下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)路線與研究進(jìn)展

劉繼紅，王步元

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121）

隨著高清交互式網(wǎng)絡(luò)電視、在線數(shù)字影院、在線游戲、視頻會(huì)議等寬帶通信業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，對(duì)接入網(wǎng)帶寬的要求越來(lái)越高。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）由于具有容量大、運(yùn)行和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為解決接入網(wǎng)帶寬瓶頸的首選技術(shù)，在下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

目前廣泛應(yīng)用的是基于時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）的PON技術(shù)，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在光層只支持一個(gè)波長(zhǎng)，多個(gè)用戶在媒體訪問(wèn)控制層通過(guò)時(shí)分復(fù)用共享光層帶寬。這一代PON的標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的吉比特以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Gigabit Ethernet－based PON，GEPON）和國(guó)際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織 （International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，ITU－T）的寬帶無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Broadband PON，BPON）、吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（Gigabit PON，GPON）［1－3］，其中 GEPON和GPON的帶寬分別為1Gb／s和2.5Gb／s，而BPON的帶寬則更低。除了帶寬不同外，三者的主要差別在于電層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于光層帶寬低，因此這一代PON能夠分配給每個(gè)用戶的帶寬很有限，難以支持未來(lái)的寬帶應(yīng)用。為了滿足用戶不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，國(guó)際電信組織和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)公司提出了多種新型PON技術(shù)。本文在介紹下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Next Generation PON，NG－PON）演進(jìn)路線的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論多波長(zhǎng)堆疊無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Time－and Wavelength－Division Multiplexd PON，TWDM－PON）的技術(shù)原理，最后綜述TWDM－PON的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示情況和低成本光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）研究進(jìn)展。

1 NG－PON的技術(shù)演進(jìn)

1.1 技術(shù)演進(jìn)階段

根據(jù)目前的應(yīng)用情況和研究現(xiàn)狀，全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（Full Service Access Network，F(xiàn)SAN）論壇把NG－PON 的研究分成了NG－PON1 和 NG－PON2兩個(gè)階段［4］。NG－PON1要求網(wǎng)絡(luò)的上行／下行速率分別達(dá)到2.5Gb／s和10Gb／s，NG－PON1的標(biāo)準(zhǔn)在2009年前后已經(jīng)形成，典型的有IEEE的10Gibt／s 以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（10Gbit／s Ethernetbased PON，10GE－PON）和ITU－T 的 10Gbit／s GPON（XG－PON）［5－6］。2010年，F(xiàn)SAN 論壇啟動(dòng)了NG－PON2的研究工作，得到了全世界很多運(yùn)營(yíng)商的支持［7－8］。目前，NG－PON2的標(biāo)準(zhǔn)仍處于研究之中，但在很多技術(shù)問(wèn)題上已達(dá)成共識(shí)，如上行／下行傳輸速率達(dá)到40Gb／s、傳輸距離達(dá)到40km、支持的ONU 數(shù)多于64個(gè) 等［8－9］。由 于 NG－PON1已 有 完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這里不再贅述，以下將重點(diǎn)介紹正處于標(biāo)準(zhǔn)形成階段的NG－PON2技術(shù)。

1.2 NG－PON2備選技術(shù)

目前，已經(jīng)提出了多種符合NG－PON2基本要求的技術(shù)方案，主要有4類：基于TDM的40G PON（XLG－PON）［10－12］、正交頻分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing PON，OFDM－PON）［13－15］、波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Wavelength Division Multiplexing PON，WDMPON）［16－17］和 TWDM－PON［8，18－20］。

1.2.1 XLG－PON

XLG－PON是在XG－PON的基礎(chǔ)上，把上行／下行速率分別由2.5Gb／s和10Gb／s增加到了10Gb／s和40Gb／s，網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與G－PON、XG－PON類似（圖1，不失一般性，ONU 數(shù)目取3，下同），主要包括光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、ONU和傳輸光纖與無(wú)源光分路器構(gòu)成的光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）。XLG－PON整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍采用一對(duì)工作波長(zhǎng)（λ下行，λ上行），每個(gè) ONU的接收、發(fā)射波長(zhǎng)都相同，下行傳輸采用固定TDM，上行傳輸采用統(tǒng)計(jì)TDM。由現(xiàn)有PON升級(jí)主要是提高傳輸速率，ODN并未發(fā)生變化，但由于線路速率更高，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離會(huì)受到光纖色散等因素的限制。由于高速信號(hào)處理復(fù)雜、成本高，為了降低ONU內(nèi)的信號(hào)處理速度，在下行幀采用了比特間插方法，即由OLT向各個(gè)ONU的發(fā)送時(shí)隙依次偏移一定間隔，這樣ONU內(nèi)接收電路的工作速率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于40Gb／s。

圖1 XLG－PON

1.2.2 OFDM－PON

基于正交幅度調(diào)制等先進(jìn)調(diào)制格式和快速傅里葉變換［21－23］，OFDM－PON能夠大大提高單波長(zhǎng)傳輸速率，同時(shí)克服高速傳輸時(shí)色散的影響。圖2是 OFDM－PON的下行傳輸原理［24］。和 XLG－PON一樣，OFDM－PON 也是使用一對(duì)波長(zhǎng)，現(xiàn)有的ODN不用改變。OFDM－PON中通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用、編碼變換以及光傳輸損傷補(bǔ)償，因此它的發(fā)展在很大程度上依賴于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與器件的實(shí)用化水平［25］。

圖2 OFDM－PON

1.2.3 WDM－PON

WDM－PON的組成和工作原理如圖3所示，基本思想是直接“移植”骨干光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)成熟的WDM技術(shù)，這樣，即使每個(gè)波長(zhǎng)的調(diào)制速率都不高，但當(dāng)采用多個(gè)波長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)速率也很容易達(dá)到40Gb／s。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè) ONU 配置專享波長(zhǎng)（λ下行，i，λ上行，i，其中i是 ONU 序號(hào)），根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)的差異，同一個(gè)ONU的上行和下行波長(zhǎng)既可以相同，也可以不同［16－17］。雖然 WDM 技術(shù)已廣泛應(yīng)用，但是考慮到PON應(yīng)用的成本等因素，這種直接“移植”還需要研究改進(jìn)。例如，由于每個(gè)ONU使用的波長(zhǎng)不同，給網(wǎng)絡(luò)安裝、配置和管理會(huì)帶來(lái)很大麻煩，因此，如何實(shí)現(xiàn)無(wú)色化ONU成為關(guān)鍵，目前已提出了載波再調(diào)制、載波分發(fā)等不同的無(wú)色化 ONU 方 案［26－29］。 另 外，WDM－PON 中 的 ONU數(shù)目受波長(zhǎng)數(shù)限制，很難達(dá)到NG－PON2要求的數(shù)量。

圖3 WDM－PON

1.2.4 TWDM－PON

TWDM－PON是把多個(gè)XG－PON通過(guò) WDM技術(shù)“堆疊”在同一個(gè)ODN上的NG－PON2實(shí)現(xiàn)方案［18］，系統(tǒng)基本工作原理如圖4所示，圖中是把3個(gè)采用不同波長(zhǎng)對(duì)的XG－PON堆疊在現(xiàn)有的ODN上。TWDM－PON中的ONU可以選擇在任何1對(duì)波長(zhǎng)上收／發(fā)，上行傳輸速率為2.5Gb／s或10Gb／s，下行速率為10Gb／s。當(dāng)使用4對(duì)以上波長(zhǎng)時(shí)，上行／下行的速率分別可超過(guò)10Gb／s（或40Gb／s）和40Gb／s，符合NG－PON2的要求。由于是把現(xiàn)有XG－PON在波長(zhǎng)域上簡(jiǎn)單疊加，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法比較成熟，關(guān)鍵是如何解決ONU端的可調(diào)諧收發(fā)。

圖4 TWDM－PON

1.3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

NG－PON2備選技術(shù)各自的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題都已基本解決，實(shí)驗(yàn)演示也都證明了技術(shù)的可行性，但考慮到對(duì)現(xiàn)有PON資源的利用效率、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的平滑性以及技術(shù)復(fù)雜性等因素，TWDM－PON最終受到了電信設(shè)備生產(chǎn)商和運(yùn)營(yíng)商的青睞，2012年4月被FSAN論壇選為NG－PON2的基本技術(shù)方案。NG－PON2的標(biāo)準(zhǔn)研究目前以TWDM－PON為主，在波長(zhǎng)數(shù)量、信道間隔等方面已經(jīng)形成了初步規(guī)范，預(yù)計(jì)2014年將有完整的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世［30］。

雖然其它3類技術(shù)方案暫時(shí)未能成為標(biāo)準(zhǔn)的首選，但各有優(yōu)勢(shì)。隨著光學(xué)相干接收技術(shù)的不斷成熟，研究人員開始把相干接收和超密集波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，增加 WDM－PON支持的ONU數(shù)量，2011年以來(lái)已報(bào)道了多種方案［31－33］，如果能夠解決對(duì)激光相位噪聲敏感等問(wèn)題［34－35］，相干 WDM－PON 支持大的用戶容量、靈活的波長(zhǎng)速率等優(yōu)勢(shì)將凸顯出來(lái)。另外，把OFDM－PON和 WDM－PON結(jié)合也具有一定的吸引力，通過(guò)波分復(fù)用和正交頻分復(fù)用兩級(jí)復(fù)用支持更多的ONU，降低了只采用一種復(fù)用技術(shù)時(shí)對(duì)速率或波長(zhǎng)數(shù)的要求［36］。隨著PON技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶對(duì)接入帶寬需求的進(jìn)一步增加，這些技術(shù)在未來(lái)可能會(huì)重新受到重視。

2 TWDM－PON技術(shù)

2.1 TWDM－PON技術(shù)原理

TWDM－PON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與PON類似（圖4），主要包括OLT、ODN和ONU三部分，但由于把多個(gè)XG－PON疊加在了一個(gè)ODN上，OLT和ONU的具體配置都發(fā)生了變化。

（1）OLT中有N對(duì)光收發(fā)器，通過(guò)波分復(fù)用／解復(fù)用器與傳輸光纖連接。另外，為了滿足NGPON2對(duì)長(zhǎng)距離傳輸、高分光比的要求，在OLT中可以選擇使用光放大器，提高系統(tǒng)功率預(yù)算。需要注意的是，使用光放大器并沒(méi)有破壞ODN的“無(wú)源”性，因?yàn)楣夥糯笃魇侵糜贠LT內(nèi)的。

（2）ONU端的光收發(fā)器是可調(diào)諧的，可以在上行／下行波長(zhǎng)信道中任意選擇發(fā)射／接收，這是TWDM－PON的特點(diǎn)所在，也是商用化需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，將在第3.2節(jié)詳細(xì)介紹。

早期關(guān)于TWDM－PON的研究中，為了避免使用調(diào)諧器件，ONU采用與OLT相同的方式，即每個(gè)ONU內(nèi)配置N對(duì)波長(zhǎng)不同的收／發(fā)端機(jī)［11］。這種方法技術(shù)成熟，但成本和能耗都很高，而且ONU不是無(wú)色化的，給網(wǎng)絡(luò)管理帶來(lái)了困難。

TWDM－PON是由多個(gè)XG－PON堆疊形成的，因此，在OLT和ONU之間建立通信時(shí)，首先需要確定是在哪個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的XG－PON上，然后再確定特定XG－PON內(nèi)的時(shí)隙分配。因此，除了OLT端增加收發(fā)器對(duì)數(shù)、ONU采用可調(diào)諧收發(fā)器外，兩端的媒體訪問(wèn)協(xié)議都需要從XG－PON升級(jí)，具體的接入策略需要考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、功耗控制等諸多因素，因此，網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)接入策略是目前TWDM－PON技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)［37］。

TWDM－PON實(shí)際配置的波長(zhǎng)數(shù)、每個(gè)波長(zhǎng)上的速率等都可以靈活選擇。例如，可以配置4對(duì)或者8對(duì)波長(zhǎng)，每對(duì)波長(zhǎng)分配給不同的運(yùn)營(yíng)商，并且每個(gè)波長(zhǎng)上運(yùn)行的TDM－PON類型也可以自由選擇。TWDM－PON之所以被選為NG－PON2的基本技術(shù)方法，關(guān)鍵是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)特點(diǎn)：其一，與已經(jīng)使用的PON技術(shù)能夠共存，支持靈活的帶寬升級(jí)和網(wǎng)絡(luò)管理；其二，重用現(xiàn)有的ODN，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。

2.2 TWDM－PON的波段選擇

雖然TWDM－PON本身的靈活性很高，但要與現(xiàn)有的PON技術(shù)共存、共享ODN資源，與其工作波段的選擇關(guān)系密切［8］。這里歸納幾種可能的波段安排，并分析比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

現(xiàn)有PON已經(jīng)使用的光纖波段如圖5所示，其中，GPON（BPON、GEPON和GPON的波段相同）占用的波段分別為上行1 290～1 330nm、下行1 480～1 500nm，XG－PON、10G－EPON 則分別是1 260～1 280nm和1 575～1 580nm。另外，RF視頻在1 550－1 560nm傳輸。

圖5 種標(biāo)準(zhǔn)化PON技術(shù)的波段劃分

TWDM－PON與XG－PON共用波段的波長(zhǎng)安排如圖6（a）所示，由于 NG－PON1還未大范圍應(yīng)用，因此TWDM－PON占用該波段是可行的。該波段的系統(tǒng)功率預(yù)算與XG－PON類似，典型值為33dB左右。這種安排有利于直接利用XG－PON中已成熟的器件技術(shù)，并且與G－PON和1555nm波長(zhǎng)處的RF視頻傳輸通道可以共存，但問(wèn)題是XGPON將無(wú)法使用。

為了能夠兼容已經(jīng)使用的G－PON、XG－PON，另一種選擇是把TWDM－PON的上行／下行波長(zhǎng)都放置在光纖的C波段，如圖6（b）所示。這種波段選擇能 使 TWDM－PON 后向兼容 G－PON 和 XGPON，但不能同時(shí)支持RF視頻通道。使用C波段的好處有兩點(diǎn)：一是該波段屬于光纖的低損耗窗口，并且在EDFA的波長(zhǎng)放大范圍內(nèi)，從而系統(tǒng)功率預(yù)算可以達(dá)到38dB以上，支持更長(zhǎng)距離的傳輸；二是用于1 535～1 540nm的2.5Gb／s分布反饋（Distributed FeedBack，DFB）激光器已大量使用，有助于實(shí)現(xiàn)低成本的ONU收發(fā)器模塊。當(dāng)然，把上行波長(zhǎng)安排在C波段比在O波段的色散代價(jià)更大。

還有一種波段選擇是上述兩種方案的綜合，即TWDM－PON的上行／下行分別占用C波段和L波段各5nm的帶寬，如圖6（c）所示。這樣安排的上行傳輸優(yōu)點(diǎn)與圖6（b）相同，而下行方向可使用L波段的光放大器提高功率預(yù)算，保證了TWDM－PON與G－PON和RF視頻傳輸通道能夠共存，但問(wèn)題是仍然與XG－PON不兼容。

圖6 TWDM－PON的波段選擇

可見(jiàn)，TWDM－PON的波段選擇不但會(huì)影響自身的性能參數(shù)和實(shí)現(xiàn)成本，而且依賴于現(xiàn)有PON技術(shù)的應(yīng)用情況，需要綜合考慮。

3 TWDM－PON的研究進(jìn)展

自從被FSAN論壇選為NG－PON2的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)后，TWDM－PON的研究進(jìn)展明顯加速，實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)的報(bào)道也不斷出現(xiàn)。本節(jié)首先綜述最新的實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)，然后分析用于TWDM－PON的低成本ONU技術(shù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)

進(jìn)入2013年以來(lái)，隨著標(biāo)準(zhǔn)逐步完善和應(yīng)用前景不斷明朗，TWDM－PON實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)的報(bào)道不斷涌現(xiàn)。

華為美國(guó)研究中心在TWDM－PON原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)模塊封裝、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和波長(zhǎng)分配等應(yīng)用問(wèn)題，報(bào)道了一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在2012年的美國(guó)光纖通訊展覽會(huì)及研討會(huì)上，他們首 次 報(bào) 道 了 TWDM－PON原型實(shí)驗(yàn)情況［18］，上行／下行速率分別達(dá)到10Gb／s和40Gb／s，系統(tǒng)功率預(yù)算38dB，支持1∶512的分光比，可傳輸20km，同時(shí)驗(yàn)證了 TWDM－PON與商用 G－PON和XG－PON的兼容性。之后，在2013年的歐洲光通信會(huì)議上他們又報(bào)道了一種新穎的TWDMPON結(jié)構(gòu)［38］，通過(guò)陣列波導(dǎo)光柵把多個(gè)ODN關(guān)聯(lián)起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)按需配置網(wǎng)絡(luò)容量，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和降低功耗，支持對(duì)稱40Gb／s傳輸和1∶64的分光比，傳輸距離和系統(tǒng)功率預(yù)算與之前的報(bào)道相同。另外，他們還報(bào)道了基于標(biāo)準(zhǔn)封裝的OLT、ONU模塊［30］，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本達(dá)到了 NGPON2的技術(shù)指標(biāo)要求。

上海交通大學(xué)Li等人在ONU端采用熱可調(diào)諧直接調(diào)制激光器（Directly Modulated Laser，DML），報(bào)道了多項(xiàng)40Gb／s對(duì)稱傳輸?shù)腡WDMPON實(shí)驗(yàn)結(jié)果［40－42］。為了抑制 DML高速調(diào)制產(chǎn)生的啁啾效應(yīng)，通過(guò)優(yōu)化波長(zhǎng)配置，使得ONU中的可調(diào)諧濾波器（Tunable Optical Filter，TOF）既能選擇下行波長(zhǎng)，也能對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行濾波。實(shí)驗(yàn)測(cè)試光纖的長(zhǎng)度為25km，分光比1∶256，系統(tǒng)功率預(yù)算31dB［19］。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)功率預(yù)算，文獻(xiàn)［39］中把抑制啁啾效應(yīng)的濾波器放置到OLT端，使功率預(yù)算提高到39dB，支持1∶1 000的分光比。另外，為了進(jìn)一步增大傳輸距離，他們?cè)谙滦惺褂貌罘忠葡噫I控調(diào)制，ONU中采用延遲干涉器件解調(diào)并抑制上行DML調(diào)制的啁啾，系統(tǒng)功率預(yù)算可達(dá)到38dB，分光比為1∶256時(shí)傳輸距離增大到50km［40］。

表1是對(duì)上述實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)配置的總結(jié)，比較了ONU中可調(diào)諧接收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)上行／下行的波長(zhǎng)配置。

表1 TWDM－PON實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)配置與波長(zhǎng)選擇

3.2 低成本ONU技術(shù)

TWDM－PON系統(tǒng)需要的各種器件大都已經(jīng)商用化，只有ONU中的可調(diào)諧收發(fā)器是現(xiàn)有PON中未涉及的關(guān)鍵部件。如果只從可實(shí)現(xiàn)性的角度看，可調(diào)諧收發(fā)器也都有成熟的備選技術(shù)，能夠滿足系統(tǒng)調(diào)諧性能要求。例如，對(duì)于可調(diào)諧發(fā)射機(jī)，基于熱調(diào)諧的DFB激光器、可快速調(diào)諧的多段式分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflective，DBR）激光器、基于電光效應(yīng)控制的外腔激光器等都可用［41－43］；而對(duì)于可調(diào)諧接收機(jī)，只需要在現(xiàn)有PON的探測(cè)器前增加TOF，可選的TOF有熱調(diào)諧法布里－珀羅腔濾波器、熱調(diào)諧薄膜濾波器、基于液晶的TOF等［44］，3.1節(jié)綜述的實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)基本都采用了這些成熟的技術(shù)。當(dāng)用于未來(lái)商用化TWDM－PON時(shí)，除了對(duì)性能指標(biāo)有要求外，還需要考慮成本、功耗、體積等問(wèn)題，從而，對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，甚至提出新的技術(shù)方法仍非常必要。最新的研究發(fā)展也正是基于這種需求展開的：一方面是對(duì)現(xiàn)有可調(diào)諧器件的改進(jìn)和性能提升；另一方面則是探索等效于可調(diào)諧的新的ONU實(shí)現(xiàn)方案。因此，這里也把ONU分為兩類進(jìn)行討論。由于可調(diào)諧接收部分的實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，以下不再涉及。

3.2.1 有光源 ONU

研究的重點(diǎn)集中在低功耗、高性能可調(diào)諧光發(fā)射機(jī)上，其中以垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical－Cavity Surface－Emitting Laser，VCSEL）為 代 表。Wong等人報(bào)道了一種短腔VCSEL，波長(zhǎng)在C波段，例如1 522.4～1 527.9nm［45］。采用10Gb／s直接調(diào)制時(shí)，整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)短腔VCSEL和調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的總功耗為0.095～0.11W，只有基于DFB發(fā)射模塊的約10%。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，在不使用色散補(bǔ)償和電域均衡的條件下，基于短腔VCSEL的TWDM－PON上行可以傳輸40km，支持1∶128的分光比（接收機(jī)靈敏－28.8dBm＠BER＝10－3）［46］。和基于 DFB的發(fā)射機(jī)比較，短腔 VCSEL發(fā)射機(jī)在各種工作模式下的節(jié)能效果都很明顯，計(jì)算表明，基于短腔VCSEL的ONU要比基于DFB的ONU節(jié)能84%。

另有人采用兩個(gè)可調(diào)諧VCSEL構(gòu)成陣列［47］，其中一個(gè)的調(diào)諧范圍是1 534.19～1 536.99nm，而另一個(gè)是1 537.36～1 540.15nm。在6nm的調(diào)諧范圍內(nèi)，按照50GHz間隔調(diào)諧可支持16個(gè)信道，整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的調(diào)諧功耗只有0.01W。采用這種發(fā)射機(jī)，調(diào)制速率為2.5Gb／s、1∶64分光時(shí)，可以傳輸20km（接收機(jī)靈敏－35dBm＠BER＝10－4）。

3.2.2 無(wú)光源 ONU

無(wú)光源ONU是在研究WDM－PON的過(guò)程中，為解決ONU無(wú)色化問(wèn)題而提出的一種技術(shù)方法，其基本原理是ONU本身不配置光源，上行調(diào)制的載波來(lái)自于OLT，可以有效降低ONU的成本。無(wú)光源ONU的具體實(shí)現(xiàn)可分為再調(diào)制和載波分發(fā)兩類，二者的基本原理如圖7所示。

圖7 無(wú)光源ONU的技術(shù)原理

載波分發(fā)是在OLT端通過(guò)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)（Remote Node，RN）向ONU發(fā)送一個(gè)與下行信號(hào)波長(zhǎng)不同、未調(diào)制任何信息的光載波，ONU接收到該光載波后調(diào)制上行信息，如圖7（a）所示。采用再調(diào)制時(shí)上行／下行傳輸只需要一個(gè)波長(zhǎng)，ONU接收到下行光信號(hào)后，其中一部分用于下行解調(diào)，而另一部分則作為上行載波，被反射式半導(dǎo)體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）重新調(diào)制，如圖7（b）所示。

再調(diào)制方式雙向傳輸使用一個(gè)波長(zhǎng)，可以節(jié)約帶寬資源，但傳輸性能會(huì)受到光纖中背向瑞利散射噪聲的限制［48］。為了避免瑞利散射噪聲的影響，Chow等人提出了一種基于頻率偏移的再調(diào)制方法［49］。在ONU 端，首先把上行的2.5Gb／s信號(hào)與頻率為10GHz的射頻信號(hào)混頻，然后再加載到雙平行馬赫－曾德爾調(diào)制器上，濾波后產(chǎn)生載波抑制單邊帶已調(diào)信號(hào)，同時(shí)，采用光學(xué)微環(huán)諧振腔濾出并解調(diào)下行差分移相鍵控信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，單波長(zhǎng)上行／下行速率為2.5Gb／s和10Gb／s時(shí)，傳輸20km的誤碼率小于10－9。Straullu等人報(bào)道了一種基于載波分發(fā)的無(wú)色ONU方案，ONU端上行發(fā)送為突發(fā)模式，OLT端采用相干接收［50］。OLT端配置波長(zhǎng)為1 550.92nm的激光器，其輸出功率一分為二，一部分經(jīng)ODN分發(fā)到ONU作為上行載波，另一部分則作為上行相干解調(diào)的本地載波。在ONU端，由反射式電吸收調(diào)制器與半導(dǎo)體光放大器結(jié)合構(gòu)成突發(fā)模式發(fā)射機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明上行速率為2.5Gb／s時(shí)，能夠達(dá)到NG－PON2的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

TWDM－PON被選為NG－PON2的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)后，NG－PON2的發(fā)展方向也隨之確定。本文在介紹TWDM－PON技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。雖然TWDM－PON涉及的主要技術(shù)都已成熟，并且實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)結(jié)果也能達(dá)到NG－PON2的技術(shù)指標(biāo)要求，但低成本ONU、靈活的網(wǎng)絡(luò)資源分配以及如何降低網(wǎng)絡(luò)功耗等問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究，才能最終把綠色、寬帶的接入體驗(yàn)帶給網(wǎng)絡(luò)用戶。

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