于像元位置p的表达式为：
\lambda=0.3264 p+378.6281 (7) 3.2 辐射定标
由光谱辐射亮度计算公式可知，光源的光谱辐射亮度由光谱辐射亮度校正曲线C(λ)、CIS图像输出灰度值与曝光时间共同决定[20]。
使用光源控制系统控制积分球输出光源，使其输出连续光谱面光源，使用辐射亮度计采集积分球出光口的光谱辐射亮度曲线，如图 6所示。
在不同曝光时间条件下，LVF成像光谱仪分别采集暗信号和亮信号图像数据，采集多帧图像数据平均处理得到灰度值随波长变化曲线，从而计算出光谱辐射亮度校正曲线C(λ)，如图 7所示。
4. 光亮度测量实验
将显示屏作为待测目标，根据光亮度计算模型得到不同位置的光谱辐射亮度值，以光谱分光辐射亮度计的测量结果作为标准值，对比如图 8所示。
可以看出，在测量同一位置的辐亮度分布时，LVF成像光谱仪计算结果与光谱分光辐射亮度计的示值差异较小，波形变化趋势基本一致，系统整体测量结果较为准确。在650 nm左右，系统计算值与标准值出现了误差，LVF成像光谱仪所测辐亮度被抬高，可能是由于光路倾斜导致此波段发生了光谱混叠，从而使得650 nm对应的CIS像素位置接收到了附近波长的透射光。
根据式(6)将辐射亮度转换为光亮度，计算出光亮度测量的相对示值误差，如表 3所示。
表 3 光亮度测量结果Table 3. Luminance measurement resultsluminance meter results/(cd·m-2) luminnance measurement system results/(cd·m-2) relative indication error/% 45.274 44.032 -2.743 100.484 98.568 -1.907 164.285 164.096 -0.115 205.296 206.965 0.813 420.458 419.789 -0.159 515.792 518.328 0.492 587.296 591.389 0.697 637.109 636.028 -0.170 可见系统的亮度相对示值误差范围在-2.743%~0.813%之间，测量精度小于±3.0%。
5. 结论
以显示屏的在线性能检测应用需求为背景，分析了LVF成像光谱仪的原理结构以及物面光亮度到像面输出灰度值的传递过程，并以此为基础得到了目标光亮度的计算模型; 建立了基于积分球光源、分光光谱辐射亮度计、成像光谱仪的实验定标装置，实现了测量系统的光谱定标和辐射定标; 最后进行了实际的光亮度测量和分析比较。结果表明, 本文中的测量方法和实际情况有较好的一致性，相对示值误差小于3%，达到了国标JJG 211-2021光亮度测量所规定的一级测量精度要求。目前，显示行业对于亮度计的测量要求越来越高，本文中设计的LVF成像光谱仪亮度测量系统在提供准确可靠的亮度测量的同时，系统整体结构小型精巧、测量范围广、稳定性高，能满足市场要求，可帮助提升显示屏产品质量。
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表 1 实现灵活TWDM-PON系统3种方案的成本比较
Table 1 Cost comparison of three schemes for realizing flexible TWDM-PON system
reference[6] reference[8] in this paper tunable laser(40000 Yuan/piece) 16 12 — fixed laser (20000 Yuan/piece) — 4 16 1×4 optical switch (15000 Yuan/piece) — — 5 cyclic AWG (8000 Yuan/piece) 1 1 — coupler (4000 Yuan/piece) — 4 4 interleaver (5000 Yuan/piece) 8 — — total cost/Yuan 688000 584000 411000 average cost to users/Yuan 10750 1141 803 
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表 2 仿真系统中主要器件的参数
Table 2 Parameter setting of the main devices in simulation system
device laser optical fiber WDM mux switch tunable filter parameters power: 0 dBm, linewidth: 10 MHz attenuation: 0.2 dB/km, dispersion: 16.75 ps·nm-1·km-1 insertion loss: 2 dB crosstalk: 50 dB, additional loss: 1 dB bandwidth: 30 GHz, insertion loss: 2 dB
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表 3 不同分路比和传输距离下的下行信号误比特率
Table 3 Downstream signal BER at different splitting ratio and transmission distance
split ratio distance/km BER 1∶128 20 7.36×10-64 1∶256 20 5.19×10-41 1∶512 20 1.31×10-19 1∶128 25 5.19×10-41 1∶256 25 2.62×10-26 1∶512 25 2.97×10-13 1∶128 30 5.67×10-27 1∶256 30 3.72×10-18 1∶512 30 1.06×10-10
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