在光接入技術(shù)領(lǐng)域，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）無疑是話題最多，也是最受系統(tǒng)開發(fā)商推崇的技術(shù)。大家知道目前商用的PON以EPON和GPON為主，實(shí)際系統(tǒng)又以EPON居多，事實(shí)上真正的GPON系統(tǒng)并不多見。隨著IPTV、HDTV、雙向視頻、數(shù)字家庭娛樂等多元化業(yè)務(wù)的發(fā)展，現(xiàn)有PON的容量已日顯捉襟見肘。隨之下一代PON（NG-PON）的開發(fā)和商用開始被系統(tǒng)開發(fā)商提上技術(shù)儲備日程。關(guān)于這方面的技術(shù)研究和預(yù)測很多。這里我想就我自己的知識背景和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對NG-PON的發(fā)展步驟，和每一步非常有潛力的技術(shù)做一些預(yù)測和總結(jié)分析。
   
　　就NG-PON，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（NG3）。以愛立信為例，其希望能在2010年推出10Gb/s的NG1系統(tǒng)，在2015年推出至少40Gb/s的NG2系統(tǒng)。而NG3目前更多的是停留在實(shí)驗(yàn)原理研究階段。
   
　　如果我們將現(xiàn)有PON的技術(shù)起點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)10Gb/s的容量，上行至少實(shí)現(xiàn)2.5Gb/s的傳輸。就這一步，我將重點(diǎn)分析潛在的“無縫”升級技術(shù)，目標(biāo)是對已存在的EPON/GPON用戶接入不產(chǎn)生任何影響情況下，實(shí)現(xiàn)最低成本的系統(tǒng)升級。此外，我將重點(diǎn)介紹在這一步里非常具有應(yīng)用潛力的兩項(xiàng)技術(shù)，光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制和電子色散補(bǔ)償。
   
　　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(yùn)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(xiàng)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。歐洲力圖重點(diǎn)攻關(guān)，解決WDM-PON推廣的最大瓶頸——價格。就我所知，除了愛立信，歐洲還有Tellabs Inc., France Telecom SA, Intracom Holdings S.A., FiconTEC GmbH等公司或機(jī)構(gòu)正開展著相似的工作。因此在這一步里，我將重點(diǎn)分析降低WDM-PON成本的關(guān)鍵技術(shù)。
   
　　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，很多知名公司的預(yù)研部門，如NTT、Bell實(shí)驗(yàn)室等都開展著相關(guān)研究。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)用最具潛力的三項(xiàng)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(diǎn)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。即升級指導(dǎo)思想是兩個，一是平滑，二是低成本。要做到平滑的無縫升級，就不可能對現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸骨干網(wǎng)做任何改動，而只能在收發(fā)端略作調(diào)整。

  
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?shí)現(xiàn)這種無縫對接。但已有很多技術(shù)性論文闡述了這一點(diǎn)。如果要把圖1的模式現(xiàn)實(shí)化，最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)。但簡單的這樣做，會帶來很多麻煩。最直接的問題是在ONU端，新舊用戶通過分束器都會接收到兩種業(yè)務(wù)，如何區(qū)分開呢，通常我們必須要在每個ONU前加一個粗解復(fù)用器。這對用戶數(shù)量巨大的局域網(wǎng)，顯然不是一個經(jīng)濟(jì)性的解決方案。換個角度，我們所期望的無縫升級就是不對已存在的ONU做任何改進(jìn)，而只對新服務(wù)使用的那些ONU做一些小的客戶端升級，讓其享受更新的帶寬服務(wù)。類似的實(shí)現(xiàn)方式也有不少，比較典型的是圖2所示，Bell實(shí)驗(yàn)室的一個方案。

 
  

圖2. Bell實(shí)驗(yàn)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(dú)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。而對新用戶，則需要使用一個2×1的粗波分復(fù)用器，這樣的器件，采用光纖熔融拉錐工藝，單個成本通常在幾十塊錢以內(nèi)。
   
　　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)做最小改動，實(shí)現(xiàn)最大兼容才是關(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)量的最關(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)制最直觀的想法是在“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最右邊所示，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(shí)現(xiàn)類似的三個階。具體到實(shí)現(xiàn)方式上，就是先對信號進(jìn)行一次OOK強(qiáng)度調(diào)制，再進(jìn)行一次相位調(diào)制，產(chǎn)生AM-PSK這樣的強(qiáng)度-相位混合調(diào)制。
   
　　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。通常的光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制能達(dá)到±600 ps/nm的色散公差，這對大多數(shù)城域接入都足夠了，不必再使用很多價格昂貴的色散補(bǔ)償光纖。

     
                      
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(yàn)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)制具有最窄的線寬，這說明其天然具有良好的色散抵御力，甚至好于我們常提到的DPSK格式。

2.電子色散補(bǔ)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(bǔ)償。前面說了對NG1，補(bǔ)償只能發(fā)生在新客戶的ONU端。這里我推薦的是EDC，電子色散補(bǔ)償。但對該技術(shù)，一直以來都是富有爭議的話題。很多公司推崇具有強(qiáng)大補(bǔ)償能力的光學(xué)色散補(bǔ)償方法，例如具有很多相關(guān)成品的Civcom和TeraXion公司。而另一派則推崇靈活且廉價的EDC技術(shù)，比如AMCC、Broadcom 和Scintera等公司，都有成熟的EDC模塊，可以與探測器直接集成使用。從我的角度，我更推薦使用EDC技術(shù)，特別是對NG1應(yīng)用，畢竟提倡的概念是升級，當(dāng)然成本是最重要的考量因素。更何況，EDC的補(bǔ)償力也并不弱。且其實(shí)現(xiàn)起來非常靈活，信號經(jīng)過探測器轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過一個DSP模塊，以數(shù)據(jù)圖像處理的方式，濾除色散影響，恢復(fù)出傳輸信號。簡單又實(shí)用。

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最有希望。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。這時候考慮對舊服務(wù)的兼容不再是關(guān)鍵，而應(yīng)該把重點(diǎn)放在如何有效降低整個網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營成本上。而WDM-PON哪都好，就是價格不好。所以，目前的問題就卡在這，如何有效降低WDM-PON的成本是這一步如何走的關(guān)鍵。
   
　　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)，在使用最小數(shù)量EDFA、色散補(bǔ)償光纖的情況下，獲得相對最優(yōu)的性能。對器件成本的降低，最主要的是降低光源成本。我們知道WDM技術(shù)，最終目標(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。這并沒有什么問題。但上行端就不容易了。要知道對典型的點(diǎn)對多點(diǎn)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。所謂光源的無色，就是說將光源中心化，局域化，在ONU盡量不使用光源，而力求對已有波長信息再利用。通過減少光源數(shù)目，甚至只用一個光源來降低整個系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用應(yīng)用?，F(xiàn)有的光源無色化方案有很多，這里僅舉一個例子，

      
                     
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(shí)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。這里以它為例，主要是因?yàn)樵撃Ｊ胶唵?，且原理非常清晰，能夠容易的解釋無色化的含義。但并不是說該方式是最好的，最起碼來說RSOA的調(diào)制速率不高，不可能用于超過2.5Gb/s的調(diào)制。因此，近年來類似的系統(tǒng)時有報道，原理類似，但采用不同的器件，例如RSOA可換成反射式電吸收調(diào)制器等。但這些方法至少從目前來看，都是互有優(yōu)劣，不存在絕對最佳的方案。
   
　　至于愛立信從成立GigaWaM小組以來，這幾個月是否有什么實(shí)質(zhì)性的突破，來降低WDM-PON的成本，目前尚是個未知數(shù)。

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)。與單通道10Gb/s的系統(tǒng)不同，此時不僅色散會嚴(yán)重惡化信號質(zhì)量，非線性，以及PMD同樣會對傳輸產(chǎn)生致命影響。因此，這里我對這樣的系統(tǒng)，概括近來最有應(yīng)用潛力的三項(xiàng)技術(shù)，并重點(diǎn)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?yàn)楣饫w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(shí)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?yàn)槠涫腔谙辔簧系摹?”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?yàn)槌?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。當(dāng)然，如圖7所示，如果我們同時采用偏振復(fù)用和DQPSK調(diào)制，就可以將頻譜利用率提高四倍。和前面提高的光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制類似，DQPSK格式除了在頻譜利用率上具有優(yōu)勢，同時也能提高對色散、非線性以及PMD的公差。

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(shí)現(xiàn)起來比非相干檢測要難很多，要求也高很多。但相干檢測從性能上具有明顯優(yōu)勢，首先其高靈敏度特性能有效提高無中繼傳輸距離，其次相干檢測能顯著抑制噪聲的影響，降低帶間串?dāng)_的影響，這對密集波分復(fù)用系統(tǒng)尤為有利。

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(dú)用任何一項(xiàng)，盡管具有很多優(yōu)勢，但也具有很多難點(diǎn)。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。但我們結(jié)合使用這些技術(shù)，卻能實(shí)現(xiàn)良好的優(yōu)勢互補(bǔ)，產(chǎn)生1+1>2的獨(dú)特效果。
   
　　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(dú)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(bǔ)償。但如果我們同時使用偏振復(fù)用和DQPSK調(diào)制格式，因?yàn)镈QPSK對色散、非線性、PMD都具有很高的公差，使得兩種技術(shù)結(jié)合使用時，偏振復(fù)用也不再對PMD影響那么敏感。起到了優(yōu)勢互補(bǔ)的作用。

    
               
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(diǎn)，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)。同時在相干探測，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，就能在電子域?qū)ζ駨?fù)用的信號進(jìn)行偏振解復(fù)用。使得三者變得都很容易。這樣的混合系統(tǒng)既集成了各自的獨(dú)立優(yōu)勢，又能難點(diǎn)互補(bǔ)?？偨Y(jié)來看，三者的混合技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1） DQPSK+偏振復(fù)用，能獲得最大化的頻譜利用率，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最大化的公差；
（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；
（4） 用于偏振解復(fù)用的DSP模塊同時也能用于電子色散補(bǔ)償功能，并可對非線性、PMD在電子域進(jìn)一步補(bǔ)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(diǎn)問題，和富有潛力的技術(shù)。