25 Gbit/s无源光网络技术进展和实验研究

耿丹，郭勇，印永嘉，马壮，张伟良

（中兴通讯股份有限公司，上海 201203）

25 Gbit/s无源光网络技术进展和实验研究

耿丹，郭勇，印永嘉，马壮，张伟良

（中兴通讯股份有限公司，上海 201203）

高清视频、虚拟现实等新业务的产生以及PON传输5G移动前传和回传信号的需求，要求PON能支持单波超过10 Gbit/s速率的传输。当线路速率超出10 Gbit/s时，色散和功率预算成为限制系统性能的主要因素。介绍了25 Gbit/s PON系统的研究进展和存在的问题，并对采用基于零色散附近的25 Gbit/s速率的EML、分别基于25 Gbit/s和10 Gbit/s速率的APD接收机进行了实验研究。实验结果表明，采用25 Gbit/s速率的APD，EML的发射光功率设置为+5 dBm，在没有光放大器的情况下，可以达到10 Gbit/s对称的吉比特无源光网络的32 dBm的N2级别的光功率预算。

无源光网络；25 Gbit/s；光双二进制；脉冲幅度调制；电双二进制

1 引言

随着网络技术的发展，可以利用网络传输大量的语音、数据、视频等业务，因此对带宽的要求不断提高，无源光网络（passive optical network，PON）就是在这种需求下产生的，PON系统的拓扑结构如图1所示[1]，PON系统通常由局侧的光线路终端 （optical line terminal，OLT）、用户侧的光网络单元（optical network unit，ONU）和光分配网络（optical distribution network，ODN）组成，通常采用点到多点的网络结构。ODN由单模光纤和光分路器、光连接器等无源光器件组成，为OLT和ONU之间的物理连接提供光传输媒质。

图1 PON系统的拓扑结构

目前，PON的单波长传输速率为1.25 Gbit/s、2.5 Gbit/s、10 Gbit/s。随着高清视频、虚拟现实、增强现实等新业务的产生以及希望通过PON传输4G和5G移动前传和回传信号，要求PON能支持单波更高速率的传输。在数据中心技术中，25 Gbit/s速率的光器件和电器件的应用日益成熟，使得单波长25 Gbit/s的速率选择成为研究热点。在2016年1月，IEEE立项研究25 Gbit/s/50 Gbit/s/100 Gbit/s PON，其中 25 Gbit/s PON是通过单波长 25 Gbit/s PON实现，50 Gbit/s PON通过两个单波长 25 Gbit/s波分复用后实现，100 Gbit/s PON通过4个单波长25 Gbit/s波分复用后实现。2016年9月，ITU-T Q2也立项超10 Gbit/s速率的PON技术白皮书，其中主要研究的单波长速率为25 Gbit/s。

2 25 Gbit/s传输的主要技术挑战和研究进展

图2 光双二进制编码实验设置

图3 电双二进制编码实验设置

当线路速率超出10 Gbit/s时，色散和功率预算等技术需要研究。当单波长速率达到25 Gbit/s时，如果光信号承载在C带波长（中波长带）或者L带波长（长波长带），由于C带和L带波长的色散效应，传统PON系统中的NRZ（non-return to zero，不归零码）调制的25 Gbit/s速率的光信号在光纤中传输20 km后，信号在光纤中会产生信号间干扰，信号的光信噪比下降，信号质量劣化，导致接收方的误码率较大。因此需要考虑将25 Gbit/s的光信号承载在S带波长（短波长带），因为S带波长位于光纤的零色散位置附近，可以减少色散效应导致的光信号质量劣化的影响。另一种减少色散效应的方法是采用其他的调制方式，例如光双二进制 （optical duo-binary，ODB）、PAM4（pulse amplitude modulation，脉幅调制）、电双二进制（electronic duo-binary，EDB)。

2.1 光双二进制

光双二进制编码的实验设置如图2所示[1]，其中 AMP（amplifier）为放大器，MZM为马赫曾德调制器，APD（avalanche photo-diode）为基于雪崩光电二极管的一种半导体光检测器。发送方将双二进制数据利用放大器放大后，通过MZM调制到激光器上在光纤中传输后，经过分光器后到达接收方的光检测器，然后转变成双二进制数据。采用光双二进制的调制方式可以克服高速率信号传输时光纤中的色散效应，但是光双二进制需要MZM将双二进制数据调制到激光器上，MZM的引入增加了PON系统的插入损耗和系统成本。

2.2 电双二进制

电双二进制编码的实验设置如图 3所示[2]，发送方将数据经过FEC编码和双二进制预编码，通过AMP放大后经过直接调制激光器（directly-modulated laser，DML）或者外腔调制激光器（externally modulated laser，EML）发送到光纤中，然后在接收方由光接收机APD接收，并进行光电转换，转换的信号经过模拟数字转换器（analog-digital conversion，ADC），然后经过同步、NRZ解调和FEC解码后得到恢复的数据。电双二进制可以采用10 Gbit/s速率的光发送机发送25 Gbit/s速率的光信号，从而减少光器件的成本，但是电双二进制的接收灵敏度性能较以往的NRZ的接收灵敏度性能劣化几个dB。

2.3NRZ或者PAM4

基于PAM4或者NRZ编码的实验设置如图4所示[3]，数据经过FEC编码后，再经过NRZ或者PAM4编码，通过过采样后进行脉冲整形，然后通过数字模拟转换器（digital-analog conversion,DAC）进行数模转换，信号通过放大器放大后，通过直调激光器或者外腔调制激光器发送到光纤中。光信号通过光纤和分光器后由APD接收，再经过ADC进行模数转换，转换后的信号经过重采样、时钟恢复、均衡和FEC解码后得到恢复的数据。相对于传统的NRZ编码，增加了DAC、ADC、均衡、过采样、重采样等技术，这可以克服色散导致的信号劣化，并且增加了带宽效率，但是由于需要使用高速DAC、ADC和数字信号处理，增加了系统的复杂性和成本，并且需要考虑简化DSP的实施来降低功耗。

除了上述调制技术外，还可以在接收方的接收机侧增加电色散补偿模块，或者在光纤光路中增加色散补偿光纤等技术，但是这些都会增加系统的损耗和成本。25 Gbit/s速率的 PON除了色散问题需要解决之外，功率预算也是一个要克服的问题。当接收机接收光信号的线路速率从10 Gbit/s增加到25 Gbit/s，接收机的接收灵敏度劣化4 dB，25 Gbit/s速率的PON如果需要和现有的10 Gbit/s速率的PON在相同的ODN共存时，需要25 Gbit/s速率的PON和10 Gbit/s速率的PON具有相同的光功率预算，这要求在25 Gbit/s速率的PON系统中，提高光发射机的发射功率或者接收机的灵敏度，可以通过在发送机后和接收机前增加放大器来提高光发射机的发射功率和接收机的灵敏度，但是增加放大器会提升系统成本和功耗。

图4 基于PAM4或者NRZ编码实验设置

图5 基于25 Gbit/s速率的APD实验设置

3 高功率预算的实验研究

为了解决 25 Gbit/s PON系统的色散和功率预算问题，采用基于零色散附近的25 Gbit/s速率的EML、分别基于25 Gbit/s和10 Gbit/s速率的APD接收机进行了实验研究。基于25 Gbit/s的APD系统，采用的NRZ编码和解码；基于10 Gbit/s速率的APD接收机，由于采用10 Gbit/s速率的 APD接收25 Gbit/s的信号有带宽受限的问题，所以在接收侧采用了光双二进制直接检测恢复 25 Gbit/s速率的数据。

基于 25 Gbit/s速率的 APD实验设置如图 5所示，为减少色散效应，实验中的 25 Gbit/s的 EML采用的波长为1 309 nm的激光器，光信号的消光比为8.1 dB。25 Gbit/s的误码分析仪发出 25 Gbit/s速率的 231-1的伪随机码，经过25 Gbit/s的外腔调制激光器后转化为光信号在光纤中传输，经过可调光衰减器后到达接收方的APD接收机，光信号经过APD转化为电信号后经过跨阻放大器和射频放大器后输入25 Gbit/s误码分析仪。实验分别测量了背靠背（0 km光纤）和经过20 km光纤后接收光功率和误码率的关系，如图6所示。

图6 实验测量的接收光功率和误码率的关系曲线

在10-3的误码率下，背靠背情况下APD的接收灵敏度为-28 dBm，25 Gbit/s的光信号经过20 km光纤的传输后，光纤色散效应导致信号的接收灵敏度下降 1 dB，如图 5下方眼图。本实验中，将EML的发射光功率设置为+5 dBm，经过 20 km光纤后在 10-3的误码率下接收灵敏度为-27 dBm，在没有光放大器的情况下，可以达到10 Gbit/s对称的吉比特无源光网络的32 dBm的N2级别的光功率预算，可以用在现有的ODN上替代N2级别光功率预算的10 Gbit/s速率的PON系统，或者和现在的ODN上N2级别光功率预算的10 Gbit/s速率的PON系统共存。

基于10 Gbit/s的APD的实验如图7所示，为减少色散效应，实验中的25 Gbit/s的EML采用的波长为1 309 nm的激光器，光信号的消光比为8.1 dB。25 Gbit/s的误码分析仪发出25 Gbit/s速率的231-1的伪随机码，经过25 Gbit/s的EML后转化为光信号通过可调光衰减器后到达接收方的10 Gbit/s速率的光接收机APD，光信号经过APD转化为电信号，电信号经过电双二进制检测器后到达25 Gbit/s误码分析仪。由于使用了 10 Gbit/s速率的接收机接收25 Gbit/s速率的信号，导致了信号的不同比特之间的干扰，造成了接收到的信号为三电平信号，如图7下方眼图，实验采用了三电平信号检测器将接收到的信号恢复成25 Gbit/s速率的二进制信号。实验测量了背靠背情况下接收光功率和误码率的关系，如图8所示，在背靠背的测试情况下，在 10-3的误码率下，APD的接收灵敏度为-22 dBm。

图7 基于10 Gbit/s速率的APD实验

图8 实验测量的接收光功率和误码率的关系曲线

4 结束语

为了解决25 Gbit/s PON系统的色散和功率预算问题，采用基于零色散附近的25 Gbit/s速率的EML、分别基于25 Gbit/s和10 Gbit/s速率的APD接收机进行了实验研究。实验结果表明，采用25 Gbit/s速率的APD，EML的发射光功率设置为+5 dBm，经过20 km光纤后在10-3的误码率下可以获得-27 dBm的接收灵敏度，在没有光放大器的情况下，达到10 Gbit/s对称的吉比特无源光网络的32 dBm的 N2级别的光功率预算；采用 10 Gbit/s速率的 APD和 EDB检测技术，EML的发射光功率设置为+5 dBm，背靠背情况下在10-3的误码率下可以获得-22dBm的接收灵敏度，系统光功率预算为27 dBm，下降5 dB。实验证明，NRZ编码下，采用25 Gbit/s速率的APD接收机，能达到10 Gbit/s对称的吉比特无源光网络的32 dBm的N2级别的光功率预算。

[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，中兴通讯股份有限公司工程师、预研系统工程师，主要从事光纤通信的研究工作。

郭勇（1976-），男，博士，中兴通讯股份有限公司高级工程师、预研系统工程师，主要从事通信技术的研究工作。

印永嘉（1978-），男，中兴通讯股份有限公司高级工程师、预研系统工程师，主要从事通信技术的研究工作。

马壮（1970-），男，博士，中兴通讯股份有限公司高级工程师、预研总监，主要从事通信技术的研究工作。

张伟良（1974-），男，博士，中兴通讯股份有限公司高级工程师、预研系统工程师，主要从事通信技术的研究工作。

2016-12-16；

2017-02-07

上海市科技成果转化和产业化基金资助项目（No.16511104100）

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