摘要：光接入是下一代网络的重要组成部分，也是未来近十年光通信技术发展的主要方向。本文论述了下一代光接入网技术的发展，重点介绍下一代光接入网的网络架构及其关键光器件与光模块，并阐述了下一代光接入网的市场发展与应用前景。

   关键词：下一代接入网，光接入网，光纤到户，无源光网络，波分复用，时分复用

   1、引言

   光接入是下一代网络的重要组成部分，也是未来近十年光通信技术发展的主要方向。作为下一代网络架构的“神经末梢”，光接入网不仅具有巨大的应用市场前景，而且对各种业务和技术融合开发的需求也不断增长。近几年光接入网络建设在世界各国的发展势头迅猛，欧洲及美国、日本、韩国等发达国家都将光接入作为抢滩信息经济制高点的核心技术。随着业界“光进铜退”战略的实施，光纤网络正由过去的骨干网和城域网向接入网延伸，尤其是“光纤到户”技术的发展，使光纤“信息高速公路”直通用户。

   现有的光接入技术包括GPON（吉比特无源光网络）和EPON（以太网无源光网络）。其中，GPON具有较好的QoS性能，但是其建设成本过高，短时期内很难在国内大规模推广应用；EPON结合以太网和无源光网络两者优点，具有良好的经济性和实用性，但当终端用户(ONU)数目增加时，带宽保障及QoS性能也随之下降。目前，运营商机房与终端用户(ONU)之间通常相隔几公里乃至几十公里，而其间光缆资源相对十分有限，现有的GPON或EPON技术普遍采用1:32分支比。为了提高覆盖率，须增加铺设光缆数量，从而导致建设成本增加，而且会面临管线资源受限的困境；若增加分支比，一方面带来QoS性能降低，同时也降低了终端用户带宽。

   另一方面，光接入网的发展要求实现视频、数据和语音三种业务“网络融合”，尤其是融合接入高带宽的视频业务（如VOD、视频点播等）。，而现有EPON/GPON技术并不能很好地满足用户带宽的增长需求。如何进一步地提高光接入网带宽以及如何更好地完成多业务的承载与融合是下一代光接入网所要面临的主要问题。

   2、下一代光接入网技术的发展

   目前，已经提出的下一代光接入网技术主要有：

   1） 10G EPON技术，是对目前现有EPON技术的一种扩展。其不改动现有EPON的MAC层控制协议，仅重新定义PHY物理层规范，将上下行传输速率提升到10Gb/s。该技术的优点是简单且易于实现，同时可借鉴EPON应用成功的经验，可在技术上具有较高的成熟度；该技术不足之处在于，当速率上升到10Gb/s后，对光发送与接收器件、物理层时钟锁定、恢复芯片以及MAC层芯片的时钟定时、同步等都提出了更高的要求。其OLT、ONU的器件与设备成本将大幅度增加，不满足光接入网低成本的要求，而且由于电子系统处理速度的瓶颈，这种通过提高速率来提升带宽的方法在今后的技术发展中将会有越来越少的升级空间。

   2） WDM-PON技术，即波分复用无源光网络系统，具有最佳的带宽保障及多业务融合能力。国内有华中科技大学完成的“十五”863项目（“基于以太网的宽带无源光网络系统”）。该项目基于低成本特定波长激光器实现了上行波分多址、下行广播方式的WDM-PON系统，开发了相应的WDM-PON设备并起草了相关标准。其优点是网络架构简单，不需要EPON/GPON的突发模式发送与接收以及动态带宽分配、测距和时延精确控制等复杂技术；其不足之处是，终端用户(ONU)需要特定波长激光器，给规模化工程部署以及维护带来不便。

   以韩国Novera公司等为代表的企业界和学术界致力于开发与波长无关的““无色””ONU技术。Novera公司与LUCENT、LG结成战略合作伙伴，已开发出点到点的采用“无色”ONU的WDM-PON产品，并在欧美已实现了产品的商用。实现方法是在局端设置一宽谱光源（BLS），沿下行光纤传送到远端光节点的无热周期性阵列波导光栅（AWG）进行光谱分割。在ONU中用采用了波长注入锁定的FP-LD专利技术取代光发送激光器。该FP-LD接收AWG光谱分割之后的特定波长光，加载ONU调制信息之后上行回传送至OLT。该技术的优点在于，由于波长注入锁定的FP-LD对被动注入的光源具有宽谱特性，可以实现“无色”“无色”ONU；这项技术的不足之处在于：局端宽谱光源分割产生的特定波长光信号功率偏低，因此只能用于点到点的纯WDM-PON。

   韩国的ETRI (Electronics and Telecommunications Research Institute)以及国内华中科技大学开发的价格非常低廉的波长可调谐激光器（Tunable Laser），用于WDM-PON波长可调光模块产品的开发。不过，这种波长可调光模块用于局端设备尚可，如果用于用户端ONU设备，由于需要配置光波长，因此并不能实现真正的“无色”ONU。

   此外，也有报道采用SLD宽谱光源作为ONU的上行发送光源，通过光谱分割技术实现波分复用。这种技术的缺点是，SLD宽谱光源驱动电流较大，而且由于光源光谱很宽，要求上下行波长有足够大的波段间隔，因此不适合于C/L波段。

   3） HPON技术，即混合波分时分复用无源光网络系统，它在EPON/GPON的OLT与ONU之间插入波分复用系统，可将多个PON单元通过WDM技术复用到一根光纤中传输。该技术既利用EPON的时分复用实现点到多点的用户接入，又利用波分复用技术成倍提高单根光纤通信容量的特点（上下各16个波长且Splitter的分光比达到1:32时，单根光纤可以容纳512个FTTH用户），可显著增大单纤接入用户数目以及用户接入带宽，并可大幅度降低网络扩容升级建设成本。韩国HPON系统架构主要是在ONU中用反射式半导体光放大器（RSOA），实现ONU的“无色”。主要技术思路是，在局端设置一宽谱光源（SLD），沿下行光纤传送到远端光节点的无热周期性阵列波导光栅（AWG）进行光谱分割，在ONU中用反射式半导体光放大器（RSOA）取代光发送激光器，该RSOA接收AWG光谱分割之后的特定波长光，加载ONU调制信息之后反射上行回传送至OLT。该技术的优点在于，由于RSOA是一个宽谱的光放大器，因此与入射波长无关，可以实现“无色”ONU；该技术有效地结合了EPON良好的经济性和实用性以及WDM-PON最佳的带宽保障性能，大大降低了室外布线的成本，同时提高了光纤的利用率。但是，由于在HPON中EPON时分复用的光功分器（POC）插入光功率损耗高达十多分贝dB，因此要求ONU中的RSOA（或宽谱光源）具有很大增益（或功率）才能平衡线路光功率预算，这意味着ONU具有很高的成本代价，并不符合低成本要求。

   目前国外是对上述三种技术开展了广泛的研究和试验，特别韩国针对基于波长注入锁定的FPLD技术的WDM-PON、基于RSOA技术和可调波长激光器（Tunable Laser）技术的HPON进行了大量网络体系架构和器件的基础研究，努力形成在下一代光接入网领域的国家创新竞争力。Novera公司的WDM-PON已在欧美各大运行商进行了商用演示测试。由韩国的ETRI的研制的基于RSOA技术的HPON在被韩国第二大电信运行商Hanaro进行了商用水平的试验演示测试。

   业界公认，下一代光接入网络的发展方向是更高速率的TDM-PON和更多波长的WDM-PON的结合。紧跟下一代光接入网的发展步伐，立足于自主创新，开发具有自主知识产权的下一代光接入网设备具有十分重要的战略意义。

   3、网络架构

   笔者提出的一种下一代光接入网的网络结构如图1所示。采用单纤分波受控传送技术，即利用一根光纤传送上下行单播、基于IP的视频组播以及CATV广播业务的多个波长光信号。

   在局端OLT，多个λ-EMD的时分复用PON单元的多波长光发送阵列模块（λ-Tx）发送信号（λD1~λDn）和光接收阵列模块（λ-Rx）接收信号（λU1~λUn）、IP视频组播信号（λm）、CATV信号（λc）以及局端多波长激光器(MWL) 泵浦光（λU1~λUn）通过波分复用器（WDM）及环行器(C)耦合进入同一根单模光纤传输。其中MWL产生的泵浦光及回传的上行调制光信号被一个双向光放大器(DOA)放大，单播与组播下行信号被另一光放大器（OA）放大。

   在光分配网络ODN中，光下载/透传复用器（ODTM），将需要下载的1个或多个波长信道通过下载端口输出，将其余波长信道通过透传端口输出；下载端口输出的波长信号再由光功分器（POC）分别送至多个用户端远程接入单元λ-RIU（ONU）；根据网络工程需要，透传端口输出的光信号可送至下一级光下载/透传复用器，且光功分器（POC）也可分成多级，籍此构成多级无源光分配网络。
在用户端远程接入单元λ-RIU（ONU），远端光调制器（RMOD）接收局端多波长激光器（MWL）的某一个波长泵浦光（λi），并进行调制之后反向上行回传；利用WDM实现RMOD、单播RX、组播RX以及CATV不同波长信号的复用或解复用。

   各个用户端远程接入单元λ-RIU（ONU）上行信号（λU1～λUn）在局端先由DOA进行高灵敏度（-40dBm）前置光放大之后，再送至多波长光接收阵列模块（λ-Rx）。
 
   基于多波长激光与远端光调制的单纤传输的HPON系统构架
   该系统方案有如下特点：

   1)采用单纤分波受控传送技术，利用一根光纤同时传送多波长通道多业务信号，有利于光纤资源受限的接入网建设；

   2)λ-RIU（ONU）光发送模块采用的远端光调制器（RMOD）与波长无关，能够工作于局端MWL供给的任一种波长光信号，因此是一种“无色”“无色”ONU的解决方案，又由于这种器件的工艺与半导体激光二极管（LD）的工艺基本相同，因此可以确保规模化生产实现低成本；

   3)ODN全部由无源光器件构成，可以确保接入网络的““全光””特性和““无源””特性；而且，可以根据实际工程需求设计ODTM器件的下载波长信道和透传波长信道，实现灵活多样性的多级无源光分配网络。

   4)OLT光收发模块的集成化，使得OLT单板只需一根光纤输入和输出，大大简化了OLT单板光接口设计。

   5) 利用双向光放大器（DOA）分别放大下行泵浦光和上行光信号，有效地降低了单纤传输光功率，有利于降低传输非线性效应。

   6)上行波长设置在C波段，一方面符合国际标准研究趋势，另一方面符合低成本接入要求，而且符合保留CATV的1550nm波段的中国国情。当信道间隔取400GHz（3.2nm）时，单纤可复用上下行波长数目为8个；如果信道间隔取200GHz（1.6nm），则单纤复用上下行波长数目可达到16个。

4、关键光器件与光模块

   (1)ODN设备：

   ODN 设备中的光下载/透传复用器(ODTM)由输入端口波分复用器、若干个下载端口波分复用器、透传端口波分复用器以及若干个光功分器构成。输入端口波分复用器将需要下载的多个波长解复用输出，分别送至相应的下载端口波分复用器，并将透传波长送至透传端口波分复用器。组播及CATV信号也由输入端口波分复用器解复用，并利用光功分器分出与下载波长数相等的光信号送至各个下载端口波分复用器与单播信号合波输出。如果下载端口数目与单纤复用波长数目一致，则可将透传端口设计为扩容端口，留作网络升级备用。

   (2)用户端设备：

   用户端设备以太远端接口单元（λ-RIU）接收下行单播、组播和CATV光信号，支持双光链路上行，支持单播业务和组播业务的受控传输以及CATV业务，实现异质业务数据的融通输出。ONU为光接入网终端设备，由PON口输入的光信号首先通过DWDM进行解复用，将波长为λDi的单播数据下行光信号送给特制光模块完成光电转换。在上行方向，ONU将OLT远程传送下来的λUi直流光信号通过RMOD进行上行数据调制，然后将调制的光信号上行发送；对于波长为λm的组播数据信号，也可以采用标准的千兆光接收模块完成光电转换；对于波长为λc的CATV信号，由于是模拟信号，为了防止数模之间相互干扰，采用单独的射频接收模块进行光电转换。最后，通过交换汇聚单元将双向单播数据信号和下行组播数据信号汇聚后形成统一的数据接口，再向下发送给UNI用户接口。

   (3)多波长激光器：

多波长种子光源由多波长种子光源谐振腔内插入WDM滤波器进行选频滤波，输出多波长种子光。其输出种子光经由高饱和输出功率掺铒光纤放大器进行放大，输出高功率多波长激光。本课题中，掺铒光纤放大器设计为双向放大模式，除了放大多波长种子光源下行光之外，还将放大ONU上行信号光。

   (4)远端光调制器

   利用偏振无关激光二极管（PIS-LD）芯片对于入射光信号在加电流时的激射透明以及在不加电流时深度吸收作用，来实现对入射光信号的调制以及关断，可以获得λ-RIU光突发发送的“0”、“1”和“Dark”三种状态。

   (5)OLT多波长光收发集成模块

   由多波长通道光发送阵列单元、多波长通道光接收阵列单元、组播信号发送单元以及波分复用器集成一体，实现多波长光收发集成模块，用于本课题局端OLT设备，只需一根光纤输入输出，即可实现多个PON单元多波长多业务光收发，可以大幅度简化OLT单板结构设计。

   （6）波长可选择调谐特定波长激光器

   采用低成本FP-LD增益芯片在输出端镀制超低剩余反射增透膜，在另一端镀制反射膜，该反射膜与光纤反射滤波组件一起构成特定波长选择谐振腔，输出符合ITU-T标准的特定波长光信号。其特点是结构简单、低成本，可工作于 2.5Gbps5Gb/s调制速率，构成OLT侧下行光发送模块的特定波长激光器。

   5、市场应用前景

   进入21世纪以来，全球宽带接入网进入迅速发展阶段。随着网络电视、视频点播、网络游戏、在线音乐等新兴宽带业务的不断推出，用户对接入网的带宽需求越来越高。无源光网络（PON）凭借其高带宽、免维护、管理功能强等优点被全世界公认为最佳接入网解决方案。

   目前，光纤到驻地户（FTTP）或光纤到户（FTTH）在全球已经开始进入启动阶段，日本是世界上推进FTTH最激进的国家。据日本总务省（MIC）发布的数据，2007年第一季度日本宽带用户数约达2644万户，其中FTTX光纤宽带(含FTTH光纤到户、FTTB光纤到楼等)用户约达880万户，市场占有率挺进33%；同时DSL达1401万用户，持续衰退，市场占有率下降至53%，截至2007年3月，日本光纤网络覆盖率达84%，用户容量约达4268万户，FTTX已经逐渐淘汰其它技术成为接入网的主流。基于无源光网络技术的光接入网将成为今后全球接入网发展的主要趋势。

   以驻地网建设作为重要标志的光接入网络也是我国“十一五”计划的重点发展方向。国家广电总局明确要求在有线电视网双向、多功能改造和数字化整体转换中延长有线光纤传输覆盖，拓展有线网络功能，提高有线网络承载能力中国电信在2007年8月完成了首次EPON设备系统集团采购，参与集采的中国电信省分公司已经开始积极部署大规模应用光纤技术的接入网建设。根据中国网通公司最新发布的公告，网通预计投资150亿元开始实施部分地区光纤到户，并将在三到五年内建成。国家发改委也计划围绕北京奥运会、上海世博会等国家重大工程支持建设约300个左右的驻地网，这将极大地促进光接入网的发展。

   光进铜退是通讯接入网的必然发展趋势，据国家部委统计数据，中国宽带用户已达6400万、移动基站数已达50万、有线电视用户已达1.3亿户。目前以上用户基本都采用铜接入技术，我国目前在FTTx G/EPON应用方面已有一定探索，部分地区已有实验局开设，但受到TDM PON的本身技术限制，尚未能进入大多数的家庭及商业用户。目前主流的EPON/GPON等FTTx光接入技术由于受到共同的TDM PON制式的限制，用户集成度、用户带宽、单位用户成本等指标都有待提高。无论是EPON阵营，还是GPON阵营，都把未来的PON技术发展目标定为与WDM技术的结合。

   6、结论

   下一代光接入网紧跟世界通讯技术潮流，与IEEE、ITU等标准组织技术发展趋势相吻合，具有技术先进性及前瞻性。其业务内容涵盖数据、语音、视频等多类型，可应用于固网接入网、移动接入网以及广电系统等多个通讯市场领域，市场前景巨大。发展下一代光接入网技术将对提高我国通讯科技实力具有极大的推动作用，对于培养尖端科技领域研究人才提供强有力的支持，对于打破国外通讯技术垄断具有极其重要的战略意义。

   7、致谢

   本文工作得到国家863计划课题“波分时分混合复用及无源光网络与电网络复合接入技术（编号2007AA01Z229）”资助，谨致谢意！

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