无源光网络(PON)是接入网的主流技术,由于其高带宽、易维护、覆盖范围广等优势得到越来越广泛的应用。新型业务的出现和流行、不同应用场景下新的技术要求、下一代PON的演进等需求使PON面临若干关键技术问题需要解决。首先,P2P类应用业务的迅猛发展导致接入网内用户之间的数据通信量大大增加,主从结构PON出现有效吞吐量下降、业务时延增加等问题,使得PON需要考虑如何针对P2P业务进行结构优化。其次,为了利用PON的带宽优势使其作为无线业务的承载网络,需要研究能够支持高精度时间同步的PON技术。第三,目前宽带接入网络占据了整个通信网络能耗的约75%,PON作为一种主流的接入技术要满足人们对于低能耗的需求,因此需要研究PON节能技术。最后,由CDMA技术带来的扩频增益使CDMA PON具有抗干扰能力强、功率预算高等优点,满足了人们对PON支持更多用户、更远覆盖距离、高保密性等方面的需求,从而得到了研究者的广泛重视。本文针对PON网络结构、EPON时间同步、EPON节能和CDMA PON同步和解扩等关键技术进行了相关研究。本文的主要创新点和研究工作包括：1.提出了一种直接环回型的主从与对等结构结合的EPON网络结构,分析对比了直接环回型和分支器环回型对等结构EPON网络的功率预算；提出并设计实现了一种基于负载检测的自适应均衡算法ALBRLD (Adaptive load balancing based on realtime load detection),仿真验证了其均衡效果。直接环回型结构通过将分支器上联接口的光纤连接至ONU实现了ONU间的直接通信,减小了分支器插入损耗对系统功率预算的不利影响,相对于环回分支器结构将ONU之间的功率预算提高了10log(N) dB (N为光分支比)。直接环回型结构在长主干、短分支光纤的用户密集分布应用场景下不会造成网络建设成本的显著增加。ALBRLD业务均衡算法能够通过检测负载的动态变化平均的将业务分配到2条PON链路上,实验结果显示该算法可以提供不超过7%的瞬时均衡度和4%的长期均衡度,从而保证了PON系统不会由于在某条链路上超载而降低有效系统容量。2.提出并设计实现了一种基于IEEE1588v2协议的EPON时间同步方案,实验验证了该方案的可行性。在IEEE1588v2协议框架下研究分析了主从时钟频率偏差和链路时延非对称性对时间同步精度的影响,并在此基础上设计实现了支持时间同步的EPON实验系统。实验结果表明该方案在20Km的传输距离下能够达到约30ns的时间同步精度。3.提出了一种基于双向轮询式DBA和ONU周期性休眠的EPON节能方案,仿真验证了其节能效果和对业务QOS的影响。提出了通过使用双向轮询式DBA将上下行数据进行流量整形从而增加ONU休眠可能性的方案,研究了利用周期性休眠的方法使得该方案在达到较好节能效果的同时减小对业务QOS的影响,最后通过仿真比较了不同休眠周期下的节能效果和该方案对业务QOS的影响。仿真结果显示在休眠周期为1ms时,该节能方案在10%网络负载下节能比例超过20%,在50%网络负载下可以节能8%,同时对业务QOS的影响很小4.提出并设计实现了TDM-CDMA混合PON系统的一种基于并行捕获和闭环跟踪调整的码字同步方案和一种流水线结构的数字解扩方案,实验验证了码字同步方案和数字解扩方案的可行性。研究比较了4种常用的同步捕获方法的复杂度和捕获时间,在并行捕获法的基础上提出并设计实现了码字同步捕获和闭环跟踪调整方案；研究比较了2种解扩方案的可实现性,提出并设计实现了流水线结构的数字解扩方案,最后对码字同步和数字解扩方案分别进行了FPGA设计实现并建立了实验系统进行了吞吐量验证。实验结果表明码字同步方案能够满足同步精度要求,数字解扩方案能够在2.5Gchip/s速率下完成解扩功能,达到了预期的系统吞吐量要求。