無源光網(wǎng)絡(Passive Optical Network， PON)的發(fā)展，即將從EPON(Ethernet Passive Optical Network)及GPON(Gigabit-capable Passive Optical Network)進入更高速的10G PON階段。本文敘述10G-EPON/XG-PON的演進過程，探討10G PON標準的主要設計內(nèi)容，并分析10G PON組件設計的關鍵技術。
EPON先發(fā)GPON后來居上
PON已成為光纖到戶網(wǎng)絡的主要技術，EPON及GPON普遍為全球各電信營運商采用，亞太地區(qū)如日本NTT、韓國KT和中國的中國電信(CT)、中國聯(lián)通(UT)等，由于時間及成本考慮，先采用技術成熟較早的EPON進行光纖到戶建設，其中日本更大量建設EPON網(wǎng)絡，以光纖到戶網(wǎng)絡做為主要有線寬帶接取網(wǎng)絡，NTT現(xiàn)階段用戶數(shù)已超越一千八百萬;臺灣中華電信則于2007年開始引進EPON設備。
GPON技術為國際電信聯(lián)盟電信標準化部門(ITU-T)推動的PON標準，隨著GPON規(guī)格完善及設備漸趨成熟，歐美地區(qū)電信營運商紛紛選擇采用GPON技術，如美國威瑞森(Verizon)及歐洲之法國電信(FT)、英國電信(BT)、德國電信(DT)、意大利電信(TI)等主要業(yè)者，而大陸地區(qū)除了中國移動外，中國電信、中國聯(lián)通也同時建設GPON網(wǎng)絡。
GPON的發(fā)展時間雖然較晚，但由于具備更高速率、標準性等因素，后續(xù)成長性超越EPON。據(jù)市場研究機構Ovum調(diào)查指出，2012年GPON光纖線路終端(OLT)的出貨量首度超越EPON，未來幾年市場也預估GPON將優(yōu)于EPON，儼然成為光纖到戶網(wǎng)絡建設主流。
外部調(diào)變激光是指將激光光注入外部調(diào)變器中，調(diào)變信號控制外部調(diào)變器，利用調(diào)變器的電光或相位差等效應，使其輸出光的強度等參數(shù)隨信號調(diào)變而變化。由于激光只工作在靜態(tài)直流狀態(tài)下，因此可降低啁啾現(xiàn)象，提高信號傳輸性能。目前在10Gbit/s光通訊傳輸系統(tǒng)中長距離傳輸所使用之外部光調(diào)變器，主要有利用電光效應之半導體電吸收型調(diào)變器(EAM)及利用相位差效應之半導體馬赫-曾德調(diào)變器(MZM)。
有關電吸收型外調(diào)激光EAM，它的運作原理為弗朗茲-凱爾迪什(Franz-Keldysh)效應，用電壓進行調(diào)變光的強度，以反向偏壓施加電場使EAM之能階變形，以吸收入射光的方式，達到光調(diào)變效果，主要是將激光二極管(LD)與EAM做在同一基板上，具有調(diào)變速率高、驅(qū)動電壓低、體積小、結構可與半導體激光結構整合，降低封裝成本等優(yōu)勢，成為當前廣泛應用的一種外部光調(diào)變器。
Mach-Zehnder Modulator利用相位差之變化來達到調(diào)變的效果，其方式為將一輸入光源分為兩個路徑，在輸出端重新將被分離的光信號整合，藉由外加偏壓來進行相位調(diào)變。此調(diào)變模式可調(diào)至Chirp Parameter趨近于零，故最適合用在高速長距離光纖傳輸，但因價格較高，較少廠商愿意使用。
在10Gbit/s光收發(fā)訊模塊中，除了激光二極管帶寬、啁啾以及色散外，另一個重要之影響因素就是高溫，早期由于激光二極管及IC未成熟，導致嚴重熱效應，不僅劣化激光二極管質(zhì)量更增大PD(PIN Detector)噪聲，降低光收訊的動態(tài)范圍(Dynamic Range)，縮短傳輸距離。目前XG-PON OLT光收發(fā)訊模塊有部分為XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)的型式，XFP除了DFB-LD的驅(qū)動電流，須再加入外部調(diào)變及溫控系統(tǒng)，而DFB-LD所須提供之偏壓電流又為DML的三倍以上，整個XFP在單位時間內(nèi)所累積的熱在室溫時已很難釋放，如何在70℃的環(huán)境下達到光輸出信號穩(wěn)定平衡，著實考驗著廠商的技術。
一般光收發(fā)訊模塊中接收信號方面，由具有轉(zhuǎn)阻式放大器(TransImpedance Amplifier，TIA)的光接收器與限幅放大器所組成;具有轉(zhuǎn)阻式放大器的光接收器將所接收到的光信號轉(zhuǎn)成電壓的信號，提供給限幅放大器，經(jīng)限幅放大器放大后輸出串行的數(shù)據(jù);為提高動態(tài)頻率響應，設計上會使用平均值檢波的自動增益控制(Auto Gain Control，AGC);但在GPON接收信號方面，因采取突發(fā)模式，光接收模塊要對不同ONU的響應時間均小于256納秒(ns)，須使用響應時間小的自動增益控制方式，如峰值檢波自動增益控制等處理電路，因此也考驗著廠商的技術。
建立關鍵技術刻不容緩
10G-EPON與XG-PON為10G PON的國際標準，未來幾年可能快速發(fā)展。對于網(wǎng)絡營運商、設備制造商與組件開發(fā)商而言，必須及早了解10G PON網(wǎng)絡的設計需求，建立10G PON的關鍵性技術，以滿足10G PON發(fā)展需求，掌握廣大商機。
10G PON發(fā)展興起
隨著EPON和GPON技術成熟，全球各電信營運商陸續(xù)建設光纖到戶網(wǎng)絡，預估未來幾年EPON/GPON的建設速度將會來到高峰后逐漸趨緩。同時，因應新服務及帶寬需求增加，下一代的10G PON網(wǎng)絡技術與市場將隨之興起。
10G EPON及GPON的標準已分別由電機電子工程協(xié)會(IEEE)與ITU-T制定完成，IEEE組織已于2009年完成IEEE 802.3av 10G-EPON標準的制定;在ITU-T方面則與全存取服務網(wǎng)絡(Full Service Access Network， FSAN)組織負責GPON后續(xù)之NG-PON(Next Generation PON)標準制訂，自2010到2012年ITU-T陸續(xù)公布G.987系列XG-PON(10-Gigabit-capable Passive Optical Network)標準文件。
在實際網(wǎng)絡建設上，10G-EPON這幾年的建設量已逐漸增加，如中國電信2013年的采購已開始包含10G-EPON，未來幾年10G-EPON網(wǎng)絡將持續(xù)增長;而XG-PON的建設因技術發(fā)展較慢且受ITU-T目前制定NG-PON2標準影響，目前營運商仍于試用、測試階段。
IEEE 10G-EPON承襲802.3ah標準
10G-EPON的標準為IEEE 802.3av，它繼承EPON IEEE 802.3ah標準，主要的改變?yōu)樘嵘齻鬏斔俾剩?0G-EPON的下行速率是10Gbit/s，而上行的速率有1Gbit/s和10Gbit/s兩種選擇。在PCS層(Physical Coding Sublayer)，10Gbit/s速率以點對點10G以太網(wǎng)絡標準做為基礎，采用64B/66B編碼，對于上行1Gbit/s則采用如同EPON的8B/10B編碼方式。10G-EPON的向前錯誤校正(Forward Error Correction， FEC)編碼為強制要求功能，采用的RS(Reed-Solomon)編碼參數(shù)與EPON不同，更正錯誤能力增加到16個字節(jié)。10G-EPON基本上沿用EPON系統(tǒng)的多點控制協(xié)議(Multi-Point Control Protocol， MPCP)協(xié)議，加快了10G-EPON設備成熟與進入市場的速度。
基于延續(xù)EPON市場的考慮，10G-EPON在光分布網(wǎng)絡(Optical Distribution Network， ODN)共享的需求前提下平滑演進，并在EPON與10G-EPON共構時，使用波分復用 (WDM)技術對不同光波長的EPON與10G-EPON光信號進行多任務與濾波。
ITU-T XG-PON以非對稱系統(tǒng)為主
在ITU-T方面，依據(jù)ITU-T SG15/Q2所規(guī)劃的NG-PON包括兩個階段：一個是擴展GPON標準、兼容現(xiàn)有ODN的NG-PON1階段;一個是可以不受現(xiàn)有GPON標準與網(wǎng)絡限制的NG-PON2階段。XG-PON屬于NG-PON1階段，非對稱系統(tǒng)(上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s)稱為XG-PON1;對稱系統(tǒng)(上行10Gbit/s，下行10Gbit/s)稱為XG-PON2，但考慮實際應用需求，XG-PON2的標準制定無疾而終，后續(xù)完成標準制定的為非對稱系統(tǒng)的XG-PON。目前G.987系列已于2010年10月完成為XG-PON標準。
此外，ITU-T以GPON ONT管理控制接口(OMCI)為基礎進行擴展，形成新的OMCI標準G.988，做為ITU-T的光接取網(wǎng)絡終端管理基礎標準。XG-PON基本上是G-PON的改良與性能提升，具備更高的速率、支持更大的分歧比及漸進的網(wǎng)絡演進，以服務更多用戶，提高用戶更高的帶寬。
XG-PON的一般需求與物理層需求規(guī)范于G.987.1與G.987.2中，XG-PON的速率為上行2.5Gbit/s、下行10Gbit/s，線路編碼為NRZ(Non Return to Zero)碼，OLT與光纖網(wǎng)絡單元(ONU)設備間的多任務傳輸技術與GPON同為上行分時多任務存取(Time Division Multiple Access， TDMA)下行TDM，XG-PON支持的光分路比至少為1：64，較GPON支援更多ONU。XG-PON的傳輸匯集(Transmission Convergence， TC)層標準則規(guī)范于G.987.3，其XGTC(XG-PON Transmission Convergence)層架構大致沿用GPON，但因XG-PON的速率提升與用服務戶數(shù)增加，XGTC層的規(guī)格做了一些調(diào)整，以利于XG-PON的實現(xiàn)與處理。如ONU-ID、Port-ID、Alloc-ID等的位寬度增加，新增PON-ID;FEC、Scrambling等的編碼長度增長;PLOAM(Physical Layer OAM)信息的長度也增加。另外，帶寬分配改以字組(Word)為單位;而XGEM(XG-PON Encapsulation Method)信框結構也增加加密相關字段。
圖1GPON與XG-PON共存示意
基于GPON到XG-PON的演進與共存，GPON和XG-PON可以透過波分復用組件共存于ODN網(wǎng)絡，圖1描述G.987中GPON和XG-PON的共存網(wǎng)絡示意圖。對于XG-PON以及10G-EPON，設計上必須考慮新舊系統(tǒng)的演進與共存，光組件的設計特別重要，為達到10Gbit/s速率，避免啁啾(Chirp)現(xiàn)象產(chǎn)生，激光光源的選用，OLT的收信號方面采取突發(fā)模式(Burst)，以及如何在70℃的環(huán)境下能達到光輸出信號穩(wěn)定平衡，這些因素影響OLT光收發(fā)模塊特性。
10G PON的波長配置
圖2為10G PON的波長配置圖。10G-EPON的上行中心波長配置在1，270納米(nm)與1，310納米，考慮與既有EPON互通，上行1Gbit/s中心波長配置于1，310納米，10Gbit/s中心波長配置于1，270納米，下行中心波長則配置在1，577納米。XG-PON的上行中心波長配置于1，270納米，下行中心波長則配置在1，577納米，與10G-EPON的10G/10G系統(tǒng)相同。
圖210G PON的波長配置
10G PON系統(tǒng)組件發(fā)展如火如荼
PON設備的主要組件為光收發(fā)模塊與PON MAC芯片等。光收發(fā)模塊為PON網(wǎng)絡的光組件，它由激光、驅(qū)動器、放大器、頻率數(shù)據(jù)恢復回路(Clock Data Recovery， CDR)、串行器/解串行器(Serializer/Deserializer， SerDes)等組成。
目前10G PON光收發(fā)模塊技術已進行開發(fā)，廠商如Ligent、Source Photonics、WTD等，國內(nèi)亦有多家光收發(fā)模塊廠商，如創(chuàng)威、前鼎、宜虹等進行開發(fā)。PON MAC芯片為PON信號數(shù)據(jù)的處理芯片，10G-EPON的PON MAC已有特殊應用集成電路(ASIC)芯片供應，功能與效能已能滿足需求;XG-PON進展較慢。PON MAC芯片仍多為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)組成，主要芯片廠商如博通(Broadcom)、PMC Sierra等，臺灣亦有廠商投入PON MAC芯片組研發(fā)，如京潤科技等。
OLT光收發(fā)模塊設計挑戰(zhàn)大
在XG-PON中，G.987規(guī)定了四種光功率預算的規(guī)格，以滿足不同ODN等級的應用需求，這四種規(guī)格如表1所示，其中最大損耗為35dB的等級，由此可知XG-PON對于光收發(fā)訊模塊的要求嚴苛，因此其光收發(fā)訊模塊將扮演舉足輕重的地位。
目前市售的XG-PON OLT光收發(fā)訊模塊大都屬于N2等級，N2等級分為N2a及N2b，其輸出功率分別為+4～+8dBm及+10.5～+12.5dBm。OLT光收發(fā)模塊所使用的波長范圍為1，575～1，580納米，在此范圍的激光光源要傳輸20公里(km)，為避免啁啾現(xiàn)象產(chǎn)生，一般采用外部調(diào)變(External Modulation)方式進行，稱為外調(diào)激光(External Modulation Laser， EML)。為了解決此棘手問題，近年來將配合半導體激光光源使用之半導體外部調(diào)變器技術不斷提升，與激光共享基板一體成型的外調(diào)激光，其性能與質(zhì)量已達成熟階段，其最大優(yōu)勢就是體積小，易封裝。
一般光通訊激光調(diào)變模式以直接調(diào)變方式為主，稱為直調(diào)激光(Direct Modulation Laser，DML)，其調(diào)變方式結構簡單，主要經(jīng)由改變注入激光電流來調(diào)變激光，對于以直接調(diào)變方式調(diào)變1，550納米波段光通訊激光之1.25Gbit/s及2.5Gbit/s光收發(fā)訊模塊而言，因頻率較低，啁啾現(xiàn)象影響并不明顯，但隨著調(diào)變速率的提高啁啾現(xiàn)象愈加嚴重，尤其是10Gbit/s高頻調(diào)變，啁啾現(xiàn)象加劇，導致在長距離光纖傳輸時引發(fā)嚴重的色散(Dispersion)問題，進而造成傳輸信號失真(Distortion)，影響傳輸質(zhì)量。
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