0　引言

无源光网络(Passive Optical Network，PON)因其低成本的特性，获得了运营商广泛的青睐。目前，单波长10、25和50 Gbit/s的PON技术方案主要都是基于O波段的强度调制/直接检测(Intensity Modulation and Direct Detection，IM/DD)架构。随着相干光模块在骨干网和城域网中的大规模应用，相干光接收技术正逐步下沉到数据中心等短距离光纤传输网络中。在2019年到2021年连续3届美国光通信大会(Optical Fiber Communications Conference and Exhibition，OFC)上，学术界和产业界都针对相干PON技术作了专题讨论。为了进一步提升接入速率，中国通信标准化协会(China Communications Standards Association，CCSA)已立项“相干技术及器件在后50 Gbit/s PON时代的应用分析”研究课题，国际电信联盟(ITU，International Telecommunications Union)已立项G.SUP.VHSP标准，均旨在探索超100 Gbit/s PON系统的技术路线。相干光接收技术可以探测多维度(幅度、相位、偏振)调制信号，在不增加器件带宽的条件下可以极大提升信号的接入速率。在相干光接收过程中，本振光和信号光通过拍频的方式对信号光进行放大，可以进一步提升系统的接收灵敏度。相干光接收技术可以得到光场的全部信息，这意味着光纤色散和非线性畸变等链路损伤可以通过数字信号处理技术来进行补偿。因此，相干光接入系统可以工作在C波段，以缓解当前频谱资源的紧张状况。同时也可以利用已经成熟的C波段光电器件，对系统成本进行控制，并具有易于维护和升级的优点。相比于IM/DD的架构，传统相干光接收架构需要更多的光电器件来实现多维度信号的探测，这极大地增加了光接入网的成本。在客户端，一个完整的相干光模块所引起的成本增加是单个用户所难以承受的，因此对传统相干光接收架构进行简化并减少光电器件的数量，降低客户端下行光信号探测和上行光信号发射的成本也成为了本领域重要的研究方向。

1　超100 Gbit/s PON系统需求

从千兆无源光网络(Gigabit Passive Optical Network，GPON)到万兆无源光网络(10 Gigabit Passive Optical Network，XGPON)再到50 Gbit/s PON，PON系统均采用的是单波长传输，且通道速率以接近4倍的因子倍增。我们预估50 Gbit/s PON之后的下一代PON系统将仍然采用单波长传输，但是其速率将提升至200 Gbit/s左右，以上方案将会对运营商具有较大的吸引力。然而速率的倍增给PON系统的物理层设计带来了更大的挑战。IM/DD架构难以持续满足200 Gbit/s PON系统对Class C＋等级功率预算的要求^[1-2]，而相干PON因其优异的灵敏度被认为是下一代单波长200 Gbit/s PON系统的首选技术^[3-4]。如表1所示，基于IM/DD架构的半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)＋光电二极管(Positive Intrinsic-Negative，PIN)接收方案在200 Gbit/s速率下灵敏度仅为－16 dBm。在不考虑色散代价的前提下，发射端需要提供16 dBm以上的出光功率才能够实现Class C＋等级功率预算(32 dB)，这对激光器而言无疑是非常困难的。而相干方案在200 Gbit/s速率下的灵敏度可以达到－32 dBm左右，明显优于IM/DD方案。此外，相干PON方案还支持数字色散补偿，因此可以使用衰减系数更低的C波段来进行传输，这点进一步体现了相干PON方案的优势。

2　超100 Gbit/s PON MAC接口设计

针对单波长200 Gbit/s PON系统设计需求，一种可行的PON媒体访问控制(Media Access Control，MAC)接口设计方案产生，其是在Host侧采用4×50 Gbit/s的不归零(Non-Return to Zero，NRZ)接口。对应地，光模块采用50 GBaud 双偏振(Dual-Polarization, DP)－正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)调制码型来实现200 Gbit/s速率的信号发送，如图1所示。该方案的优势是完全兼容现有的相干光模块发射方案，包括4通道的限幅驱动器和DP－同相正交(In-phase and Quadrature，IQ)调制器。在传输汇聚(Transmission Convergence，TC)层，PON MAC芯片继续沿用时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)设计方案，通过TDM方式实现上行多用户接入。

图 1. 基于50 GBaud DP-QPSK码型的200 Gbit/s相干PON MAC接口

Fig. 1. 200 Gbit/s coherent PON MAC interface based on 50 GBaud DP-QPSK modulation

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一种较新的思路是采用子载波复用(Sub-Carrier Multiplexing，SCM)或者正交频分复用(Orthogonal-Frequency-Division Multiplexing，OFDM)TC层方案，该方案的优势是可以采用新的复用维度，如子载波维度，对上行数据进行调度。但是如果采用SCM/OFDM方案，那么PON MAC需要进一步完成相关的编解码转化^[5-6]，光模块在Host侧从数字接口转换为模拟接口，即采用高速数/模转换器(Digital to Analog Convertor，DAC)接口，如图2所示。对于光模块而言，驱动器需要具备高度线性的放大能力。此外，对于模拟信号接口，从PON MAC芯片到驱动器芯片之间的电路损耗对高频传输设计提出了更严苛的要求，将会对系统架构产生较大影响。例如，PON MAC芯片将可能采用板上高速互联技术与线性驱动器进行连接，而避免采用光模块金手指。

图 2. 基于SCM/OFDM码型的200 Gbit/s 相干PON MAC接口

Fig. 2. 200 Gbit/s coherent PON MAC interface based on SCM/OFDM modulation

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3　相干PON光模块Bi-Di和突发开关技术

相干PON光模块区别于传统相干光模块的显著特征包括：支持单纤双向(Bi-Di)和支持突发功能。如图3所示，相干PON系统需要两个不同波长的光源分别来承载上/下行光信号，以实现Bi-Di传输。在相干PON光模块内部，两个不同波长的激光器分别用于上/下行相干调制与检测。由于超100 Gbit/s PON系统仅要求单波长传输，因此激光器不再需要支持多波长可调谐，即采用固定波长，这在一定程度上可以大幅降低激光器的成本。

图 3. 相干PON Bi-Di光模块架构框图

Fig. 3. Block diagram of Bi-Di optical module architecture for coherent PON

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针对TDM-PON系统中的突发要求，光网络单元(Optical Network Unit，ONU)需要在非授权时隙关闭光源，以避免对其他ONU造成干扰。如果ONU光模块在发送端采用马赫－增德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator, MZM)调制方式，有几种方式可以实现快速断光：(1) 关闭激光器电流。该方式实现简单，但是会造成一定的波长抖动，从而影响突发相干接收机性能。(2) 在MZM后端集成光开关。该方式不会造成激光器的波长抖动，光开关关闭之后能够完全抑制ONU出光，缺点是需要实现调制器和光开关的单片集成，如图4所示。考虑到PON系统的点对多点(Point to Multi-Point, P2MP)特性，ONU侧可以进一步考虑采用简化相干PON的发射方案以降低成本，例如，采用单个或一对MZM，将其与光开关进行单片集成的突发控制方案同样适用。综合来看，考虑到相干系统对波长/频率的稳定性要求，调制器与光开关的集成将是一种较优的解决方案。

图 4. 相干PON光模块的突发发射架构示意框图

Fig. 4. Schematic block diagram of burst transmission architecture for coherent PON optical modules

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4　相干PON系统多用户上行波长控制技术

针对超100 Gbit/s PON系统中上行 P2MP突发接收需求，如果采用传统的相干波长控制方案，即在光线路终端(Optical Line Terminal, OLT)进行频差估算，然后调整OLT的本振光源波长使其与ONU发送端的光载波波长保持一致，那么需要频繁地调整OLT本振光源波长，因此难以适用于突发接收的需求。需要从系统层面进行突破，将差异性的各ONU光载波波长全部调整至与OLT的本振光源波长一致。一种可行的路径是在ONU上线注册期间，通过多次的握手机制将该ONU光载波波长对齐至OLT的本振光源波长，如图5所示。

图 5. 基于注册握手机制的相干 PON系统波长管理策略

Fig. 5. Wavelength management strategy for coherent PON systems based on a registered handshake mechanism

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另一种可行的路径是在频谱中预留独立的管理通道。管理通道不承载业务数据，仅负责波长和其他管理功能，可以跟业务通道的数据流并行处理。该方案的优势在于可以避免大量的通信握手时间，不会造成较大的业务传输时延。如图6所示，可以通过SCM方式将基带的子载波(Sub-Carrier, SC)预留为管理通道，而其他SC则为业务通道。该方案的劣势在于开辟独立的管理通道意味着复杂度的增加和频谱利用率的下降，因为基带的SC不再传输业务数据，并且SCM调制需要采用线性驱动器和高分辨率的DAC。

图 6. 基于管理通道的相干PON系统波长管理策略

Fig. 6. Wavelength management strategy for coherent PON systems based on the management channels

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5　结束语

相干技术在下一代超100 Gbit/s PON系统中将发挥核心作用，同时单波长200 Gbit/s的速率对运营商拥有更大的吸引力。然而，当前阶段对超100 Gbit/s PON的系统性研究尚不充分，需要深入研究Bi-Di传输、快速突发响应、多波长管理以及多维度复用等关键技术。本文系统地提出了针对上述方面的解决方案，包括超100 Gbit/s PON系统中的PON MAC接口与相干PON光模块的设计思路以及针对P2MP系统的上行波长控制策略等，这些创新性解决方案将为超100 Gbit/s PON系统的实现提供技术方向的指导。