無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network， PON)的發(fā)展，即將從EPON(Ethernet Passive Optical Network)及GPON(Gigabit-capable Passive Optical Network)進(jìn)入更高速的10G PON階段。本文敘述10G-EPON/XG-PON的演進(jìn)過(guò)程，探討10G PON標(biāo)準(zhǔn)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，并分析10G PON組件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

EPON先發(fā)　GPON后來(lái)居上

PON已成為光纖到戶(hù)網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)，EPON及GPON普遍為全球各電信營(yíng)運(yùn)商采用，亞太地區(qū)如日本NTT、韓國(guó)KT和中國(guó)的中國(guó)電信(CT)、中國(guó)聯(lián)通(UT)等，由于時(shí)間及成本考慮，先采用技術(shù)成熟較早的EPON進(jìn)行光纖到戶(hù)建設(shè)，其中日本更大量建設(shè)EPON網(wǎng)絡(luò)，以光纖到戶(hù)網(wǎng)絡(luò)做為主要有線寬帶接取網(wǎng)絡(luò)，NTT現(xiàn)階段用戶(hù)數(shù)已超越一千八百萬(wàn);臺(tái)灣中華電信則于2007年開(kāi)始引進(jìn)EPON設(shè)備。

GPON技術(shù)為國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(ITU-T)推動(dòng)的PON標(biāo)準(zhǔn)，隨著GPON規(guī)格完善及設(shè)備漸趨成熟，歐美地區(qū)電信營(yíng)運(yùn)商紛紛選擇采用GPON技術(shù)，如美國(guó)威瑞森(Verizon)及歐洲之法國(guó)電信(FT)、英國(guó)電信(BT)、德國(guó)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(guó)移動(dòng)外，中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通也同時(shí)建設(shè)GPON網(wǎng)絡(luò)。

GPON的發(fā)展時(shí)間雖然較晚，但由于具備更高速率、標(biāo)準(zhǔn)性等因素，后續(xù)成長(zhǎng)性超越EPON。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)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(lái)幾年市場(chǎng)也預(yù)估GPON將優(yōu)于EPON，儼然成為光纖到戶(hù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主流。

10G PON發(fā)展興起

隨著EPON和GPON技術(shù)成熟，全球各電信營(yíng)運(yùn)商陸續(xù)建設(shè)光纖到戶(hù)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)估未來(lái)幾年EPON/GPON的建設(shè)速度將會(huì)來(lái)到高峰后逐漸趨緩。同時(shí)，因應(yīng)新服務(wù)及帶寬需求增加，下一代的10G PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與市場(chǎng)將隨之興起。

10G EPON及GPON的標(biāo)準(zhǔn)已分別由電機(jī)電子工程協(xié)會(huì)(IEEE)與ITU-T制定完成，IEEE組織已于2009年完成IEEE 802.3av 10G-EPON標(biāo)準(zhǔn)的制定;在ITU-T方面則與全存取服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(Full Service Access Network， FSAN)組織負(fù)責(zé)GPON后續(xù)之NG-PON(Next Generation PON)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)文件。

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，10G-EPON這幾年的建設(shè)量已逐漸增加，如中國(guó)電信2013年的采購(gòu)已開(kāi)始包含10G-EPON，未來(lái)幾年10G-EPON網(wǎng)絡(luò)將持續(xù)增長(zhǎng);而XG-PON的建設(shè)因技術(shù)發(fā)展較慢且受ITU-T目前制定NG-PON2標(biāo)準(zhǔn)影響，目前營(yíng)運(yùn)商仍于試用、測(cè)試階段。

IEEE 10G-EPON承襲802.3ah標(biāo)準(zhǔn)

10G-EPON的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3av，它繼承EPON IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)10G以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)做為基礎(chǔ)，采用64B/66B編碼，對(duì)于上行1Gbit/s則采用如同EPON的8B/10B編碼方式。10G-EPON的向前錯(cuò)誤校正(Forward Error Correction， FEC)編碼為強(qiáng)制要求功能，采用的RS(Reed-Solomon)編碼參數(shù)與EPON不同，更正錯(cuò)誤能力增加到16個(gè)字節(jié)。10G-EPON基本上沿用EPON系統(tǒng)的多點(diǎn)控制協(xié)議(Multi-Point Control Protocol， MPCP)協(xié)議，加快了10G-EPON設(shè)備成熟與進(jìn)入市場(chǎng)的速度。

基于延續(xù)EPON市場(chǎng)的考慮，10G-EPON在光分布網(wǎng)絡(luò)(Optical Distribution Network， ODN)共享的需求前提下平滑演進(jìn)，并在EPON與10G-EPON共構(gòu)時(shí)，使用波分復(fù)用 (WDM)技術(shù)對(duì)不同光波長(zhǎng)的EPON與10G-EPON光信號(hào)進(jìn)行多任務(wù)與濾波。

ITU-T XG-PON以非對(duì)稱(chēng)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(gè)階段：一個(gè)是擴(kuò)展GPON標(biāo)準(zhǔn)、兼容現(xiàn)有ODN的NG-PON1階段;一個(gè)是可以不受現(xiàn)有GPON標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)限制的NG-PON2階段。XG-PON屬于NG-PON1階段，非對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)(上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s)稱(chēng)為XG-PON1;對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)(上行10Gbit/s，下行10Gbit/s)稱(chēng)為XG-PON2，但考慮實(shí)際應(yīng)用需求，XG-PON2的標(biāo)準(zhǔn)制定無(wú)疾而終，后續(xù)完成標(biāo)準(zhǔn)制定的為非對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的XG-PON。目前G.987系列已于2010年10月完成為XG-PON標(biāo)準(zhǔn)。

此外，ITU-T以GPON ONT管理控制接口(OMCI)為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，形成新的OMCI標(biāo)準(zhǔn)G.988，做為ITU-T的光接取網(wǎng)絡(luò)終端管理基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，以服務(wù)更多用戶(hù)，提高用戶(hù)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(luò)單元(ONU)設(shè)備間的多任務(wù)傳輸技術(shù)與GPON同為上行分時(shí)多任務(wù)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(biāo)準(zhǔn)則規(guī)范于G.987.3，其XGTC(XG-PON Transmission Convergence)層架構(gòu)大致沿用GPON，但因XG-PON的速率提升與用服務(wù)戶(hù)數(shù)增加，XGTC層的規(guī)格做了一些調(diào)整，以利于XG-PON的實(shí)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(zhǎng)度增長(zhǎng);PLOAM(Physical Layer OAM)信息的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)也增加加密相關(guān)字段。

圖1　GPON與XG-PON共存示意

基于GPON到XG-PON的演進(jìn)與共存，GPON和XG-PON可以透過(guò)波分復(fù)用組件共存于ODN網(wǎng)絡(luò)，圖1描述G.987中GPON和XG-PON的共存網(wǎng)絡(luò)示意圖。對(duì)于XG-PON以及10G-EPON，設(shè)計(jì)上必須考慮新舊系統(tǒng)的演進(jìn)與共存，光組件的設(shè)計(jì)特別重要，為達(dá)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(hào)方面采取突發(fā)模式(Burst)，以及如何在70℃的環(huán)境下能達(dá)到光輸出信號(hào)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(zhǎng)配置

圖2為10G PON的波長(zhǎng)配置圖。10G-EPON的上行中心波長(zhǎng)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(zhǎng)配置于1，310納米，10Gbit/s中心波長(zhǎng)配置于1，270納米，下行中心波長(zhǎng)則配置在1，577納米。XG-PON的上行中心波長(zhǎng)配置于1，270納米，下行中心波長(zhǎng)則配置在1，577納米，與10G-EPON的10G/10G系統(tǒng)相同。

圖2　10G PON的波長(zhǎng)配置

10G PON系統(tǒng)組件發(fā)展如火如荼

PON設(shè)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(luò)的光組件，它由激光、驅(qū)動(dòng)器、放大器、頻率數(shù)據(jù)恢復(fù)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(shù)已進(jìn)行開(kāi)發(fā)，廠商如Ligent、Source Photonics、WTD等，國(guó)內(nèi)亦有多家光收發(fā)模塊廠商，如創(chuàng)威、前鼎、宜虹等進(jìn)行開(kāi)發(fā)。PON MAC芯片為PON信號(hào)數(shù)據(jù)的處理芯片，10G-EPON的PON MAC已有特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)芯片供應(yīng)，功能與效能已能滿(mǎn)足需求;XG-PON進(jìn)展較慢。PON MAC芯片仍多為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)組成，主要芯片廠商如博通(Broadcom)、PMC Sierra等，臺(tái)灣亦有廠商投入PON MAC芯片組研發(fā)，如京潤(rùn)科技等。

OLT光收發(fā)模塊設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)大

在XG-PON中，G.987規(guī)定了四種光功率預(yù)算的規(guī)格，以滿(mǎn)足不同ODN等級(jí)的應(yīng)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(jí)，由此可知XG-PON對(duì)于光收發(fā)訊模塊的要求嚴(yán)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(jí)，N2等級(jí)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(zhǎng)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(jìn)行，稱(chēng)為外調(diào)激光(External Modulation Laser， EML)。為了解決此棘手問(wèn)題，近年來(lái)將配合半導(dǎo)體激光光源使用之半導(dǎo)體外部調(diào)變器技術(shù)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(dá)成熟階段，其最大優(yōu)勢(shì)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(chēng)為直調(diào)激光(Direct Modulation Laser，DML)，其調(diào)變方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要經(jīng)由改變注入激光電流來(lái)調(diào)變激光，對(duì)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(yán)重，尤其是10Gbit/s高頻調(diào)變，啁啾現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致在長(zhǎng)距離光纖傳輸時(shí)引發(fā)嚴(yán)重的色散(Dispersion)問(wèn)題，進(jìn)而造成傳輸信號(hào)失真(Distortion)，影響傳輸質(zhì)量。

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(hào)控制外部調(diào)變器，利用調(diào)變器的電光或相位差等效應(yīng)，使其輸出光的強(qiáng)度等參數(shù)隨信號(hào)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(hào)傳輸性能。目前在10Gbit/s光通訊傳輸系統(tǒng)中長(zhǎng)距離傳輸所使用之外部光調(diào)變器，主要有利用電光效應(yīng)之半導(dǎo)體電吸收型調(diào)變器(EAM)及利用相位差效應(yīng)之半導(dǎo)體馬赫-曾德調(diào)變器(MZM)。

有關(guān)電吸收型外調(diào)激光EAM，它的運(yùn)作原理為弗朗茲-凱爾迪什(Franz-Keldysh)效應(yīng)，用電壓進(jìn)行調(diào)變光的強(qiáng)度，以反向偏壓施加電場(chǎng)使EAM之能階變形，以吸收入射光的方式，達(dá)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(dòng)電壓低、體積小、結(jié)構(gòu)可與半導(dǎo)體激光結(jié)構(gòu)整合，降低封裝成本等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的一種外部光調(diào)變器。

Mach-Zehnder Modulator利用相位差之變化來(lái)達(dá)到調(diào)變的效果，其方式為將一輸入光源分為兩個(gè)路徑，在輸出端重新將被分離的光信號(hào)整合，藉由外加偏壓來(lái)進(jìn)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(zhǎng)距離光纖傳輸，但因價(jià)格較高，較少?gòu)S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(gè)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(dǎo)致嚴(yán)重?zé)嵝?yīng)，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(dòng)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(dòng)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(gè)XFP在單位時(shí)間內(nèi)所累積的熱在室溫時(shí)已很難釋放，如何在70℃的環(huán)境下達(dá)到光輸出信號(hào)穩(wěn)定平衡，著實(shí)考驗(yàn)著廠商的技術(shù)。

一般光收發(fā)訊模塊中接收信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)成電壓的信號(hào)，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(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)，設(shè)計(jì)上會(huì)使用平均值檢波的自動(dòng)增益控制(Auto Gain Control，AGC);但在GPON接收信號(hào)方面，因采取突發(fā)模式，光接收模塊要對(duì)不同ONU的響應(yīng)時(shí)間均小于256納秒(ns)，須使用響應(yīng)時(shí)間小的自動(dòng)增益控制方式，如峰值檢波自動(dòng)增益控制等處理電路，因此也考驗(yàn)著廠商的技術(shù)。

建立關(guān)鍵技術(shù)刻不容緩

10G-EPON與XG-PON為10G PON的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)幾年可能快速發(fā)展。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商、設(shè)備制造商與組件開(kāi)發(fā)商而言，必須及早了解10G PON網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需求，建立10G PON的關(guān)鍵性技術(shù)，以滿(mǎn)足10G PON發(fā)展需求，掌握廣大商機(jī)。