随着高清电视、实时视频会议、3D网络游戏等应用的迅速发展,用户对网络带宽的需求不断提升。得益于光纤的超宽带传输特性,光纤接入已逐步取代传统的xDSL技术,成为主流的接入技术。为了控制运维成本,降低外部设备的电磁干扰和故障率,光接入网主要采用无源光网络(PON)的架构来实现。经过近几十年的发展,PON技术经历了由低速EPON(2.5/1.25-Gb/s)、GPON(1.25/1.25 Gb/s)到10GE-PON(10/1 Gb/s,10/10 Gb/s)、XGPON(10/2.5-Gb/s)的演变。而在带宽需求不断增长的驱动下,光网络亟需进一步升级。ITU-T与全业务接入网组织(FSAN)于2011年开始制定下一代光接入网(NG-PON2)技术标准。经过广泛研究与讨论,综合考虑技术成熟度,后向兼容性及升级成本等因素,基于波长堆叠技术的时分波分复用无源光网络(Time and wavelength division multiplexing PON—TWDM-PON)结构成为优选方案。其中涉及到的关键技术如上行无色光源、用户端波长选择接收、色散管理、能耗控制等也逐渐成为企业界和学术界研究的热点。此外,更长的接入距离和更高的接入速率是未来接入网的发展趋势。长距离光纤传输对系统的功率预算和色散管理提出了更高的要求;而高速信号传输中涉及的高阶调制和解调技术也是亟待解决的重点和难点。同时,接入网与用户直接相关,是整个光通信网络的“最后一公里”,从而决定了接入网系统对成本十分敏感。因此,如何在满足系统指标要求的前提下降低技术难度和器件成本,甚至用低成本器件实现更高的性能,成为开展下一代接入网研究的重要方向。本文围绕光接入网的高速化、长距离化、低成本化升级过程中涉及到的关键技术展开了如下工作:1.基于RSOA的N×10/1.25-Gb/s TWDM-PON系统演示TWDM-PON系统要求光网络单元(ONU)端的收发模块无色化,具有波长通用性。即收发机可在一定波长范围内控制输出的波长及选择接收任意一个下行波长。从而可使整个系统中每个用户的ONU一模一样,这对于运营商的安装和维护十分方便,可以极大地降低运维成本。反射型半导体光放大器(RSOA)可以看作一种宽谱光源,当有种子光对其进行注入锁定时,可以得到和种子光同样波长的激光输出。注入锁定包括外部注入和自激两种方式。在本文中,我们提出利用RSOA和可调光滤波器形成的自注入锁定环形激光器作为上行无色光源,信号可直接调制在RSOA上,从而得到一个低成本、无色化的ONU收发模块。基于此无色化的ONU结构我们开展了如下工作:1)基于RSOA和可调滤波器的上行无色光源利用RSOA和可调滤波器组成的自注入锁定环形激光器,得到了RSOA在自注入锁定状态下的激光输出。调制信号可以直接加载到RSOA上,激光器的输出波长可以通过调节滤波器的中心波长来控制,实现了ONU的无色发射功能。2)基于单个滤波器的同时上行无色光源产生和下行波长选择由于RSOA的波长红移效应,上行激光器发出的中心波长与光滤波器的中心波长存在少量偏移,从而导致上下行波长之间产生一定的波长差,避免了上下行信号间由于反射和后向瑞利散射产生的串扰。利用此特性,在ONU中使用同一个光滤波器,同时实现了上行无色光源的产生和下行波长的选择。3)上下行非对称N×10/1.25 Gb/s系统演示利用提出的上行无色光源及系统架构,进行了波长堆叠的N×10/1.25 Gb/s系统演示。2.基于DML的对称40 Gb/s TWDM-PON系统演示受限于RSOA的调制带宽,上述基于RSOA的环形激光器只能支持不超过2-Gb/s的调制速率。为了进一步提高上行速率,我们提出利用低成本的波长可调谐直调激光器(DML)作为上行光源,调制速率可达到10 Gb/s。但直接调制会产生较强的频率啁啾,使信号消光比降低,光谱展宽。在光纤中传输时,啁啾与色散相互作用,会使信号发生严重的畸变。对此,我们展开了如下三个方面的工作:1)基于光滤波的色散管理方案我们提出在ONU端利用光滤波器对直调信号的光谱进行整形,将啁啾产生的频率调制转化为强度调制,从而提高信号的消光比,并实验演示了10-Gb/s直调信号的40 km光纤传输。另一方面,为了消除滤波器的插入损耗对系统功率预算的影响,我们提出将啁啾管理滤波器调整到接收端的改进方案,以进一步提高系统的功率预算。2)基于上下行共用滤波器的系统结构设计在下一代光接入网中,波长堆叠的架构导致ONU端需要下行波长选择器件。同时,ONU端采用波长可调谐的直调激光器作为上行光源,从而导致上行信号需要光滤波器来进行啁啾管理。因此,我们提出在ONU端使用同一个滤波器同时实现这两种功能,降低ONU的成本。上行啁啾管理中的偏移滤波机制使得上下行波长之间存在一定的波长间隔,从而可以避免上下行信号之间由于反射或后向瑞利散射产生的串扰。3)上下行对称40 Gb/s TWDM-PON系统演示基于上述方案,进行了上下行对称40Gb/s容量的TWDM-PON系统演示。在不同的滤波器位置下,分别得到31 dB和39 dB的功率预算。4)利用码型转换消除上行信号放大过程中的码型效应为了提高系统功率预算,需要提升上下行信号入纤功率。当ONU端激光器输出功率较低时,通常采用体积小、易集成的SOA对信号功率进行放大。为了避免放大过程中码型效应对信号的影响,提出利用SOA的增益饱和特性和自相位调制效应实现码型转换,从而得到较高的上行入纤功率。3.接入距离延长和功率预算提升方案长距离、高分光比的光接入网可以降低每个用户的成本,且有利于OLT的聚合和管理。相比普通接入网而言,长距离光接入网中的光纤损耗和分光器损耗更高,因此需要较高的功率预算,光纤传输中累积色散量更大,因此通常采用外调制结合相干检测实现。我们提出利用直调直检方案,结合光谱整形的色散管理技术,围绕长距离光接入网展开了如下几个方面的工作:1)直调信号与外调信号性能对比通常认为,直调相比外调制得到的信号质量差,外调制更适合长距离光纤传输。但在长距离接入的应用场景下,系统的高功率预算需要可支持尽量高的入纤功率的调制格式。通过对比发现,外调信号的光谱都有很强的载波分量,而直调信号没有。从而使得直调信号可支持更高的入纤功率。2)基于单个光延迟干涉仪(DI)的上下行多通道色散管理针对长距离传输中的色散问题,提出利用光延迟干涉仪(DI)作为周期性滤波器实现上下行多通道的双向色散管理,从而实现了直调信号的100-km长距离传输。3)100公里长距离光接入网系统演示利用直调信号的高入纤功率特性,结合基于光谱整形的色散管理技术和OLT和ONU端的前置放大技术,实现了对称40 Gb/s TWDM-PON系统演示,可以支持100-km光纤传输,并得到了53dB的功率预算。4.基于10GHz器件的100 Gb/s TWDM-PON系统演示随着40G TWDM-PON标准的日益成熟,针对更高调制速率的研究逐渐展开。在前面工作的基础上,我们对基于低速器件的高速信号调制展开研究,利用频响为10GHz的DML和PIN实现了下行方向基于如下调制格式的100G TWDM-PON系统演示:1)单波长28 Gb/s Duobinary信号直接调制、传输与解调利用激光器和接收机的低通响应特性,得到电双二进制调制(Duobinary)。同时结合光滤波的色散管理方案,实现了28 Gb/s duobinary信号的40km传输。2)单波长25 Gb/s PAM-4信号调制、传输及解调利用高阶调制码型—四电平幅度调制(4-PAM)将对器件的带宽需求降低到10GHz。同时结合光滤波的色散管理方案,实现了25Gb/s PAM-4信号的直接调制、40 km传输及直接检测。3)单波长25 Gb/s NRZ-OEQ直接调制、传输与解调利用光均衡滤波(OEQ)方案改变信号的频谱分布,从而使闭合的眼图张开,实现基于10GHz器件的25-Gb/s二电平(OOK)调制。同时,结合光滤波的色散管理,实现了40 km的光纤传输。通过对比实验结果,基于光滤波均衡实现的NRZ-OEQ方案能够支持更高的入纤功率,同时比多电平调制具有更高的灵敏度;此外,与Duobinary和PAM-4格式相比较,OOK解调技术相对成熟,实现简单;虽然受器件带宽限制,经过光均衡处理后信号速率仍然只能达到26 Gb/s,无法实现更高速的调制,但可以满足100G PON的要求。因此NRZ-OEQ是100G PON的一种低成本、可靠的方案。