25 Gbit/s無源光網(wǎng)絡技術進展和實驗研究

耿丹，郭勇，印永嘉，馬壯，張偉良

（中興通訊股份有限公司，上海 201203）

25 Gbit/s無源光網(wǎng)絡技術進展和實驗研究

耿丹，郭勇，印永嘉，馬壯，張偉良

（中興通訊股份有限公司，上海 201203）

高清視頻、虛擬現(xiàn)實等新業(yè)務的產生以及PON傳輸5G移動前傳和回傳信號的需求，要求PON能支持單波超過10 Gbit/s速率的傳輸。當線路速率超出10 Gbit/s時，色散和功率預算成為限制系統(tǒng)性能的主要因素。介紹了25 Gbit/s PON系統(tǒng)的研究進展和存在的問題，并對采用基于零色散附近的25 Gbit/s速率的EML、分別基于25 Gbit/s和10 Gbit/s速率的APD接收機進行了實驗研究。實驗結果表明，采用25 Gbit/s速率的APD，EML的發(fā)射光功率設置為+5 dBm，在沒有光放大器的情況下，可以達到10 Gbit/s對稱的吉比特無源光網(wǎng)絡的32 dBm的N2級別的光功率預算。

無源光網(wǎng)絡；25 Gbit/s；光雙二進制；脈沖幅度調制；電雙二進制

1 引言

隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，可以利用網(wǎng)絡傳輸大量的語音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務，因此對帶寬的要求不斷提高，無源光網(wǎng)絡（passive optical network，PON）就是在這種需求下產生的，PON系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示[1]，PON系統(tǒng)通常由局側的光線路終端 （optical line terminal，OLT）、用戶側的光網(wǎng)絡單元（optical network unit，ONU）和光分配網(wǎng)絡（optical distribution network，ODN）組成，通常采用點到多點的網(wǎng)絡結構。ODN由單模光纖和光分路器、光連接器等無源光器件組成，為OLT和ONU之間的物理連接提供光傳輸媒質。

圖1 PON系統(tǒng)的拓撲結構

目前，PON的單波長傳輸速率為1.25 Gbit/s、2.5 Gbit/s、10 Gbit/s。隨著高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等新業(yè)務的產生以及希望通過PON傳輸4G和5G移動前傳和回傳信號，要求PON能支持單波更高速率的傳輸。在數(shù)據(jù)中心技術中，25 Gbit/s速率的光器件和電器件的應用日益成熟，使得單波長25 Gbit/s的速率選擇成為研究熱點。在2016年1月，IEEE立項研究25 Gbit/s/50 Gbit/s/100 Gbit/s PON，其中 25 Gbit/s PON是通過單波長 25 Gbit/s PON實現(xiàn)，50 Gbit/s PON通過兩個單波長 25 Gbit/s波分復用后實現(xiàn)，100 Gbit/s PON通過4個單波長25 Gbit/s波分復用后實現(xiàn)。2016年9月，ITU-T Q2也立項超10 Gbit/s速率的PON技術白皮書，其中主要研究的單波長速率為25 Gbit/s。

2 25 Gbit/s傳輸?shù)闹饕夹g挑戰(zhàn)和研究進展

圖2 光雙二進制編碼實驗設置

圖3 電雙二進制編碼實驗設置

當線路速率超出10 Gbit/s時，色散和功率預算等技術需要研究。當單波長速率達到25 Gbit/s時，如果光信號承載在C帶波長（中波長帶）或者L帶波長（長波長帶），由于C帶和L帶波長的色散效應，傳統(tǒng)PON系統(tǒng)中的NRZ（non-return to zero，不歸零碼）調制的25 Gbit/s速率的光信號在光纖中傳輸20 km后，信號在光纖中會產生信號間干擾，信號的光信噪比下降，信號質量劣化，導致接收方的誤碼率較大。因此需要考慮將25 Gbit/s的光信號承載在S帶波長（短波長帶），因為S帶波長位于光纖的零色散位置附近，可以減少色散效應導致的光信號質量劣化的影響。另一種減少色散效應的方法是采用其他的調制方式，例如光雙二進制 （optical duo-binary，ODB）、PAM4（pulse amplitude modulation，脈幅調制）、電雙二進制（electronic duo-binary，EDB)。

2.1 光雙二進制

光雙二進制編碼的實驗設置如圖2所示[1]，其中 AMP（amplifier）為放大器，MZM為馬赫曾德調制器，APD（avalanche photo-diode）為基于雪崩光電二極管的一種半導體光檢測器。發(fā)送方將雙二進制數(shù)據(jù)利用放大器放大后，通過MZM調制到激光器上在光纖中傳輸后，經(jīng)過分光器后到達接收方的光檢測器，然后轉變成雙二進制數(shù)據(jù)。采用光雙二進制的調制方式可以克服高速率信號傳輸時光纖中的色散效應，但是光雙二進制需要MZM將雙二進制數(shù)據(jù)調制到激光器上，MZM的引入增加了PON系統(tǒng)的插入損耗和系統(tǒng)成本。

2.2 電雙二進制

電雙二進制編碼的實驗設置如圖 3所示[2]，發(fā)送方將數(shù)據(jù)經(jīng)過FEC編碼和雙二進制預編碼，通過AMP放大后經(jīng)過直接調制激光器（directly-modulated laser，DML）或者外腔調制激光器（externally modulated laser，EML）發(fā)送到光纖中，然后在接收方由光接收機APD接收，并進行光電轉換，轉換的信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉換器（analog-digital conversion，ADC），然后經(jīng)過同步、NRZ解調和FEC解碼后得到恢復的數(shù)據(jù)。電雙二進制可以采用10 Gbit/s速率的光發(fā)送機發(fā)送25 Gbit/s速率的光信號，從而減少光器件的成本，但是電雙二進制的接收靈敏度性能較以往的NRZ的接收靈敏度性能劣化幾個dB。

2.3NRZ或者PAM4

基于PAM4或者NRZ編碼的實驗設置如圖4所示[3]，數(shù)據(jù)經(jīng)過FEC編碼后，再經(jīng)過NRZ或者PAM4編碼，通過過采樣后進行脈沖整形，然后通過數(shù)字模擬轉換器（digital-analog conversion,DAC）進行數(shù)模轉換，信號通過放大器放大后，通過直調激光器或者外腔調制激光器發(fā)送到光纖中。光信號通過光纖和分光器后由APD接收，再經(jīng)過ADC進行模數(shù)轉換，轉換后的信號經(jīng)過重采樣、時鐘恢復、均衡和FEC解碼后得到恢復的數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)的NRZ編碼，增加了DAC、ADC、均衡、過采樣、重采樣等技術，這可以克服色散導致的信號劣化，并且增加了帶寬效率，但是由于需要使用高速DAC、ADC和數(shù)字信號處理，增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，并且需要考慮簡化DSP的實施來降低功耗。

除了上述調制技術外，還可以在接收方的接收機側增加電色散補償模塊，或者在光纖光路中增加色散補償光纖等技術，但是這些都會增加系統(tǒng)的損耗和成本。25 Gbit/s速率的 PON除了色散問題需要解決之外，功率預算也是一個要克服的問題。當接收機接收光信號的線路速率從10 Gbit/s增加到25 Gbit/s，接收機的接收靈敏度劣化4 dB，25 Gbit/s速率的PON如果需要和現(xiàn)有的10 Gbit/s速率的PON在相同的ODN共存時，需要25 Gbit/s速率的PON和10 Gbit/s速率的PON具有相同的光功率預算，這要求在25 Gbit/s速率的PON系統(tǒng)中，提高光發(fā)射機的發(fā)射功率或者接收機的靈敏度，可以通過在發(fā)送機后和接收機前增加放大器來提高光發(fā)射機的發(fā)射功率和接收機的靈敏度，但是增加放大器會提升系統(tǒng)成本和功耗。

圖4 基于PAM4或者NRZ編碼實驗設置

圖5 基于25 Gbit/s速率的APD實驗設置

3 高功率預算的實驗研究

為了解決 25 Gbit/s PON系統(tǒng)的色散和功率預算問題，采用基于零色散附近的25 Gbit/s速率的EML、分別基于25 Gbit/s和10 Gbit/s速率的APD接收機進行了實驗研究。基于25 Gbit/s的APD系統(tǒng)，采用的NRZ編碼和解碼；基于10 Gbit/s速率的APD接收機，由于采用10 Gbit/s速率的 APD接收25 Gbit/s的信號有帶寬受限的問題，所以在接收側采用了光雙二進制直接檢測恢復 25 Gbit/s速率的數(shù)據(jù)。

基于 25 Gbit/s速率的 APD實驗設置如圖 5所示，為減少色散效應，實驗中的 25 Gbit/s的 EML采用的波長為1 309 nm的激光器，光信號的消光比為8.1 dB。25 Gbit/s的誤碼分析儀發(fā)出 25 Gbit/s速率的 231-1的偽隨機碼，經(jīng)過25 Gbit/s的外腔調制激光器后轉化為光信號在光纖中傳輸，經(jīng)過可調光衰減器后到達接收方的APD接收機，光信號經(jīng)過APD轉化為電信號后經(jīng)過跨阻放大器和射頻放大器后輸入25 Gbit/s誤碼分析儀。實驗分別測量了背靠背（0 km光纖）和經(jīng)過20 km光纖后接收光功率和誤碼率的關系，如圖6所示。

圖6 實驗測量的接收光功率和誤碼率的關系曲線

在10-3的誤碼率下，背靠背情況下APD的接收靈敏度為-28 dBm，25 Gbit/s的光信號經(jīng)過20 km光纖的傳輸后，光纖色散效應導致信號的接收靈敏度下降 1 dB，如圖 5下方眼圖。本實驗中，將EML的發(fā)射光功率設置為+5 dBm，經(jīng)過 20 km光纖后在 10-3的誤碼率下接收靈敏度為-27 dBm，在沒有光放大器的情況下，可以達到10 Gbit/s對稱的吉比特無源光網(wǎng)絡的32 dBm的N2級別的光功率預算，可以用在現(xiàn)有的ODN上替代N2級別光功率預算的10 Gbit/s速率的PON系統(tǒng)，或者和現(xiàn)在的ODN上N2級別光功率預算的10 Gbit/s速率的PON系統(tǒng)共存。

基于10 Gbit/s的APD的實驗如圖7所示，為減少色散效應，實驗中的25 Gbit/s的EML采用的波長為1 309 nm的激光器，光信號的消光比為8.1 dB。25 Gbit/s的誤碼分析儀發(fā)出25 Gbit/s速率的231-1的偽隨機碼，經(jīng)過25 Gbit/s的EML后轉化為光信號通過可調光衰減器后到達接收方的10 Gbit/s速率的光接收機APD，光信號經(jīng)過APD轉化為電信號，電信號經(jīng)過電雙二進制檢測器后到達25 Gbit/s誤碼分析儀。由于使用了 10 Gbit/s速率的接收機接收25 Gbit/s速率的信號，導致了信號的不同比特之間的干擾，造成了接收到的信號為三電平信號，如圖7下方眼圖，實驗采用了三電平信號檢測器將接收到的信號恢復成25 Gbit/s速率的二進制信號。實驗測量了背靠背情況下接收光功率和誤碼率的關系，如圖8所示，在背靠背的測試情況下，在 10-3的誤碼率下，APD的接收靈敏度為-22 dBm。

圖7 基于10 Gbit/s速率的APD實驗

圖8 實驗測量的接收光功率和誤碼率的關系曲線

4 結束語

為了解決25 Gbit/s PON系統(tǒng)的色散和功率預算問題，采用基于零色散附近的25 Gbit/s速率的EML、分別基于25 Gbit/s和10 Gbit/s速率的APD接收機進行了實驗研究。實驗結果表明，采用25 Gbit/s速率的APD，EML的發(fā)射光功率設置為+5 dBm，經(jīng)過20 km光纖后在10-3的誤碼率下可以獲得-27 dBm的接收靈敏度，在沒有光放大器的情況下，達到10 Gbit/s對稱的吉比特無源光網(wǎng)絡的32 dBm的 N2級別的光功率預算；采用 10 Gbit/s速率的 APD和 EDB檢測技術，EML的發(fā)射光功率設置為+5 dBm，背靠背情況下在10-3的誤碼率下可以獲得-22dBm的接收靈敏度，系統(tǒng)光功率預算為27 dBm，下降5 dB。實驗證明，NRZ編碼下，采用25 Gbit/s速率的APD接收機，能達到10 Gbit/s對稱的吉比特無源光網(wǎng)絡的32 dBm的N2級別的光功率預算。

[1]YE Z,LIS,CHENG N,etal.Demonstration ofhighperformance cost-effective 100-Gb/s TWDM-PON using 4×25-Gb/s optical duobinary channels with 16-GHz APD and receiver-side post-equalization[C]//European Conference on Optical Communication(ECOC),September 27-October 1,2015,Valencia,Spain. New Jersey：IEEE Press,2015：3-10.

[2]HOUSMAN V,VEEN D,GNAUCK A,etal.APD-based duobinary direct detection receivers for 40 Gbit/s TDM-PON[C]//The Optical Networking and Communication Conference& Exhibition(OFC),March 24-26,2015,Los Angeles,CA,USA. New Jersey：IEEE Press,2015：Th4H.1.

[3]Technology review on transmitting 25 Gb/sovera single wavelength channel[EB/OL].[2016-12-16].http：//www.itu.int/ md/T13-SG15-C-1944/en.

Development and experiment research of 25 Gbit/s passive optical network

GENG Dan,GUO Yong,YIN Yongjia,MA Zhuang,ZHANG Weiliang
ZTE Corporation,Shanghai 201203,China

With the new service development of high-definition video and virtual reality and the requirement of transporting the fifth generation mobile fronthaul/backhaul signals,passive optical network(PON)is required to transmit signals above 10 Gbit/s.When the line rate is above 10 Gbit/s,chromatic dispersion and power budget are the main constraint factor of system performance.Development and difficulty of 25 Gbit/s PON were introduced.25 Gbit/s PON was studied in experiment using 25 Gbit/s EML laser with zero dispersion wavelength,25 Gbit/s APD and 10 Gbit/s APD. Experiment results show that 32 dBm optical power budget（N2 level in 10 Gbit/s symmetric EPON）was achieved when EML transmit optical power is+5 dBm and 25 Gbit/s APD is used without optical amplifier.

passive optical network,25 Gbit/s,optical duo-binary,pulse amplitude modulation,electronic duo-binary

TN913.7

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017039

耿丹（1977-），女，博士，中興通訊股份有限公司工程師、預研系統(tǒng)工程師，主要從事光纖通信的研究工作。

郭勇（1976-），男，博士，中興通訊股份有限公司高級工程師、預研系統(tǒng)工程師，主要從事通信技術的研究工作。

印永嘉（1978-），男，中興通訊股份有限公司高級工程師、預研系統(tǒng)工程師，主要從事通信技術的研究工作。

馬壯（1970-），男，博士，中興通訊股份有限公司高級工程師、預研總監(jiān)，主要從事通信技術的研究工作。

張偉良（1974-），男，博士，中興通訊股份有限公司高級工程師、預研系統(tǒng)工程師，主要從事通信技術的研究工作。

2016-12-16；

2017-02-07

上海市科技成果轉化和產業(yè)化基金資助項目（No.16511104100）

Foundation Item：Transformation and Industrialization of Scientific and Technological Achievements in Shanghai(No.16511104100)