Page 31 - 网络电信2024年7月刊
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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 行多用户接入。
信号的探测，这极大地增加了光接入网的成本。在客户端，一 一种较新的思路是采用子载波复用(Sub-Carrier
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 Multiplexing, SCM)或者正交频分复用(Orthogonal-
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 Frequency-Division Multiplexing, OFDM)TC层方案，该方案
为了本领域重要的研究方向。 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
1 超100 Gbit/s PON系统需求 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
从千兆无源光网络(Gigabit Passive Optical Network, Convertor, DAC)接口，如图2所示。对于光模块而言，驱动器
GPON)到万兆无源光网络(10 Gigabit Passive Optical 需要具备高度线性的放大能力。此外，对于模拟信号接口，从
Network,XGPON)再到50 Gbit/s PON，PON系统均采用的是单波 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
长传输，且通道速率以接近4倍的因子倍增。我们预估50 Gbit/ 了更严苛的要求，将会对系统架构产生较大影响。例如，PON
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 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，
率将提升至200 Gbit/s左右，以上方案将会对运营商具有较大 而避免采用光模块金手指。
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 图1 基于50 GBaud DP-QPSK码型的200 Gbit/s相干PON MAC接口
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 图2 基于SCM/OFDM码型的200 Gbit/s相干PON MAC接口
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。
表1 200 Gbit/s速率下的IM/DD和相干接收灵敏度
2 超100 Gbit/s PON MAC接口设计 3 相干PON光模块Bi-Di和突发开关技术
针对单波长200 Gbit/s PON系统设计需求，一种可行的 相干PON光模块区别于传统相干光模块的显著特征包括：
PON媒体访问控制( Media Access Control, MAC)接口设计方 支持单纤双向(Bi-Di)和支持突发功能。如图3所示，相干PON系
案产生，其是在Host侧采用4×50 Gbit/s的不归零(Non-Return 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
to Zero, NRZ)接口。对应地，光模块采用50 GBaud 双偏振 Bi-Di传输。在相干PON光模块内部，两个不同波长的激光器分
(Dual-Polarization, DP)-正交相移键控(Quadrature Phase 别用于上/下行相干调制与检测。由于超100 Gbit/s PON系统仅
Shift Keying, QPSK)调制码型来实现200 Gbit/s速率的信号 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
发送，如图1所示。该方案的优势是完全兼容现有的相干光 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。
模块发射方案，包括4通道的限幅驱动器和DP-同相正交(In- 图3 相干PON Bi-Di光模块架构框图
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 注：DSP为数字信号处理；Tx和Rx分别为接收端和发送端。
Division Multiplexing, TDM)设计方案，通过TDM方式实现上 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
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