在光接入技術(shù)領(lǐng)域，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）無疑是話題多，也是受系統(tǒng)開發(fā)商推崇的技術(shù)。無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network, PON）是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設(shè)備的故障率，提高了系統(tǒng)可靠性，同時節(jié)省了維護(hù)成本，是電信維護(hù)部門長期期待的技術(shù)。APON采用基于信元的傳輸系統(tǒng)，允許接入網(wǎng)中的多個用戶共享整個帶寬。這種統(tǒng)計復(fù)用的方式，能更加有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。APON能否大量應(yīng)用的一個重要因素是價格問題。目前代的實際APON產(chǎn)品的業(yè)務(wù)供給能力有限，成本過高，其市場前景由于ATM在范圍內(nèi)的受挫而不確定，但其技術(shù)優(yōu)勢是明顯的。特別是綜合考慮運行維護(hù)成本，在新建地區(qū)，高度競爭的地區(qū)或需要替代舊銅纜系統(tǒng)的地區(qū)，此時敷設(shè)PON系統(tǒng)，無論是FTTC，還是FTTB方式都是一種有遠(yuǎn)見的選擇。在未來幾年能否將性能價格比改進(jìn)到市場能夠接受的水平是APON技術(shù)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。

　　綜合現(xiàn)有商用系統(tǒng)和潛力技術(shù)兩方面綜合考慮，其發(fā)展趨勢大致分為三個步驟，可以將其歸納為EPON/GPON無縫升級（NG1）、WDM-PON（NG2）和超高速超大容量PON。PON網(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)點是消除了戶外的有源設(shè)備，所有的信號處理功能均在交換機(jī)和用戶宅內(nèi)設(shè)備完成。而且這種接入方式的前期投資小，大部分資金要推遲到用戶真正接入時才投入。它的傳輸距離比有源光纖接入系統(tǒng)的短，覆蓋的范圍較小，但它造價低，無須另設(shè)機(jī)房，維護(hù)容易。因此這種結(jié)構(gòu)可以經(jīng)濟(jì)地為居家用戶服務(wù)。PON的復(fù)雜性在于信號處理技術(shù)。在下行方向上，交換機(jī)發(fā)出的信號是廣播式發(fā)給所有的用戶。在上行方向上，各ONU必須采用某種多址接入?yún)f(xié)議如時分多路訪問TDMA（Time Division Mutiple Access）協(xié)議才能完成共享傳輸通道信息訪問。

　　如果我們將現(xiàn)有PON的技術(shù)起點定在EPON/GPON，以GPON為例，能提供2.5Gb/s的下行傳輸和1.25Gb/s的上行傳輸。就NG1而言，其概念要點在于成本考慮，即我們不希望對現(xiàn)有EPON、GPON網(wǎng)絡(luò)做太多的改變，希望通過平滑的技術(shù)升級，在不影響已有服務(wù)的情況下，對系統(tǒng)做升級，支持具有更高容量需求的新業(yè)務(wù)。通常這種升級希望下行至少實現(xiàn)10Gb/s的容量，上行至少實現(xiàn)2.5Gb/s的傳輸。

　　就NG2，通常指的是容量超過40Gb/s的系統(tǒng)。我們知道時分復(fù)用（TDM）在這個容量要求上已經(jīng)無能為力。但就這一步而言，究竟采用何種技術(shù)還沒有定論，在沒有更好替代技術(shù)前提下，無疑WDM-PON會被提上應(yīng)用日程。我們知道WDM-PON原理上有數(shù)不清的優(yōu)勢，但之所以這些年來，被開發(fā)商和運營商冷遇，原因在于其高昂的成本。要讓其走向?qū)嵱没?，如何有效降低成本是關(guān)鍵。也許有朋友已經(jīng)獲悉，今年愛立信剛從歐盟拉到一個數(shù)額龐大的資助項目，并成立了一個名為GigaWaM的小組，專門致力于WDM-PON成本降低的研究。

　　就NG3，目標(biāo)鎖定在幾百Gb/s，甚至Tb/s的超高速，超大容量系統(tǒng)。這似乎離眼前的市場需求相去甚遠(yuǎn)。但技術(shù)的開拓是永無止境的，很多公司的預(yù)研部門，在這一步里，我將就現(xiàn)有提出的，對超高速，超大容量的NG3系統(tǒng)應(yīng)用潛力的三項技術(shù)，偏振復(fù)用、DQPSK調(diào)制和相干檢測做概括介紹。并重點揭示這些技術(shù)結(jié)合使用的集團(tuán)性優(yōu)勢。

　　一、對EPON/GPON的無縫升級（smooth update）：

　　就NG1而言，前面已經(jīng)提到了，開發(fā)原則歸納為兩個字，就是兼容。即開發(fā)的10Gb/s的新系統(tǒng)只能是對現(xiàn)有EPON/GPON的升級，讓新系統(tǒng)同時支持已有EPON/GPON的用戶和新購買更大帶寬的新用戶。以下行GPON為例，就是要讓系統(tǒng)同時傳輸2.5Gb/s的老服務(wù)和10Gb/s以上的新服務(wù)，且要求兩者互不干擾。

　　圖1. NG1的構(gòu)成示意圖

　　圖1是愛立信的NG1傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖，其符合我們上述描述的應(yīng)用模式，讓骨干網(wǎng)里同時傳輸兩種服務(wù)模式。愛立信這里并沒有直接告訴我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)這種無縫對接。但已有很多技術(shù)性論文闡述了這一點。如果要把圖1的模式現(xiàn)實化，容易想到是把圖中的Co-exister用一個WDM器取代，即采用波分復(fù)用，使用兩個不同的波長來傳輸兩種不同的服務(wù)。

　　圖2. Bell實驗室建議的NG1方案

　　圖中可以看到，該計劃仍使用四個波長，兩個支持原EPON/GPON服務(wù)上下行傳輸，另兩個支持新的10Gb/s服務(wù)上下行傳輸。而在下行方向上，新服務(wù)使用略大的波長做載波。在OLT，新老服務(wù)被獨立調(diào)制后經(jīng)過一個波分復(fù)用器復(fù)用到骨干網(wǎng)傳輸。這里有特色的是新服務(wù)信號的調(diào)制方式，可以從圖2看到，新服務(wù)沒有被調(diào)制在載波基帶上，而被調(diào)制在邊帶上。而老服務(wù)信號采用正常的調(diào)制方式。在ONU端，我們知道每個ONU的構(gòu)成上，通常都含有一個電子的低通濾波器（LPF）。因此在信號被探測后，在電子域，對老的那些ONU，可以容易的通過LPF濾除加載新服務(wù)的那些邊帶信號（近似于噪聲的影響）。而享用新服務(wù)的那些ONU則需要一個CWDM器來區(qū)分兩個波長信號。從圖2可看到，采用這樣的技術(shù)策略，對原有老用戶，沒有做任何改動，卻避免了來自新服務(wù)的串?dāng)_影響。

　　總結(jié)來看，NG1將仍使用時分復(fù)用模式，如何對現(xiàn)有系統(tǒng)做改動，實現(xiàn)兼容才是關(guān)鍵。而新服務(wù)畢竟具有更高傳輸速率，特別對超過10Gb/s的系統(tǒng)，色散成為影響信號質(zhì)量的關(guān)鍵系統(tǒng)損傷因素。如何有效維持?jǐn)?shù)據(jù)在原有系統(tǒng)里穩(wěn)定傳輸，抑制串?dāng)_呢？顯然，我們在前述的技術(shù)框架下，只能對新服務(wù)的OLT和ONU做適當(dāng)改進(jìn)。我認(rèn)為，以下兩種技術(shù)非常適合NG1支持高比特率新服務(wù)應(yīng)用：

　　1.光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制： 如圖3所示

　　圖3. 光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制原理示意圖

　　通常的強(qiáng)度調(diào)制，以兩個不同的強(qiáng)度階表示數(shù)字信號的“1”和“0”。所謂光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制直觀的想法是在“1”和“0”間引入一個新的強(qiáng)度階“0.5”，這樣頻譜利用效率便得到加倍。但顯然這樣的三階強(qiáng)度調(diào)制會給信號檢測帶來壓力，對探測器要求大大提高，不是經(jīng)濟(jì)的選擇。因此通常所說的光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制是指圖3右邊所示，仍使用兩個強(qiáng)度階來表示“1”和“0”，但使用兩個不同的相位“0”和“π”來產(chǎn)生“1”和“-1”，實現(xiàn)類似的三個階。

　　為什么建議進(jìn)行光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制呢？原因有兩個，其一自然是頻譜利用效率得到翻倍，但這只是次要原因；其二是該格式的色散公差比起單純的強(qiáng)度調(diào)制得到翻倍，這才是該技術(shù)受到矚目的關(guān)鍵所在。

　　圖4. 不同調(diào)制格式下的信號譜寬比較

　　通常存在這樣一個經(jīng)驗關(guān)系，信號傳輸?shù)纳⒐钆c其譜寬的平方成正比。圖4比較了幾種常見信號調(diào)制格式的譜寬，可見到紅線所示的光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制具有窄的線寬。

　　2.電子色散補償（EDC）：

　　前面提到的光學(xué)雙二進(jìn)制是從調(diào)制上來對色散的影響打了一個預(yù)防針。但對長距離傳輸，色散的累積影響，不可避免的會惡化高速信號質(zhì)量，導(dǎo)致誤碼。這就需要對色散進(jìn)行補償。前面說了對NG1，補償只能發(fā)生在新客戶的ONU端。

　　二、WDM-PON的成本降低：

　　時分復(fù)用到了10Gb/s以上的傳輸，已經(jīng)越來約接近容量極限。因此如果要推廣更大容量的系統(tǒng)，必須要采用新技術(shù)。而比較來比較去，似乎只有WDM-PON有希望。需要特別注意的是，與NG1不同，NG2由于基于新的技術(shù)組網(wǎng)，因此我們不再是對原系統(tǒng)進(jìn)行升級，而是重新組網(wǎng)，新鋪設(shè)主干線。

　　就原理上，降低WDM-PON成本，有兩個主要考慮方向，一是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，二是降低器件成本。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可做的工作有很多，舉個例子，我們可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在使用數(shù)量EDFA、色散補償光纖的情況下，獲得相對的性能。對器件成本的降低，主要的是降低光源成本。我們知道WDM技術(shù)，終目標(biāo)是用波長取代IP的作用，每個目標(biāo)用戶分配一個波長。在下行方向上，我們可以通過一個寬帶光源，調(diào)制不同波長信號，經(jīng)過復(fù)用器復(fù)用在一根光纖上傳輸，到終端通過解復(fù)用器，各個波長分開到達(dá)目標(biāo)客戶端。但上行端就不容易了。要知道對典型的點對多點網(wǎng)絡(luò)，存在數(shù)量龐大的ONU群體，如果我們在每個ONU上都使用一個光源，那整個系統(tǒng)的成本就是無法接受的了。為此，眼下有個非常時髦的概念，就是“無色”光源。

　　圖5. 光源無色化應(yīng)用的WDM-PON

　　如圖5所示，整個網(wǎng)絡(luò)中僅在OLT存在一個寬帶光源，其光譜范圍至少覆蓋使用波分復(fù)用器AWG的兩個相鄰自由光譜范圍（FSR）。在發(fā)射端，僅第二個FSR的波長被用來調(diào)制信號，下行傳輸用。由于AWG是典型的線性器件，因此具有環(huán)形光譜響應(yīng)特性，這樣在RN，使用解復(fù)用器后，對特定的ONU，例如ONUn，將有兩個波長輸出，如圖中標(biāo)識的λUn和λDn。對每個ONU，通過一個WDM濾波器，將λUn和λDn分開，其中λDn信號被探測解調(diào)。而空白波長λUn直接照射在一個反射式的半導(dǎo)體放大器（RSOA）上，用于上行信號調(diào)制。這里的RSOA起到三個作用，其實是可以對信號預(yù)放大，其二是相當(dāng)于一個強(qiáng)度直接調(diào)制器，對上行信號調(diào)制，其三是由于其工作于增益飽和區(qū)，因此對噪聲具有較強(qiáng)抑制力。圖5所示的系統(tǒng)，通常被稱為使用RSOA的無色WDM-PON。

　　三、超高速超大容量PON：

　　由于WDM-PON的信息復(fù)用模式與TDM不同，因此對40Gb/s的系統(tǒng)，如果采用了WDM-PON，例如使用的AWG有32個通道，那么單通道的調(diào)制速率也僅僅1.25Gb/s，這樣色散、非線性的影響都并不強(qiáng)烈。而第三代PON，所說的超大容量，超高速，是說單通道調(diào)制就達(dá)到或超過40Gb/s的系統(tǒng)。因此，這里我對這樣的系統(tǒng)，概括近來有應(yīng)用潛力的三項技術(shù)，并重點揭示他們的整合優(yōu)勢：

　　1.偏振復(fù)用技術(shù)：

　　偏振作為光的一個基本物理屬性，和波長、時間、頻率等參數(shù)一樣，都可以用于信息復(fù)用。而傳統(tǒng)系統(tǒng)要使用偏振復(fù)用并不容易，因為光纖中的偏振態(tài)會隨著傳輸距離的增加而改變，特別對于高速系統(tǒng)，由于偏振相關(guān)損耗（PDL）和偏振模式色散（PMD）的交互影響，信號質(zhì)量的穩(wěn)定性值得商榷。但對于超高速，超大容量系統(tǒng)，偏振復(fù)用的使用能夠簡單的讓單通道傳輸容量加倍，其常規(guī)現(xiàn)方式如圖6所示。

　　圖6. 偏振復(fù)用的實現(xiàn)

　　2.差分四相相移鍵控（DQPSK）調(diào)制格式：

　　DQPSK是近年來非常受關(guān)注的信號調(diào)制格式。和偏振復(fù)用一樣，使用DQPSK調(diào)制也能將頻譜利用效率加倍。兩者的差別可以從圖7看到。

　　圖7. 偏振復(fù)用與DQPSK概念比較示意圖

　　我們知道相位漂移監(jiān)控（DPSK）是非常受關(guān)注的調(diào)制格式，因為其是基于相位上的“0”和“π”來表示兩個不同的信號階，因此強(qiáng)度上維持了常數(shù)的包絡(luò)。這對高調(diào)制速率信號很有意義，因為常數(shù)強(qiáng)度包絡(luò)對非線性具有良好的抵御力。但是從圖中可以看到，DPSK是典型的二進(jìn)制調(diào)制，頻譜利用率不高。為了進(jìn)一步提高頻譜利用率，有兩種技術(shù)可以被采用。其一是上面提到的偏振復(fù)用技術(shù)，其二就是DQPSK調(diào)制格式的采用。我們對比圖7和圖3就可以容易的理解，DQPSK本質(zhì)上就是一種光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制，在“0”和“π”之間引入了“π/2”這個中間參考階，進(jìn)而將頻譜利用率翻倍。如圖7所示。

　　3.相干檢測技術(shù)：

　　我們知道現(xiàn)有的光通信系統(tǒng)都是非相干系統(tǒng)，當(dāng)然采用的檢測技術(shù)基本都是以直接探測為基礎(chǔ)的非相干檢測。相干探測則常采用零差和外差兩種方式。顯然其實現(xiàn)起來比非相干檢測要難很多，要求也高很多。

　　4.三種技術(shù)結(jié)合使用的集團(tuán)優(yōu)勢：

　　以上談到的三種技術(shù)，都是近年來研究密集，受關(guān)注頗多的技術(shù)。但可以看到，單獨用任何一項，盡管具有很多優(yōu)勢，但也具有很多難點。如果權(quán)衡性價比要求，似乎為改善性能帶來的額外成本問題，會讓技術(shù)推廣得不償失。

　　例如，我們知道偏振復(fù)用能將頻譜利用率加倍，但其對偏振非常敏感，特別對高速系統(tǒng)，由于PMD的影響，偏振態(tài)的微小變化既會影響復(fù)用效果，也會影響信號傳輸質(zhì)量。顯然，單獨應(yīng)用偏振復(fù)用，我們必須對偏振嚴(yán)格控制，并對PMD監(jiān)控，補償。

　　圖8. 結(jié)合使用偏振復(fù)用、DQPSK的相干檢測系統(tǒng)

　　此外，對偏振復(fù)用的系統(tǒng)解復(fù)用也是一個難點，需要附加的元器件和子系統(tǒng)都相對昂貴。圖8給出了對偏振復(fù)用、DQPSK混合使用系統(tǒng)的相干檢測系統(tǒng)。從圖中可以看到，相干檢測系統(tǒng)本身就可以用于對相位調(diào)制的DQPSK信號解調(diào)。這樣的混合系統(tǒng)既集成了各自的獨立優(yōu)勢，又能難點互補?？偨Y(jié)來看，三者的混合技術(shù)具有如下特點：

　?。?） DQPSK+偏振復(fù)用，能獲得化的頻譜利用率，每字符加載四字節(jié)信號；

　　（2） DQPSK為系統(tǒng)提供了對色散、非線性和PMD化的公差；

　　（3） 相干檢測可以和相位解調(diào)并行使用，且能在電子域?qū)ζ駨?fù)用信號解復(fù)用；

　?。?） 用于偏振解復(fù)用的DSP模塊同時也能用于電子色散補償功能，并可對非線性、PMD在電子域進(jìn)一步補償。

　　作一個總結(jié)，我在這里就個人知識背景，總結(jié)了未來一段時間內(nèi)，無源光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，就技術(shù)選擇和預(yù)期提供的網(wǎng)絡(luò)容量來講，可分三個臺階。每個臺階都有自己的焦點問題，和富有潛力的技術(shù)。