超密集波分复用无源光网络技术

胡卫生　郑宏军　罗清龙

超密集波分复用光接入网（UDWDM-PON）方案可以在C波段密排1 000个下行波长和1 000个上行波长，支持1 000个用户。每个用户独立使用一对波长，可实现速率千兆并具有速率万兆的潜力。使用分光器兼容现有光分配网，采用数字相干通信技术，功率预算将可超过43 dB。UDWDM-PON在用户带宽保证、容量汇聚能力、网络覆盖范围等方面发展潜力明显。

超密集波分复用；无源光网络；分光器；相干通信技术

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

光进铜退开启了光纤接入的新时代，宽带接入迅速地提升至百兆水平并进入大规模部署阶段。

宽带是不断发展和与时俱进的[1]，谷歌已开始计划部署千兆宽带入户方案[2]，韩国等也将未来宽带目标设定在千兆入户。10年之后，用户接入带宽需求将达到千兆，保持与第5代移动通信（5G）并行发展的势头[3]。继下一代无源光网络第二阶段（NG-PON2）之后，有人提出研究NG-PON第三阶段计划，其目标即剑指千兆入户目标[4]。目前还缺少明确的NG-PON3演进的技术路线，或者说有几种可能的技术思路。

1 接入网中的波分复用情况

相比于骨干网，光接入网使用的波段范围最宽（超过300 nm），波分复用（WDM）情况最为复杂。其原因在于：光接入网是一个局域网络，各局域网络的波长可以重用；而骨干网是广域网络，波长路由具有广域特征。光接入网一般不用光纤放大，放松了光波段的约束；而骨干网由于中继而使用与光纤放大器增益谱相吻合的光波段。光接入网传输距离20 km左右，放松了光收发器件的要求；而骨干网则使用长距离传输的光收发器件。光接入网的首要约束在于成本，放松了激光器的稳频要求，甚至于采用布里-珀罗腔低成本激光器；而骨干网则使用密波分复用（DWDM）系统。光接入网是单纤双向系统，上下行需使用不同波长或波段；而骨干网是双纤双向系统。因此，在光接入网会出现各种不同的波分复用情况。

接入网中WDM情况可分为4种：

（1）宽波分复用（WWDM）：波长间隔大于100～200 nm，常用于单纤双向传输的上下行。

（2）粗波分复用：典型波长间隔20 nm，采用低成本光器件（如无冷分布式反馈激光器），波长数量少。

（3）密集波分复用（DWDM）：典型波长间隔0.8 nm，采用无色化光器件，如反射型半导体光放大器（RSOA）、反射型电吸收调制器（REAM）、可调谐激光器，波长数量16～64。

（4）超密集波分复用（UDWDM）：波长间隔0.024～0.1 nm，采用相干检测，波长数可达1 000之多，后者是本文的中心内容。

光接入中的波分复用情况如图1所示。图1显示出超密波分复用无源光网络方案（UDWDM-PON）是演进的未来方向之一。

至此，有必要回顾一下业界对于光通信6个波段的划分，具体如表1所示。光通信的6个波段划分简述如下：

（1）O带（Original band原始波段）：波长范围1 260～1 360 nm，频率范围237.9～220.4 THz。

（2）E带（Extended band扩展波段）：波长范围1 360～1 460 nm，频率范围220.4～205.3 THz。

（3）S带（Short wavelength band短波段）：波长范围1 460～1 530 nm，频率范围205.3～195.9 THz。

（4）C带（Conventional band常规波段）：波长范围1 530～1 565 nm，频率范围195.9～191.6 THz。

（5）L带（Longer wavelength band长波段）：波长范围1 565～1 625 nm，频率范围191.6～184.5 THz。

（6）U带（Ultralong wavelength band超长波长波段）：波长范围1 625～1 675 nm，频率范围184.5～179.0 THz。

基于尽可能降低成本的考虑，早期以太网无源光网络（EPON）和千兆比无源光网络（GPON）定义的波长范围划分得都很宽松，分别是下行1 480～1 500 nm （1 490±10）和上行1 260～1 360 nm（1 310±50），分处O波段和S波段，如同在道路上没有细划车道。当时还安排了模拟数字电视（CATV）的广播波长1 550 nm，兼顾模拟信道性能衰减快和需要光放大而处于光纤放大器增益窗口内。endprint

2009年前后，考虑到EPON和GPON升级到10 GHz速率，兼顾到各种无源光网络（PON）共存，避免系统升级过程中对现有用户的业务造成影响，将EPON和GPON的波长收窄，即上行1 290～1 330 nm （1 310±20）。而万兆级XGPON采用上行1 260～

1 280 nm，下行1 575～1 580 nm（标称波长1 577 nm）。

2013年前后，TWDM-PON被全业务接入网（FSAN）和ITU-T组织接纳为NG-PON2的标准方案，被视为是XGPON的堆叠，采用DWDM，上行暂时定为C波段短波长段（如1 528～1 535 nm），上行暂时定为L波段长波长段（如1 596～1 604 nm）。

由此，接入网日益表现出多波长系统（MW-PON）的特征，具有多个光线路终端（OLT）和多个光网络单元（ONU）通信的机制，并同时保留了多个ONU共享一对波长的优势，其难点在于系统结构的设计、波长的分配和管理、ONU激活与迁移等方面。

2 超密集波分复用接入网

2010年前后FSAN发布了NG-PON2白皮书，当时业界提出了几种可能的候选方案：40G时分复用无源光网络（TDM-PON）、TWDM-PON、正交频分复用无源光网络（OFDM-PON）、WDM-PON、UDWDM-PON等，综合考虑升级成本和兼容性之后，国际标准组织选择了TWDM-PON作为标准方案，其他方案不妨作为NG-PON3目标[5]，以下主要介绍UDWDM-PON。

2.1 结构与特征

诺西网络（NSN）提出的UDWDM-PON方案最具有代表性，结构如图2所示[6-7]。C波段复用的波长数量高达1 000个，频率的间隔只有3 GHz，每用户上下行一对波长用对称带宽1 Gbit/s。采用相干检测，功率预算达43 dB，可以支持无源距离100 km。支持现有光分配网（分光器而不是阵列波导光栅）、与GPON/XGPON和射频电视信号共存，光谱灵活可变。可应用于住宅区（波长分开）、商务区（波长绑定）和移动回传。

2.2 工作原理

由于波长间隔只有3 GHz，由此带来了两个问题，NSN提出了相应的解决方案[6-7]。其一，如何产生密集多波长信号？NSN科学家提出的独特方案是光传输组（OTG），如图3所示。工作原理：一个种子激光器经过边带调制产生10个间隔为3 GHz的激光输出，如果种子激光器的波长发生漂移，则该组10个激光输出同时发生漂移，保持3 GHz间隔不变。各相邻OTG之间留有一定的保护带，使得种子激光器的漂移不至于影响到相邻激光输出的交叠。该方案的好处是减少了激光器的数量，便于模块化扩展升级，符合接入网低成本要求。其二，一般解复用器或光滤波器很难满足超密集波长的分离，采用相干检测可以同时提取信号波长及其信号，但是，相干检测需要本振激光器，这会增加接入网成本。NSN科学家提出的独特方案是成对通道方法，如图3所示。工作原理：以下行为例，ONU为了提取信号波长及其信号，采用与该波长偏置1 GHz的上行激光器，它既作为本振激光，也作为上行光载波，一个激光器同时完成了两个功能，降低了成本，符合接入网低成本的要求。

2.3 光电集成设想

UDWDM-PON在接入网中的可行性，取决于光子集成和电信号处理，如图4所示[7-11]。光子集成有助于降低成本和器件大小，电信号处理有助于消除传输和系统的信号损伤。

OLT侧的光子集成中，每一个种子激光器通过边带调制产生一套调制波长，数量n，如果有m个种子激光器，则可以提供m×n个通道，便于模块化扩展。接收时，种子激光用于一组上行波长的本振。在数据速率1 Gbit/s和通道间隔1 GHz时，需要采用高阶调制方案，如差分正交相移键控（DQPSK），包括前向纠错码（FEC）开销，符号速率为633 MBaud。

ONU侧的光子集成中，包括外腔可调谐激光器（ECL），它既作为上行发射，也作为本振。上行波长相于对下行波长偏置1 GHz。上行信号直接调制，而下行用它作为外差接收的本振，频率差1 GHz，不需要锁相环来稳定下行波长和本振波长，允许频偏±50 MHz，即信号和本振频率范围950～1 050 MHz，否则要重调本振，这有利于降低本振控制环路的要求。偏振分集接收和上行调制都集成进来。

2.4 传输损伤

传输损伤包括线性和非线性畸变[12-14]。

线性畸变如色散与偏振模色散，在633 MBaud和100 km光纤传输时并不严重，如果未来升级到5 GBaud或10 GBaud，线性畸变会严重起来，不过，相干检测和电信号处理可以消除该线性畸变。

非线性畸变如四波混频（FWM）等起主要作用。注意的是非线性畸变与功率有关，只有在OLT和第一个分光器之间全部都是上下行激光共纤传输情况下，非线性最为严重。而在第一个分光器之后至ONU之间，光纤中的激光功率不是最高的，非线性不甚严重。

2.5 兼容与升级

采用相干通信技术，功率预算超过43 dB或达到48.6 dB[15]，使用分光器兼容现有光分配网，可以与EPON、GPON等共存。由于在UDWDM-PON中采用了OTG组的方法，可以通过增加OTG组的方法逐步增加带宽，从而使得UDWDM-PON在升级时更能体现“按需增长”的优势。因此，UDWDM-PON在用户带宽保证、容量汇聚能力、网络覆盖范围等方面显示出优越性和发展潜力。

3 结束语

本文介绍了UDWDM-PON的方案、结构、原理、集成设想、升级方式等，从中可以看出，NSN提出的UDWDM-PON可以在C波段密集排到1 000个下行波长和1 000个上行波长，支持1 000个用户，每个用户独立使用一对波长，速率千兆并具有每个用户接入带宽10 Gbit/s的潜力。使用分光器兼容现有光分配网，采用相干通信技术功率预算超过43 dB。因此，UDWDM-PON在用户带宽保证、容量汇聚能力、网络覆盖范围等方面具有发展潜力。endprint

2009年前后，考虑到EPON和GPON升级到10 GHz速率，兼顾到各种无源光网络（PON）共存，避免系统升级过程中对现有用户的业务造成影响，将EPON和GPON的波长收窄，即上行1 290～1 330 nm （1 310±20）。而万兆级XGPON采用上行1 260～

1 280 nm，下行1 575～1 580 nm（标称波长1 577 nm）。

2013年前后，TWDM-PON被全业务接入网（FSAN）和ITU-T组织接纳为NG-PON2的标准方案，被视为是XGPON的堆叠，采用DWDM，上行暂时定为C波段短波长段（如1 528～1 535 nm），上行暂时定为L波段长波长段（如1 596～1 604 nm）。

由此，接入网日益表现出多波长系统（MW-PON）的特征，具有多个光线路终端（OLT）和多个光网络单元（ONU）通信的机制，并同时保留了多个ONU共享一对波长的优势，其难点在于系统结构的设计、波长的分配和管理、ONU激活与迁移等方面。

2 超密集波分复用接入网

2010年前后FSAN发布了NG-PON2白皮书，当时业界提出了几种可能的候选方案：40G时分复用无源光网络（TDM-PON）、TWDM-PON、正交频分复用无源光网络（OFDM-PON）、WDM-PON、UDWDM-PON等，综合考虑升级成本和兼容性之后，国际标准组织选择了TWDM-PON作为标准方案，其他方案不妨作为NG-PON3目标[5]，以下主要介绍UDWDM-PON。

2.1 结构与特征

诺西网络（NSN）提出的UDWDM-PON方案最具有代表性，结构如图2所示[6-7]。C波段复用的波长数量高达1 000个，频率的间隔只有3 GHz，每用户上下行一对波长用对称带宽1 Gbit/s。采用相干检测，功率预算达43 dB，可以支持无源距离100 km。支持现有光分配网（分光器而不是阵列波导光栅）、与GPON/XGPON和射频电视信号共存，光谱灵活可变。可应用于住宅区（波长分开）、商务区（波长绑定）和移动回传。

2.2 工作原理

由于波长间隔只有3 GHz，由此带来了两个问题，NSN提出了相应的解决方案[6-7]。其一，如何产生密集多波长信号？NSN科学家提出的独特方案是光传输组（OTG），如图3所示。工作原理：一个种子激光器经过边带调制产生10个间隔为3 GHz的激光输出，如果种子激光器的波长发生漂移，则该组10个激光输出同时发生漂移，保持3 GHz间隔不变。各相邻OTG之间留有一定的保护带，使得种子激光器的漂移不至于影响到相邻激光输出的交叠。该方案的好处是减少了激光器的数量，便于模块化扩展升级，符合接入网低成本要求。其二，一般解复用器或光滤波器很难满足超密集波长的分离，采用相干检测可以同时提取信号波长及其信号，但是，相干检测需要本振激光器，这会增加接入网成本。NSN科学家提出的独特方案是成对通道方法，如图3所示。工作原理：以下行为例，ONU为了提取信号波长及其信号，采用与该波长偏置1 GHz的上行激光器，它既作为本振激光，也作为上行光载波，一个激光器同时完成了两个功能，降低了成本，符合接入网低成本的要求。

2.3 光电集成设想

UDWDM-PON在接入网中的可行性，取决于光子集成和电信号处理，如图4所示[7-11]。光子集成有助于降低成本和器件大小，电信号处理有助于消除传输和系统的信号损伤。

OLT侧的光子集成中，每一个种子激光器通过边带调制产生一套调制波长，数量n，如果有m个种子激光器，则可以提供m×n个通道，便于模块化扩展。接收时，种子激光用于一组上行波长的本振。在数据速率1 Gbit/s和通道间隔1 GHz时，需要采用高阶调制方案，如差分正交相移键控（DQPSK），包括前向纠错码（FEC）开销，符号速率为633 MBaud。

ONU侧的光子集成中，包括外腔可调谐激光器（ECL），它既作为上行发射，也作为本振。上行波长相于对下行波长偏置1 GHz。上行信号直接调制，而下行用它作为外差接收的本振，频率差1 GHz，不需要锁相环来稳定下行波长和本振波长，允许频偏±50 MHz，即信号和本振频率范围950～1 050 MHz，否则要重调本振，这有利于降低本振控制环路的要求。偏振分集接收和上行调制都集成进来。

2.4 传输损伤

传输损伤包括线性和非线性畸变[12-14]。

线性畸变如色散与偏振模色散，在633 MBaud和100 km光纤传输时并不严重，如果未来升级到5 GBaud或10 GBaud，线性畸变会严重起来，不过，相干检测和电信号处理可以消除该线性畸变。

非线性畸变如四波混频（FWM）等起主要作用。注意的是非线性畸变与功率有关，只有在OLT和第一个分光器之间全部都是上下行激光共纤传输情况下，非线性最为严重。而在第一个分光器之后至ONU之间，光纤中的激光功率不是最高的，非线性不甚严重。

2.5 兼容与升级

采用相干通信技术，功率预算超过43 dB或达到48.6 dB[15]，使用分光器兼容现有光分配网，可以与EPON、GPON等共存。由于在UDWDM-PON中采用了OTG组的方法，可以通过增加OTG组的方法逐步增加带宽，从而使得UDWDM-PON在升级时更能体现“按需增长”的优势。因此，UDWDM-PON在用户带宽保证、容量汇聚能力、网络覆盖范围等方面显示出优越性和发展潜力。

3 结束语

本文介绍了UDWDM-PON的方案、结构、原理、集成设想、升级方式等，从中可以看出，NSN提出的UDWDM-PON可以在C波段密集排到1 000个下行波长和1 000个上行波长，支持1 000个用户，每个用户独立使用一对波长，速率千兆并具有每个用户接入带宽10 Gbit/s的潜力。使用分光器兼容现有光分配网，采用相干通信技术功率预算超过43 dB。因此，UDWDM-PON在用户带宽保证、容量汇聚能力、网络覆盖范围等方面具有发展潜力。endprint

2009年前后，考虑到EPON和GPON升级到10 GHz速率，兼顾到各种无源光网络（PON）共存，避免系统升级过程中对现有用户的业务造成影响，将EPON和GPON的波长收窄，即上行1 290～1 330 nm （1 310±20）。而万兆级XGPON采用上行1 260～

1 280 nm，下行1 575～1 580 nm（标称波长1 577 nm）。

2013年前后，TWDM-PON被全业务接入网（FSAN）和ITU-T组织接纳为NG-PON2的标准方案，被视为是XGPON的堆叠，采用DWDM，上行暂时定为C波段短波长段（如1 528～1 535 nm），上行暂时定为L波段长波长段（如1 596～1 604 nm）。

由此，接入网日益表现出多波长系统（MW-PON）的特征，具有多个光线路终端（OLT）和多个光网络单元（ONU）通信的机制，并同时保留了多个ONU共享一对波长的优势，其难点在于系统结构的设计、波长的分配和管理、ONU激活与迁移等方面。

2 超密集波分复用接入网

2010年前后FSAN发布了NG-PON2白皮书，当时业界提出了几种可能的候选方案：40G时分复用无源光网络（TDM-PON）、TWDM-PON、正交频分复用无源光网络（OFDM-PON）、WDM-PON、UDWDM-PON等，综合考虑升级成本和兼容性之后，国际标准组织选择了TWDM-PON作为标准方案，其他方案不妨作为NG-PON3目标[5]，以下主要介绍UDWDM-PON。

2.1 结构与特征

诺西网络（NSN）提出的UDWDM-PON方案最具有代表性，结构如图2所示[6-7]。C波段复用的波长数量高达1 000个，频率的间隔只有3 GHz，每用户上下行一对波长用对称带宽1 Gbit/s。采用相干检测，功率预算达43 dB，可以支持无源距离100 km。支持现有光分配网（分光器而不是阵列波导光栅）、与GPON/XGPON和射频电视信号共存，光谱灵活可变。可应用于住宅区（波长分开）、商务区（波长绑定）和移动回传。

2.2 工作原理

由于波长间隔只有3 GHz，由此带来了两个问题，NSN提出了相应的解决方案[6-7]。其一，如何产生密集多波长信号？NSN科学家提出的独特方案是光传输组（OTG），如图3所示。工作原理：一个种子激光器经过边带调制产生10个间隔为3 GHz的激光输出，如果种子激光器的波长发生漂移，则该组10个激光输出同时发生漂移，保持3 GHz间隔不变。各相邻OTG之间留有一定的保护带，使得种子激光器的漂移不至于影响到相邻激光输出的交叠。该方案的好处是减少了激光器的数量，便于模块化扩展升级，符合接入网低成本要求。其二，一般解复用器或光滤波器很难满足超密集波长的分离，采用相干检测可以同时提取信号波长及其信号，但是，相干检测需要本振激光器，这会增加接入网成本。NSN科学家提出的独特方案是成对通道方法，如图3所示。工作原理：以下行为例，ONU为了提取信号波长及其信号，采用与该波长偏置1 GHz的上行激光器，它既作为本振激光，也作为上行光载波，一个激光器同时完成了两个功能，降低了成本，符合接入网低成本的要求。

2.3 光电集成设想

UDWDM-PON在接入网中的可行性，取决于光子集成和电信号处理，如图4所示[7-11]。光子集成有助于降低成本和器件大小，电信号处理有助于消除传输和系统的信号损伤。

OLT侧的光子集成中，每一个种子激光器通过边带调制产生一套调制波长，数量n，如果有m个种子激光器，则可以提供m×n个通道，便于模块化扩展。接收时，种子激光用于一组上行波长的本振。在数据速率1 Gbit/s和通道间隔1 GHz时，需要采用高阶调制方案，如差分正交相移键控（DQPSK），包括前向纠错码（FEC）开销，符号速率为633 MBaud。

ONU侧的光子集成中，包括外腔可调谐激光器（ECL），它既作为上行发射，也作为本振。上行波长相于对下行波长偏置1 GHz。上行信号直接调制，而下行用它作为外差接收的本振，频率差1 GHz，不需要锁相环来稳定下行波长和本振波长，允许频偏±50 MHz，即信号和本振频率范围950～1 050 MHz，否则要重调本振，这有利于降低本振控制环路的要求。偏振分集接收和上行调制都集成进来。

2.4 传输损伤

传输损伤包括线性和非线性畸变[12-14]。

线性畸变如色散与偏振模色散，在633 MBaud和100 km光纤传输时并不严重，如果未来升级到5 GBaud或10 GBaud，线性畸变会严重起来，不过，相干检测和电信号处理可以消除该线性畸变。

非线性畸变如四波混频（FWM）等起主要作用。注意的是非线性畸变与功率有关，只有在OLT和第一个分光器之间全部都是上下行激光共纤传输情况下，非线性最为严重。而在第一个分光器之后至ONU之间，光纤中的激光功率不是最高的，非线性不甚严重。

2.5 兼容与升级

采用相干通信技术，功率预算超过43 dB或达到48.6 dB[15]，使用分光器兼容现有光分配网，可以与EPON、GPON等共存。由于在UDWDM-PON中采用了OTG组的方法，可以通过增加OTG组的方法逐步增加带宽，从而使得UDWDM-PON在升级时更能体现“按需增长”的优势。因此，UDWDM-PON在用户带宽保证、容量汇聚能力、网络覆盖范围等方面显示出优越性和发展潜力。

3 结束语

本文介绍了UDWDM-PON的方案、结构、原理、集成设想、升级方式等，从中可以看出，NSN提出的UDWDM-PON可以在C波段密集排到1 000个下行波长和1 000个上行波长，支持1 000个用户，每个用户独立使用一对波长，速率千兆并具有每个用户接入带宽10 Gbit/s的潜力。使用分光器兼容现有光分配网，采用相干通信技术功率预算超过43 dB。因此，UDWDM-PON在用户带宽保证、容量汇聚能力、网络覆盖范围等方面具有发展潜力。endprint