超密集波分復用無源光網絡技術

胡衛(wèi)生　鄭宏軍　羅清龍

超密集波分復用光接入網（UDWDM-PON）方案可以在C波段密排1 000個下行波長和1 000個上行波長，支持1 000個用戶。每個用戶獨立使用一對波長，可實現速率千兆并具有速率萬兆的潛力。使用分光器兼容現有光分配網，采用數字相干通信技術，功率預算將可超過43 dB。UDWDM-PON在用戶帶寬保證、容量匯聚能力、網絡覆蓋范圍等方面發(fā)展?jié)摿γ黠@。

超密集波分復用；無源光網絡；分光器；相干通信技術

A typical ultra-dense wavelength division multiplexed passive optical network （UDWDM-PON） can accommodate 1 000 pairs of upstream and downstream wavelengths for 1 000 access users. Each user uses a pair of wavelengths independently with one gigabit bandwidth and potentially ten gigabits itself. The system uses the same optical splitters as the legacy optical distribution network. The power budget can be greater than 43 dB by using the digital coherent optical communication technique. The UDWDM-PON has potential advantages in terms of guaranteed user bandwidth， aggregated capacity， and coverage distance.

ultra-dense wavelength division multiplexed； passive optical network； optical spliter； digital coherent communication

光進銅退開啟了光纖接入的新時代，寬帶接入迅速地提升至百兆水平并進入大規(guī)模部署階段。

寬帶是不斷發(fā)展和與時俱進的[1]，谷歌已開始計劃部署千兆寬帶入戶方案[2]，韓國等也將未來寬帶目標設定在千兆入戶。10年之后，用戶接入帶寬需求將達到千兆，保持與第5代移動通信（5G）并行發(fā)展的勢頭[3]。繼下一代無源光網絡第二階段（NG-PON2）之后，有人提出研究NG-PON第三階段計劃，其目標即劍指千兆入戶目標[4]。目前還缺少明確的NG-PON3演進的技術路線，或者說有幾種可能的技術思路。

1 接入網中的波分復用情況

相比于骨干網，光接入網使用的波段范圍最寬（超過300 nm），波分復用（WDM）情況最為復雜。其原因在于：光接入網是一個局域網絡，各局域網絡的波長可以重用；而骨干網是廣域網絡，波長路由具有廣域特征。光接入網一般不用光纖放大，放松了光波段的約束；而骨干網由于中繼而使用與光纖放大器增益譜相吻合的光波段。光接入網傳輸距離20 km左右，放松了光收發(fā)器件的要求；而骨干網則使用長距離傳輸的光收發(fā)器件。光接入網的首要約束在于成本，放松了激光器的穩(wěn)頻要求，甚至于采用布里-珀羅腔低成本激光器；而骨干網則使用密波分復用（DWDM）系統。光接入網是單纖雙向系統，上下行需使用不同波長或波段；而骨干網是雙纖雙向系統。因此，在光接入網會出現各種不同的波分復用情況。

接入網中WDM情況可分為4種：

（1）寬波分復用（WWDM）：波長間隔大于100～200 nm，常用于單纖雙向傳輸的上下行。

（2）粗波分復用：典型波長間隔20 nm，采用低成本光器件（如無冷分布式反饋激光器），波長數量少。

（3）密集波分復用（DWDM）：典型波長間隔0.8 nm，采用無色化光器件，如反射型半導體光放大器（RSOA）、反射型電吸收調制器（REAM）、可調諧激光器，波長數量16～64。

（4）超密集波分復用（UDWDM）：波長間隔0.024～0.1 nm，采用相干檢測，波長數可達1 000之多，后者是本文的中心內容。

光接入中的波分復用情況如圖1所示。圖1顯示出超密波分復用無源光網絡方案（UDWDM-PON）是演進的未來方向之一。

至此，有必要回顧一下業(yè)界對于光通信6個波段的劃分，具體如表1所示。光通信的6個波段劃分簡述如下：

（1）O帶（Original band原始波段）：波長范圍1 260～1 360 nm，頻率范圍237.9～220.4 THz。

（2）E帶（Extended band擴展波段）：波長范圍1 360～1 460 nm，頻率范圍220.4～205.3 THz。

（3）S帶（Short wavelength band短波段）：波長范圍1 460～1 530 nm，頻率范圍205.3～195.9 THz。

（4）C帶（Conventional band常規(guī)波段）：波長范圍1 530～1 565 nm，頻率范圍195.9～191.6 THz。

（5）L帶（Longer wavelength band長波段）：波長范圍1 565～1 625 nm，頻率范圍191.6～184.5 THz。

（6）U帶（Ultralong wavelength band超長波長波段）：波長范圍1 625～1 675 nm，頻率范圍184.5～179.0 THz。

基于盡可能降低成本的考慮，早期以太網無源光網絡（EPON）和千兆比無源光網絡（GPON）定義的波長范圍劃分得都很寬松，分別是下行1 480～1 500 nm （1 490±10）和上行1 260～1 360 nm（1 310±50），分處O波段和S波段，如同在道路上沒有細劃車道。當時還安排了模擬數字電視（CATV）的廣播波長1 550 nm，兼顧模擬信道性能衰減快和需要光放大而處于光纖放大器增益窗口內。endprint

2009年前后，考慮到EPON和GPON升級到10 GHz速率，兼顧到各種無源光網絡（PON）共存，避免系統升級過程中對現有用戶的業(yè)務造成影響，將EPON和GPON的波長收窄，即上行1 290～1 330 nm （1 310±20）。而萬兆級XGPON采用上行1 260～

1 280 nm，下行1 575～1 580 nm（標稱波長1 577 nm）。

2013年前后，TWDM-PON被全業(yè)務接入網（FSAN）和ITU-T組織接納為NG-PON2的標準方案，被視為是XGPON的堆疊，采用DWDM，上行暫時定為C波段短波長段（如1 528～1 535 nm），上行暫時定為L波段長波長段（如1 596～1 604 nm）。

由此，接入網日益表現出多波長系統（MW-PON）的特征，具有多個光線路終端（OLT）和多個光網絡單元（ONU）通信的機制，并同時保留了多個ONU共享一對波長的優(yōu)勢，其難點在于系統結構的設計、波長的分配和管理、ONU激活與遷移等方面。

2 超密集波分復用接入網

2010年前后FSAN發(fā)布了NG-PON2白皮書，當時業(yè)界提出了幾種可能的候選方案：40G時分復用無源光網絡（TDM-PON）、TWDM-PON、正交頻分復用無源光網絡（OFDM-PON）、WDM-PON、UDWDM-PON等，綜合考慮升級成本和兼容性之后，國際標準組織選擇了TWDM-PON作為標準方案，其他方案不妨作為NG-PON3目標[5]，以下主要介紹UDWDM-PON。

2.1 結構與特征

諾西網絡（NSN）提出的UDWDM-PON方案最具有代表性，結構如圖2所示[6-7]。C波段復用的波長數量高達1 000個，頻率的間隔只有3 GHz，每用戶上下行一對波長用對稱帶寬1 Gbit/s。采用相干檢測，功率預算達43 dB，可以支持無源距離100 km。支持現有光分配網（分光器而不是陣列波導光柵）、與GPON/XGPON和射頻電視信號共存，光譜靈活可變?？蓱糜谧≌瑓^(qū)（波長分開）、商務區(qū)（波長綁定）和移動回傳。

2.2 工作原理

由于波長間隔只有3 GHz，由此帶來了兩個問題，NSN提出了相應的解決方案[6-7]。其一，如何產生密集多波長信號？NSN科學家提出的獨特方案是光傳輸組（OTG），如圖3所示。工作原理：一個種子激光器經過邊帶調制產生10個間隔為3 GHz的激光輸出，如果種子激光器的波長發(fā)生漂移，則該組10個激光輸出同時發(fā)生漂移，保持3 GHz間隔不變。各相鄰OTG之間留有一定的保護帶，使得種子激光器的漂移不至于影響到相鄰激光輸出的交疊。該方案的好處是減少了激光器的數量，便于模塊化擴展升級，符合接入網低成本要求。其二，一般解復用器或光濾波器很難滿足超密集波長的分離，采用相干檢測可以同時提取信號波長及其信號，但是，相干檢測需要本振激光器，這會增加接入網成本。NSN科學家提出的獨特方案是成對通道方法，如圖3所示。工作原理：以下行為例，ONU為了提取信號波長及其信號，采用與該波長偏置1 GHz的上行激光器，它既作為本振激光，也作為上行光載波，一個激光器同時完成了兩個功能，降低了成本，符合接入網低成本的要求。

2.3 光電集成設想

UDWDM-PON在接入網中的可行性，取決于光子集成和電信號處理，如圖4所示[7-11]。光子集成有助于降低成本和器件大小，電信號處理有助于消除傳輸和系統的信號損傷。

OLT側的光子集成中，每一個種子激光器通過邊帶調制產生一套調制波長，數量n，如果有m個種子激光器，則可以提供m×n個通道，便于模塊化擴展。接收時，種子激光用于一組上行波長的本振。在數據速率1 Gbit/s和通道間隔1 GHz時，需要采用高階調制方案，如差分正交相移鍵控（DQPSK），包括前向糾錯碼（FEC）開銷，符號速率為633 MBaud。

ONU側的光子集成中，包括外腔可調諧激光器（ECL），它既作為上行發(fā)射，也作為本振。上行波長相于對下行波長偏置1 GHz。上行信號直接調制，而下行用它作為外差接收的本振，頻率差1 GHz，不需要鎖相環(huán)來穩(wěn)定下行波長和本振波長，允許頻偏±50 MHz，即信號和本振頻率范圍950～1 050 MHz，否則要重調本振，這有利于降低本振控制環(huán)路的要求。偏振分集接收和上行調制都集成進來。

2.4 傳輸損傷

傳輸損傷包括線性和非線性畸變[12-14]。

線性畸變如色散與偏振模色散，在633 MBaud和100 km光纖傳輸時并不嚴重，如果未來升級到5 GBaud或10 GBaud，線性畸變會嚴重起來，不過，相干檢測和電信號處理可以消除該線性畸變。

非線性畸變如四波混頻（FWM）等起主要作用。注意的是非線性畸變與功率有關，只有在OLT和第一個分光器之間全部都是上下行激光共纖傳輸情況下，非線性最為嚴重。而在第一個分光器之后至ONU之間，光纖中的激光功率不是最高的，非線性不甚嚴重。

2.5 兼容與升級

采用相干通信技術，功率預算超過43 dB或達到48.6 dB[15]，使用分光器兼容現有光分配網，可以與EPON、GPON等共存。由于在UDWDM-PON中采用了OTG組的方法，可以通過增加OTG組的方法逐步增加帶寬，從而使得UDWDM-PON在升級時更能體現“按需增長”的優(yōu)勢。因此，UDWDM-PON在用戶帶寬保證、容量匯聚能力、網絡覆蓋范圍等方面顯示出優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結束語

本文介紹了UDWDM-PON的方案、結構、原理、集成設想、升級方式等，從中可以看出，NSN提出的UDWDM-PON可以在C波段密集排到1 000個下行波長和1 000個上行波長，支持1 000個用戶，每個用戶獨立使用一對波長，速率千兆并具有每個用戶接入帶寬10 Gbit/s的潛力。使用分光器兼容現有光分配網，采用相干通信技術功率預算超過43 dB。因此，UDWDM-PON在用戶帶寬保證、容量匯聚能力、網絡覆蓋范圍等方面具有發(fā)展?jié)摿?。endprint

2009年前后，考慮到EPON和GPON升級到10 GHz速率，兼顧到各種無源光網絡（PON）共存，避免系統升級過程中對現有用戶的業(yè)務造成影響，將EPON和GPON的波長收窄，即上行1 290～1 330 nm （1 310±20）。而萬兆級XGPON采用上行1 260～

1 280 nm，下行1 575～1 580 nm（標稱波長1 577 nm）。

2013年前后，TWDM-PON被全業(yè)務接入網（FSAN）和ITU-T組織接納為NG-PON2的標準方案，被視為是XGPON的堆疊，采用DWDM，上行暫時定為C波段短波長段（如1 528～1 535 nm），上行暫時定為L波段長波長段（如1 596～1 604 nm）。

由此，接入網日益表現出多波長系統（MW-PON）的特征，具有多個光線路終端（OLT）和多個光網絡單元（ONU）通信的機制，并同時保留了多個ONU共享一對波長的優(yōu)勢，其難點在于系統結構的設計、波長的分配和管理、ONU激活與遷移等方面。

2 超密集波分復用接入網

2010年前后FSAN發(fā)布了NG-PON2白皮書，當時業(yè)界提出了幾種可能的候選方案：40G時分復用無源光網絡（TDM-PON）、TWDM-PON、正交頻分復用無源光網絡（OFDM-PON）、WDM-PON、UDWDM-PON等，綜合考慮升級成本和兼容性之后，國際標準組織選擇了TWDM-PON作為標準方案，其他方案不妨作為NG-PON3目標[5]，以下主要介紹UDWDM-PON。

2.1 結構與特征

諾西網絡（NSN）提出的UDWDM-PON方案最具有代表性，結構如圖2所示[6-7]。C波段復用的波長數量高達1 000個，頻率的間隔只有3 GHz，每用戶上下行一對波長用對稱帶寬1 Gbit/s。采用相干檢測，功率預算達43 dB，可以支持無源距離100 km。支持現有光分配網（分光器而不是陣列波導光柵）、與GPON/XGPON和射頻電視信號共存，光譜靈活可變?？蓱糜谧≌瑓^(qū)（波長分開）、商務區(qū)（波長綁定）和移動回傳。

2.2 工作原理

由于波長間隔只有3 GHz，由此帶來了兩個問題，NSN提出了相應的解決方案[6-7]。其一，如何產生密集多波長信號？NSN科學家提出的獨特方案是光傳輸組（OTG），如圖3所示。工作原理：一個種子激光器經過邊帶調制產生10個間隔為3 GHz的激光輸出，如果種子激光器的波長發(fā)生漂移，則該組10個激光輸出同時發(fā)生漂移，保持3 GHz間隔不變。各相鄰OTG之間留有一定的保護帶，使得種子激光器的漂移不至于影響到相鄰激光輸出的交疊。該方案的好處是減少了激光器的數量，便于模塊化擴展升級，符合接入網低成本要求。其二，一般解復用器或光濾波器很難滿足超密集波長的分離，采用相干檢測可以同時提取信號波長及其信號，但是，相干檢測需要本振激光器，這會增加接入網成本。NSN科學家提出的獨特方案是成對通道方法，如圖3所示。工作原理：以下行為例，ONU為了提取信號波長及其信號，采用與該波長偏置1 GHz的上行激光器，它既作為本振激光，也作為上行光載波，一個激光器同時完成了兩個功能，降低了成本，符合接入網低成本的要求。

2.3 光電集成設想

UDWDM-PON在接入網中的可行性，取決于光子集成和電信號處理，如圖4所示[7-11]。光子集成有助于降低成本和器件大小，電信號處理有助于消除傳輸和系統的信號損傷。

OLT側的光子集成中，每一個種子激光器通過邊帶調制產生一套調制波長，數量n，如果有m個種子激光器，則可以提供m×n個通道，便于模塊化擴展。接收時，種子激光用于一組上行波長的本振。在數據速率1 Gbit/s和通道間隔1 GHz時，需要采用高階調制方案，如差分正交相移鍵控（DQPSK），包括前向糾錯碼（FEC）開銷，符號速率為633 MBaud。

ONU側的光子集成中，包括外腔可調諧激光器（ECL），它既作為上行發(fā)射，也作為本振。上行波長相于對下行波長偏置1 GHz。上行信號直接調制，而下行用它作為外差接收的本振，頻率差1 GHz，不需要鎖相環(huán)來穩(wěn)定下行波長和本振波長，允許頻偏±50 MHz，即信號和本振頻率范圍950～1 050 MHz，否則要重調本振，這有利于降低本振控制環(huán)路的要求。偏振分集接收和上行調制都集成進來。

2.4 傳輸損傷

傳輸損傷包括線性和非線性畸變[12-14]。

線性畸變如色散與偏振模色散，在633 MBaud和100 km光纖傳輸時并不嚴重，如果未來升級到5 GBaud或10 GBaud，線性畸變會嚴重起來，不過，相干檢測和電信號處理可以消除該線性畸變。

非線性畸變如四波混頻（FWM）等起主要作用。注意的是非線性畸變與功率有關，只有在OLT和第一個分光器之間全部都是上下行激光共纖傳輸情況下，非線性最為嚴重。而在第一個分光器之后至ONU之間，光纖中的激光功率不是最高的，非線性不甚嚴重。

2.5 兼容與升級

采用相干通信技術，功率預算超過43 dB或達到48.6 dB[15]，使用分光器兼容現有光分配網，可以與EPON、GPON等共存。由于在UDWDM-PON中采用了OTG組的方法，可以通過增加OTG組的方法逐步增加帶寬，從而使得UDWDM-PON在升級時更能體現“按需增長”的優(yōu)勢。因此，UDWDM-PON在用戶帶寬保證、容量匯聚能力、網絡覆蓋范圍等方面顯示出優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結束語

本文介紹了UDWDM-PON的方案、結構、原理、集成設想、升級方式等，從中可以看出，NSN提出的UDWDM-PON可以在C波段密集排到1 000個下行波長和1 000個上行波長，支持1 000個用戶，每個用戶獨立使用一對波長，速率千兆并具有每個用戶接入帶寬10 Gbit/s的潛力。使用分光器兼容現有光分配網，采用相干通信技術功率預算超過43 dB。因此，UDWDM-PON在用戶帶寬保證、容量匯聚能力、網絡覆蓋范圍等方面具有發(fā)展?jié)摿Αndprint

2009年前后，考慮到EPON和GPON升級到10 GHz速率，兼顧到各種無源光網絡（PON）共存，避免系統升級過程中對現有用戶的業(yè)務造成影響，將EPON和GPON的波長收窄，即上行1 290～1 330 nm （1 310±20）。而萬兆級XGPON采用上行1 260～

1 280 nm，下行1 575～1 580 nm（標稱波長1 577 nm）。

2013年前后，TWDM-PON被全業(yè)務接入網（FSAN）和ITU-T組織接納為NG-PON2的標準方案，被視為是XGPON的堆疊，采用DWDM，上行暫時定為C波段短波長段（如1 528～1 535 nm），上行暫時定為L波段長波長段（如1 596～1 604 nm）。

由此，接入網日益表現出多波長系統（MW-PON）的特征，具有多個光線路終端（OLT）和多個光網絡單元（ONU）通信的機制，并同時保留了多個ONU共享一對波長的優(yōu)勢，其難點在于系統結構的設計、波長的分配和管理、ONU激活與遷移等方面。

2 超密集波分復用接入網

2010年前后FSAN發(fā)布了NG-PON2白皮書，當時業(yè)界提出了幾種可能的候選方案：40G時分復用無源光網絡（TDM-PON）、TWDM-PON、正交頻分復用無源光網絡（OFDM-PON）、WDM-PON、UDWDM-PON等，綜合考慮升級成本和兼容性之后，國際標準組織選擇了TWDM-PON作為標準方案，其他方案不妨作為NG-PON3目標[5]，以下主要介紹UDWDM-PON。

2.1 結構與特征

諾西網絡（NSN）提出的UDWDM-PON方案最具有代表性，結構如圖2所示[6-7]。C波段復用的波長數量高達1 000個，頻率的間隔只有3 GHz，每用戶上下行一對波長用對稱帶寬1 Gbit/s。采用相干檢測，功率預算達43 dB，可以支持無源距離100 km。支持現有光分配網（分光器而不是陣列波導光柵）、與GPON/XGPON和射頻電視信號共存，光譜靈活可變?？蓱糜谧≌瑓^(qū)（波長分開）、商務區(qū)（波長綁定）和移動回傳。

2.2 工作原理

由于波長間隔只有3 GHz，由此帶來了兩個問題，NSN提出了相應的解決方案[6-7]。其一，如何產生密集多波長信號？NSN科學家提出的獨特方案是光傳輸組（OTG），如圖3所示。工作原理：一個種子激光器經過邊帶調制產生10個間隔為3 GHz的激光輸出，如果種子激光器的波長發(fā)生漂移，則該組10個激光輸出同時發(fā)生漂移，保持3 GHz間隔不變。各相鄰OTG之間留有一定的保護帶，使得種子激光器的漂移不至于影響到相鄰激光輸出的交疊。該方案的好處是減少了激光器的數量，便于模塊化擴展升級，符合接入網低成本要求。其二，一般解復用器或光濾波器很難滿足超密集波長的分離，采用相干檢測可以同時提取信號波長及其信號，但是，相干檢測需要本振激光器，這會增加接入網成本。NSN科學家提出的獨特方案是成對通道方法，如圖3所示。工作原理：以下行為例，ONU為了提取信號波長及其信號，采用與該波長偏置1 GHz的上行激光器，它既作為本振激光，也作為上行光載波，一個激光器同時完成了兩個功能，降低了成本，符合接入網低成本的要求。

2.3 光電集成設想

UDWDM-PON在接入網中的可行性，取決于光子集成和電信號處理，如圖4所示[7-11]。光子集成有助于降低成本和器件大小，電信號處理有助于消除傳輸和系統的信號損傷。

OLT側的光子集成中，每一個種子激光器通過邊帶調制產生一套調制波長，數量n，如果有m個種子激光器，則可以提供m×n個通道，便于模塊化擴展。接收時，種子激光用于一組上行波長的本振。在數據速率1 Gbit/s和通道間隔1 GHz時，需要采用高階調制方案，如差分正交相移鍵控（DQPSK），包括前向糾錯碼（FEC）開銷，符號速率為633 MBaud。

ONU側的光子集成中，包括外腔可調諧激光器（ECL），它既作為上行發(fā)射，也作為本振。上行波長相于對下行波長偏置1 GHz。上行信號直接調制，而下行用它作為外差接收的本振，頻率差1 GHz，不需要鎖相環(huán)來穩(wěn)定下行波長和本振波長，允許頻偏±50 MHz，即信號和本振頻率范圍950～1 050 MHz，否則要重調本振，這有利于降低本振控制環(huán)路的要求。偏振分集接收和上行調制都集成進來。

2.4 傳輸損傷

傳輸損傷包括線性和非線性畸變[12-14]。

線性畸變如色散與偏振模色散，在633 MBaud和100 km光纖傳輸時并不嚴重，如果未來升級到5 GBaud或10 GBaud，線性畸變會嚴重起來，不過，相干檢測和電信號處理可以消除該線性畸變。

非線性畸變如四波混頻（FWM）等起主要作用。注意的是非線性畸變與功率有關，只有在OLT和第一個分光器之間全部都是上下行激光共纖傳輸情況下，非線性最為嚴重。而在第一個分光器之后至ONU之間，光纖中的激光功率不是最高的，非線性不甚嚴重。

2.5 兼容與升級

采用相干通信技術，功率預算超過43 dB或達到48.6 dB[15]，使用分光器兼容現有光分配網，可以與EPON、GPON等共存。由于在UDWDM-PON中采用了OTG組的方法，可以通過增加OTG組的方法逐步增加帶寬，從而使得UDWDM-PON在升級時更能體現“按需增長”的優(yōu)勢。因此，UDWDM-PON在用戶帶寬保證、容量匯聚能力、網絡覆蓋范圍等方面顯示出優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結束語

本文介紹了UDWDM-PON的方案、結構、原理、集成設想、升級方式等，從中可以看出，NSN提出的UDWDM-PON可以在C波段密集排到1 000個下行波長和1 000個上行波長，支持1 000個用戶，每個用戶獨立使用一對波長，速率千兆并具有每個用戶接入帶寬10 Gbit/s的潛力。使用分光器兼容現有光分配網，采用相干通信技術功率預算超過43 dB。因此，UDWDM-PON在用戶帶寬保證、容量匯聚能力、網絡覆蓋范圍等方面具有發(fā)展?jié)摿?。endprint