下一代光接入網(wǎng)的核心光電芯片技術(shù)

陳雷

摘要：50 G無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）已經(jīng)成為下一代光接入網(wǎng)的主要技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有多種技術(shù)途徑，采用高階調(diào)制4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）技術(shù)和不歸零碼（NRZ）技術(shù)是最重要的2種實(shí)現(xiàn)方式。采用高階調(diào)制PAM4技術(shù)，可以降低對(duì)光芯片的帶寬要求，降低光芯片的成本，但需要額外增加具有數(shù)字信號(hào)處理功能的電芯片。采用NRZ技術(shù)，則不需要增加其他功能的電芯片，但需要使用高帶寬的激光器和探測(cè)器光芯片，這種高帶寬的光芯片開發(fā)難度大，成本高。

關(guān)鍵詞：下一代光接入網(wǎng);50 G PON;PAM4;NRZ

Abstract： 50 G passive optical network （PON） has become the main technology for the next generation of optical access network， and there are many technical approaches to implement 50 G PON. High order modulation 4 pulse amplitude modulation （PAM4） and non-return to zero （NRZ） are the most important technologies of 50 G PON implementation. By using high-order modulation PAM4 technology， the bandwidth requirement and the cost of optical can be reduced， but the electric chip with digital signal processing function needs to be added. NRZ technology does not need to add electrical chips with other functions， but needs to use high-bandwidth lasers and detector optical chips， the development of which is difficult and costly.

Key words： next-generation optical access network; 50 G PON; PAM4; NRZ

1 下一代高速光接入網(wǎng)的發(fā)展

近年來，在“三網(wǎng)融合”和“光進(jìn)銅退”政策的大力推動(dòng)下，中國(guó)光接入網(wǎng)的接入用戶數(shù)量和產(chǎn)品覆蓋率得到了飛速發(fā)展。截至2018年，中國(guó)大部分中心城市都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)光纖到戶（FTTH）或者光纖到樓（FTTB）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)已經(jīng)成為了全球光接入用戶數(shù)量最多的國(guó)家。由于市場(chǎng)規(guī)模效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，近些年來中國(guó)的光接入網(wǎng)產(chǎn)業(yè)以及光接入網(wǎng)技術(shù)都進(jìn)入了快速發(fā)展的軌道。

光接入網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是從最早的寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)（BPON）開始， 2003年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）制定了吉比特?zé)o源光纖網(wǎng)絡(luò)（GPON）標(biāo)準(zhǔn)。隨后，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）于2004制定了以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過10余年的發(fā)展，到2019年光接入網(wǎng)先后發(fā)展形成了10 G EPON、非對(duì)稱10 G PON第1階段（XG-PON1）、40 G PON 第2階段（NG-PON2），以及對(duì)稱10 G PON（XGS-PON）4種不同類型的標(biāo)準(zhǔn)，速率分為1.25 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s。圖1是光接入PON的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)路線圖。除了這些主流的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以外，根據(jù)中國(guó)市場(chǎng)的特殊需求，還衍生出了一些自定義的標(biāo)準(zhǔn)，例如：混合型無源光網(wǎng)絡(luò)（COMBO PON）標(biāo)準(zhǔn)。

2015年9月，IEEE成立NG-EPON 研究組，確定研究目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)25 G/50 G/100 G對(duì)稱及非對(duì)稱的下一代100 G EPON系統(tǒng)。2015年11月，IEEE 802全會(huì)成立正式IEEE 802.3ca 100 G-EPON 工作組并確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間表。2018年ITU正式發(fā)布10 G PON之后的下一代PON技術(shù)為單波50 G PON，50 G PON正式成為了各標(biāo)準(zhǔn)組織及企業(yè)的主要研究?jī)?nèi)容。

2 下一代光接入網(wǎng)技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)單波50 G PON的技術(shù)路線主要分為2種：一種是在光器件帶寬受限的條件下，使用高價(jià)調(diào)制技術(shù);第2種則是延續(xù)以前1.25 G/10 G發(fā)展的路線，采用50 G不歸零碼（NRZ）幅度調(diào)制技術(shù)。

采用高階調(diào)制技術(shù)可以降低系統(tǒng)對(duì)光電器件的帶寬要求，降低光芯片的成本。低帶寬的光芯片和電芯片產(chǎn)業(yè)鏈成熟可用，也可以快速形成產(chǎn)品并商用化。當(dāng)前主要可選的調(diào)制技術(shù)包括雙二進(jìn)制碼（DB）、4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號(hào)、離散音頻調(diào)制（DMT）等。PAM4技術(shù)是高階調(diào)制技術(shù)的首選方案，具體如圖2所示的50 G PAM4原理框圖。采用PAM4技術(shù)存在需要突破的難點(diǎn)：（1）采用PAM4高階調(diào)制技術(shù)的信號(hào)接收端靈敏度比幅度調(diào)制技術(shù)的要低，無法滿足接入網(wǎng)的高功率預(yù)算要求;（2）高階調(diào)制技術(shù)需要使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP）芯片，調(diào)制/解調(diào)制算法比NRZ復(fù)雜很多，增加了算法成本。雖然近年來，高階調(diào)制技術(shù)已經(jīng)在城域、骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用，針對(duì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)也進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化，但在具有高功率預(yù)算、上行突發(fā)等特點(diǎn)的接入網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于技術(shù)研究階段。

采用50 G NRZ幅度調(diào)制技術(shù)是一種可延續(xù)的技術(shù)路線。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，50 G NRZ幅度調(diào)制技術(shù)的整體架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只需要將原來的10 G速率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為50 G速率即可。具體如圖3所示的50 G NRZ的原理框圖，該方案不需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和DSP芯片。但這種技術(shù)路線也存在技術(shù)上的難點(diǎn)：（1）50 G 的光芯片當(dāng)前發(fā)展遇到技術(shù)瓶頸，例如當(dāng)前業(yè)界還沒有企業(yè)能研發(fā)出50 G速率的雪崩光電二極管（APD）探測(cè)器芯片，因?yàn)檠兄频碾y度非常大;（2）滿足50 G速率要求的光芯片、電芯片晶圓制造工藝的良品率低，導(dǎo)致成本比10 G速率至少高出30%?？傮w上來說，滿足單波50 G NRZ傳輸?shù)纳闲型话l(fā)、下行突發(fā)的光/電芯片都還處于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究階段。

3 下一代高速光接入電芯片關(guān)鍵技術(shù)

（1）前向糾錯(cuò)碼（FEC）技術(shù)。

每一代PON的發(fā)展中，都需要考慮FEC技術(shù)?？紤]到10 G EPON的技術(shù)演進(jìn)，下一代單波長(zhǎng)50 G PON的FEC會(huì)優(yōu)先選擇低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC），并要求輸出誤碼率（BER）優(yōu)于10-12，輸入誤碼率BER閾值在1e-2或以上。FEC可以考慮采用軟值判決，但編碼冗余應(yīng)小于18%（目標(biāo)在16%以內(nèi)）[1]。LDPC碼技術(shù)在業(yè)界已經(jīng)比較成熟，在WiFi、電纜數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)接口規(guī)范（DOCSIS）、數(shù)字視頻廣播（DVB）等通信中都已經(jīng)被應(yīng)用，因此LDPC碼的實(shí)現(xiàn)不存在技術(shù)障礙，具備實(shí)現(xiàn)的可行性。

雖然LDPC碼應(yīng)用已經(jīng)有可參考的經(jīng)驗(yàn)，但是將LDPC碼應(yīng)用到接入網(wǎng)中，還有很多地方需要研究。例如：LDPC碼型的選擇，長(zhǎng)度、編碼和譯碼等算法性能的優(yōu)化，算法復(fù)雜度的簡(jiǎn)化都將成為了業(yè)界研究的主要點(diǎn)。其中，LDPC的成本和功耗與譯碼算法非常相關(guān)，它直接決定了電芯片的尺寸、功耗等，所以突破LDPC的關(guān)鍵技術(shù)，可降低后期電芯片的成本。

（2）DSP技術(shù)。

在50 G PON的關(guān)鍵電芯片中，DSP是最重要的。突發(fā)的時(shí)鐘恢復(fù)和突發(fā)均衡則是實(shí)現(xiàn)DSP的最主要挑戰(zhàn)。目前未有任何廠家對(duì)該方向作研究性支持或產(chǎn)品報(bào)道?；?倍采樣的全數(shù)字化突發(fā)時(shí)鐘恢復(fù)，目前還僅處于實(shí)驗(yàn)階段，但從離線實(shí)驗(yàn)和FPGA的驗(yàn)證結(jié)果來看：其性能基本理想，所以方案的可行性也得到了證明;但其突發(fā)均衡還需要進(jìn)一步研究，通過降低序列長(zhǎng)度，來加快收斂值得思考。另外，采用符號(hào)間隔采樣的突發(fā)時(shí)鐘恢復(fù)方法也有待進(jìn)一步的技術(shù)驗(yàn)證。

在DSP芯片可獲得性方面，目前未有支持PON系統(tǒng)的高級(jí)調(diào)制方案的DSP芯片。迫切需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界加強(qiáng)合作與交流，持續(xù)推動(dòng)電芯片技術(shù)研發(fā)。

4 下一代高速光接入光芯片關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)單波50 G采用高階調(diào)制技術(shù)，可以直接使用25 G電吸收調(diào)制激光器（EML）/直接調(diào)制激光器（DML）激光器和25 G APD探測(cè)器。這2種光芯片當(dāng)前在數(shù)據(jù)中心和以太網(wǎng)中已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。

圖4是50 G PAM4 時(shí)分和波分復(fù)用（TWDM）PON在O-Band的鏈路框圖。通過模擬仿真，已經(jīng)證明PAM4技術(shù)可滿足PR30鏈路預(yù)算代價(jià)需求的傳輸要求[2]。采用PAM4方案后，在發(fā)射下行，需要采用APD來接收，在接收上行則采用半導(dǎo)體光放大器（SOA）+光電二極管（PIN）的接收組合方式。上下行發(fā)射都只需要采用18 GHz O-Band的EML激光器，可大大降低光芯片的帶寬需求，節(jié)約光芯片成本。但是發(fā)射端需要增加SOA芯片，來增加光功率。由于高階調(diào)制技術(shù)對(duì)器件線性度要求很高，所有要求激光器也是線性PAM4的激光器[3]。

采用PAM4技術(shù)后，接收機(jī)的靈敏度會(huì)低于采用不歸零碼（NRZ）方式的接收靈敏度。該P(yáng)AM4對(duì)光反射非常敏感，如果有高功率預(yù)算要求，例如32 dB功率預(yù)算，采用PAM4的光器件來實(shí)現(xiàn)則顯得非常困難。

當(dāng)單波50 G采用NRZ幅度調(diào)制技術(shù)時(shí)，則需要使用50 G EML和50 G APD。ITU于2018年率先規(guī)定50 G PON將采用NRZ幅度調(diào)制的方式，其下行波長(zhǎng)采用1 342 nm波長(zhǎng)，具體結(jié)構(gòu)圖5所示。

圖5中的方案必須采用50 G的EML激光器和50 G APD探測(cè)器。由于傳輸速率越高，激光器在O-Band的傳輸色散代價(jià)就越大。接入網(wǎng)通常需要傳輸20 km，色散代價(jià)將會(huì)嚴(yán)重影響光信號(hào)傳輸距離，這對(duì)激光器的研發(fā)將帶來巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，通常還需要再進(jìn)行光域或電域的色散補(bǔ)償。

當(dāng)前50 G 探測(cè)器APD設(shè)計(jì)難度最大，主要難點(diǎn)在于探測(cè)器帶寬的提高，因?yàn)樘綔y(cè)器的帶寬受限于探測(cè)器的制作工藝。當(dāng)前PD探測(cè)器所用的工藝一般是鍺硅SiGe或者磷化銦INP，2種工藝在帶寬的設(shè)計(jì)上也存在差異。為了不受本身工藝帶寬的限制，可以用SOA和PIN的方案來替代高帶寬APD。PIN管的設(shè)計(jì)很容易滿足50 G 帶寬需求，但是PIN管的接收靈敏度比較低，能接收的最小光功率不滿足PON的應(yīng)用要求，所以必須在PIN管接收前端加入一級(jí)光放大，光放大可以采用半導(dǎo)體光放大器SOA。SOA是運(yùn)用電流受激輻射的原理放大光信號(hào)[4]，只要注入電流，就可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的增強(qiáng)放大。SOA通常具有較寬的帶寬[5]，可以覆蓋50 G帶寬的需求。為了減小接收器件的尺寸，需要將SOA芯片和PIN 芯片進(jìn)行高度集成，在同一個(gè)工藝平臺(tái)上進(jìn)行耦合，但這種耦合工藝非常復(fù)雜。因?yàn)镾OA波導(dǎo)尺寸很小，而PIN管接收面比較大，兩者進(jìn)行光學(xué)對(duì)準(zhǔn)耦合會(huì)存在比較大的耦合損耗，從而影響信號(hào)接收的靈敏度。實(shí)現(xiàn)低損耗的波導(dǎo)耦合是一個(gè)非常大的技術(shù)難點(diǎn)。

5 結(jié)束語

下一代光接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到50 G PON時(shí)代。50 G PON由于速率的提升，對(duì)于光芯片、電芯片的設(shè)計(jì)都提出了巨大的挑戰(zhàn)。50 G PON可以使用多種技術(shù)方案，高階調(diào)制技術(shù)可以降低光器件帶寬要求，節(jié)約器件成本。傳統(tǒng)的NRZ幅度調(diào)制技術(shù)可以延續(xù)上一代PON的技術(shù)思路，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單;高階調(diào)制技術(shù)卻增加了電芯片的設(shè)計(jì)難度; NRZ幅度調(diào)制技術(shù)則增加了光芯片的設(shè)計(jì)難度。無論選用那種技術(shù)路線，50 G PON都將尋求一種低成本、可實(shí)現(xiàn)的方式。