无源光网络

无源光网络(PON)是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。无源光接入网的优势具体体现在以下几方面:

(1)无源光网体积小，设备简单，安装维护费用低，投资相对也较小。

(2)无源光设备组网灵活，拓扑结构可支持树型、星型、总线型、混合型、冗余型等网络拓扑结构。

(3)安装方便，它有室内型和室外型。其室外型可直接挂在墙上，或放置于"H"杆上，无须租用或建造机房。而有源系统需进行光电、电光转换，设备制造费用高，要使用专门的场地和机房，远端供电问题不好解决，日常维护工作量大。

(4)无源光网络适用于点对多点通信，仅利用无源分光器实现光功率的分配。

(5)无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。

(6)从技术发展角度看，无源光网络扩容比较简单，不涉及设备改造，只需设备软件升级，硬件设备一次购买，长期使用，为光纤入户奠定了基础，使用户投资得到保证。

PON是在所谓的"最后一公里"中缺少带宽时的解决方案。家庭用户为了获得快速因特网接入，可以选择的方法极其有限(电话或电缆系统)。同样，企业也局限于T1和T3载波提供的性能。PON提供了城域中的另一种解决方案。它主要用于解决宽带最终用户接入终端局的问题，由于这种接入技术使得接入网的局端(OLT)与用户(ONU)之间只需光纤、光分路器等光无源器件，不需租用机房和配备电源，因此被称为无源光网络。它用于FTTH(光纤到家庭)。混合PON系统将光缆延伸到通信公司的远程终端，然后利用铜线DSL业务进入家庭。

在PON的架构中，一个光纤终端(OLT)下可以有多个无源光网络(PON)的单元。每一个单元均可形成一个独立的PON网，藉由并不昂贵的分波器和光纤分布连接多种不同类型的ONT。对于接入网络的无源性设计，减少了对电子元件的需求，如此一来便可以降低维修成本的支出。

无源光网络是"复兴的"光缆技术，它最初是为有线电视网络设计的，它作为一种能在城域提供高速接入的体系结构而得到关注。PON是ITU规范。

通过PON，单根光纤从服务提供商的设备延伸到靠近居民区或商务中心的位置。"无源"是指该系统在服务提供商和客户之间不需要电源和有源的电子组件。它仅由光纤、分路器、接头和连接器组成。一根光纤可为多个客户提供服务，而此前的系统要求每个客户都有独立的光纤。PON可远距离使用，它是农村地区的理想选择。

在各种宽带接入技术中，无源光网络以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为热门技术。之前已经逐步商用化的无源光网络主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON)和WDM-PON，它们的共同特点是:

·可升级性好、低成本，接入网中去掉了有源设备，从而避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，降低了相应的运维成本;

·业务透明性较好，高带宽，可适用于任何制式和速率的信号，能比较经济地支持模拟广播电视业务，支持三重播放(Triple play，语音、视频、数据)业务;

·高可靠性，提供不同业务优先级的QoS保证，适应宽带接入市场IP化的发展潮流，适于大规模应用。

如图1，PON(无源光网络)中最主要的三部分包括位于局端的OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)、终端ONU(Optical Network Unit，光网络单元)、以及ODN(Optical Distribution Network，光配线网)。PON"无源"是指ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源。

接入网是用户进入城域网/骨干网的桥梁，是信息传送通道的"最后一公里"。过去几年，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换、还是传输都己更新换代，而接入网由于经济性问题如用户的业务需求、用户密度、用户的经济承受能力等多方面原因发展缓慢，成为制约网络向宽带化、全业务化发展的瓶颈。随着我国经济的迅速发展，高带宽的消耗业务逐步涌现，带宽提速成为迫切需求。为了满足用户的需求，各种新技术不断涌现，接入网技术己成为设备制造商、运营商和电信研究部门关注的焦点和投资的热点。

我国之前主流的有线接入技术包括ADSL、LAN、HFC、PLC和FTTH，其中部分LAN采用了PON+LAN的方式，而无线接入技术中又有WLAN、WiMAX、WiFi、Bluetooth、3G等技术。之前宽带接入网有两个主要的研究目标，第一是向高速、安全、智能化方向发展，要求网络更灵活、面向用户更多和成本更低，这方面FTTH是有线接入领域的杰出代表。另一个则是多业务的融合，即在同一个平台上灵活提供IPTV、有线电视视频、传统语音、数据业务的接入。

目前有多种方法构造多波长光源。一种方法是选择一组波长接近的、离散的、可调谐的DFB激光器(DFB激光器阵列)，利用温度调谐产生多波长的下行信号。由于DFB激光器阵列输出光谱可以通过控制温度统一调谐，容易实现波长监控，但由于DFB激光器输出波长随波导有效折射率变化，很难精确控制输出光谱与波长路由器信道间隔的匹配。第二种方法是采用MFL(多频激光器)。MFL是一种基于集成半导体放大器和WGR(Waveguide Grating Router，波导光栅路由器)技术的新型WDM激光器。MFL包含N个光放大器和一个1×N的阵列波导光栅，阵列波导光栅的每个输入端集成一个光放大器。在光放大器和阵列波导光栅输出端之间形成一个光学腔，如果放大器的增益克服腔内的损耗，则有激光输出，输出波长由阵列波导光栅的滤波特性决定。通过直接调制各个放大器的偏置电流，就可以产生多波长的下行信号。MFL的波长间隔由阵列波导光栅中的波导长度差决定，可以精确控制，各波长可以通过控制同一个温度统一调节，便于波长监控。已经开发出16信道间隔为200 GHz和20信道间隔为400 GHz的MFL产品，直接调制速率为622 Mbit/s。第三种方法是比特交错光源。它使用了一个飞秒级(10-15，)光纤激光器来产生一个1.5μm附近70 nm谱宽的脉冲，这一脉冲被22 km长的标准单模光纤啁啾。随着脉冲的传输，数据可在高速调制器中以比特交错的方式被编码。

由于PON拓扑在许多方面与传统网络不同，当使用OTDR测试链路特性时就出现新的挑战。根据网络部署的不同阶段(也就是建设阶段和维护阶段)，选择正确的OTDR非常重要。能够对PON网络测试的OTDR的特征包括能够利用相对短的脉冲、灵敏的光学检测电路和优化的软件分析提供足够大的动态范围。

该方法允许执行端到端链路鉴定，甚至可以通过分路器进行。为了测试每段引入光纤或配线光纤，技术人员必须在配线终端或ONT位置连接OTDR，并在上行方向测试光纤。

即使有足够高的动态范围，标准OTDR也无法通过分路器进行测试。由于分路器引起较高损耗，检测器的恢复速度不足以读取光纤的背向散射水平。所以，它无法测量这段光纤区域的衰减和事件损耗。一些OTDR甚至不会在分路器后显示光纤区域。相反，OTDR会显示噪音，这可能会令技术人员认为是光纤或分路器有缺陷，或熔接不良。

EXFO FTB-7000D OTDR一代的产品，其设计允许使用相对短的脉冲(275ns到1μs)通过分路器进行测试，脉冲长短取决于光纤分布集线器(FDH)处的分光比。PON优化的光学检测电路可以容忍分路器的高的损耗，并且仍能够恢复和测量后面的光纤区域(光纤配线)的背向散射水平。

新一代OTDR可用作FTB-200和FTB-400主机的插件模块，这些主机可兼容其它很多光学、传输和数据通信测试模块。

很多故障排除测试方案都不需要穿通分路器。例如，在故障排除期间，用户可能想只测试FDH和客户之间的分布光纤或配线光纤。这可使用手持式OTDR(如AXS-100)。这种OTDR并不是为了对分路器进行测试而设计，但却提供了足够的动态范围，可以完整鉴定PON网络的任意区域，包括CO和FDH位置之间的馈线。

在很多故障排除情况下，PON网络会保持活动状态，并继续为客户提供服务，承载1490和1550nm的下行传输。如果使用OTDR精确查找问题，用户必须在测试前确保光纤是暗光纤。为此，必须连接FDH，以便可以断开被测光纤。如果网络只包含熔接或如果问题出在分路器级别，则不可能使用工作于1310、1490或1550nm的"带内"OTDR，因为可能会损坏OTDR或传输设备。

针对上述情况，EXFO开发了工作于1625或1650nm的"带外"OTDR。这些高级OTDR不会干扰传输。使用集成滤波器，OTDR可以隔离发射机信号并对被测光纤进行检测。

在WDMPON系统中，波分复用器通常被称为波长分路器，它解复用下行信号，并分配给指定的ONU，同时把上行信号复用到一根光纤，传输到OLT。波长分路器主要由AWG构成。在波长分路器实现当中需要关注的问题有串扰问题、温度稳定性问题和色散效应。

由于AWG器件隔离度的不理想和非线性光学效应的影响，其他光通道的信号会泄露到传输通道形成噪声，从而对系统性能造成影响。AWG由输入输出波导、平板波导和波导阵列组成。聚焦模场和输出波导的场分布不是矩形结构，这是串扰的最直接来源。已经有三种方法来抑制串扰:激光束逐点扫描法、变迹相位模板法、均匀相位模板法。

在WDMPON系统中，AWG器件一般都放在野外，环境温度变化比较大，由于AWG主要材料是石英，而石英的折射率随温度变化而变化，因此AWG复用的信道波长容易受温度的影响。因此当温度变化时，如何保证信道波长的稳定性是一个值得研究的问题。人们已研究出多种方法增强AWG的温度稳定性。其中，有利用折射率随温度作反方向变化的波导或在阵列波导之间刻蚀不同长度的凹槽的方法来实现温度控制，这些方法可以让AWG的光谱响应在-20~80 oC几乎没有变化。另外，也有利用聚合物材料制造阵列波导光栅，如丙稀盐酸和聚硅树脂，这些材料减少了热膨胀系数，使折射率得到控制。

随着WDMPON系统接入距离的增加，光纤和阵列波导的色散效应会导致系统误码率增加。解决色散效应比较好的方法是色散补偿光纤光栅，通过在AWG中加入补偿光纤光栅改善色散特性。色散补偿是对频率的二次相移所造成的脉冲展宽进行压缩补偿。如果波导光栅输出的响应频率的二次相移特性比较平坦，频带较宽且幅度满足要求，则认为此波导光栅的色散补偿特性较好。

目前PON是解决接入网"最后一公里"、实现FTTx的最具吸引力的技术。所谓"无源"，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电源，全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，因此其管理维护的成本较低，这是PON在接入网发展中最具优势的一面。

PON按信号分配方式可以分为PSPON(功率分割型无源光网络)和WDMPON(波分复用型无源光网络)。APON、BPON、EPON和GPON均属于PSPON，PSPON采用星型耦合器分路，上/下行传送采用TDMA/TDM方式实现信道带宽共享，分路器通过功率分配将OLT发出的信号分配到各个ONU上。WDMPON技术则是将波分复用技术运用在PON中，光分路器通过识别OLT发出的各种波长，将信号分配到各路ONU。虽然PSPON较为成熟，特别是E-PON、GPON，在北美、日本已经有较大规模的部署，但是PSPON仍然存在一些问题需要解决，例如快速比特同步、动态带宽分配、基线漂移、ONU的测距与延时补偿、突发模式光收发模块的设计等。部分问题虽然得到了解决，但是成本较大。例如，在上行的TDMA复用测距方面，光缆中信号每米传输时间大约为5 ns，而STM-1、STM-16、GE系统的比特周期分别只有6.4 ns、0.4 ns和0.8 ns。可见，随着速率的提高，测距和上行成帧的难度将会大幅度增加。基于波分复用技术的WDMPON采用波长作为用户端ONU标识，利用波分复用技术实现上行接入，能够提供较高的工作带宽，可以实现真正意义上的对称宽带接入。同时，它还可以避免TDMA技术中ONU的测距、快速比特同步等诸多技术难点，并且在网络管理以及系统升级性能方面都有着明显的优势。随着技术的进步，波分复用光器件的成本，尤其是无源光器件成本大幅度下降，质优价廉的WDM器件不断出现，WDMPON技术将是接入网一个可以预见的发展趋势。下面对WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技术问题进行分析。

ONU光源的选择原则是易于安装维护、成本低、光谱应工作于WDMPON的整个波长范围内。目前有4种ONU光源。

(1)单频激光器

宽调谐单模DFB激光器阵列可以满足要求，但由于价格昂贵，仍处于实验阶段，距市场化应用还有一定距离。

(2)光环回

光环回技术是利用OLT发出的一部分下行光信号作为载波，在ONU中调制上行信号，再发送到OLT。光环回技术避免了使用ONU光源，但也存在一些缺点。它要求OLT光源输出功率很大，以支持上下行传输。如果没有高功率的OLT光，替代方法是放大上行信号。为了在OLT和ONU间保持无源设备，放大器必须放在ONU内，这样就导致了ONU成本的增加。光环回的另一个缺点是，为了避免瑞利后向散射造成的较大干扰，必须将上下行信号分离在不同的光纤里进行传输，这样导致了光纤和路由器端口数量成倍增加，设备安装维护的复杂度提高。

(3)光谱分割

光谱分割的原理是:WDMPON利用宽带光源作为ONU的光源，发射光通过AWG后，输出信号的频谱是原来宽带信号的一部分，其波长取决于与ONU相连的复用器端口，输出信号复用到一根光纤上，在OLT通过解复用器到达目的接收机。WDMPON系统中普遍采用窄带光滤波器对宽频谱的光源进行频谱分割，使每个WDM信道获得惟一光波作为上行光源。频谱分割WDMPON系统采用宽带光源(如LED)，与可调谐单频激光器相比，宽带光源具有设备简单、成本低的优点，因此对成本敏感的接入网很有吸引力。光谱分割的主要缺点是频谱分割导致光功率损耗很大(18 dB)，而LED的入纤功率一般只有-10 dBm，造成功率预算紧张;引起信道间的串扰，限制了系统的动态范围;多模或宽带光源固有的几种噪声(模分散噪声、强度噪声、光差拍噪声)的存在，使调制速率受限。

(4)波长锁定FP激光器

基于波长锁定FP激光器的WDMPON系统被采纳并开始商用，该系统把FP激光器作为OLT和ONU的信号发射器。工作原理是:掺铒光纤放大器产生光谱放大自发辐射(ASE)信号，ASE信号通过OLT到达AWG，被AWG进行光谱分割后产生多个窄带信号，这些信号被注入不同的ONU的同一类型FP激光器中，迫使FP激光器产生单波长模式，抑制了多波长模式的产生。最新的产品可支持16个WDM信道，信道间隔为200 GHz，每信道速率为1.25 Gbit/s，可支持大约21 dB的ODN链路预算。

PON自出现以来，经过多年发展，形成了APON、EPON、GPON、WDMPON等一系列技术，而WDMPON结合了WDM技术和PON拓扑结构的优点，日益成为一种高性能的接入方式。目前WDMPON系统面临的最大困难在于器件成本过高，多数研究仍处于实验室的理论研究阶段。在光接入网方面表现突出的韩国，开始测试并小规模试商用WDMPON系统，其最大运营商KT与一家新兴器件公司Novera，于2005年开始合作进行5万户、16波的WDMPON实验。Novera的突破在于使局端设备不需要多个激光器从而降低了系统成本，并且使用了波长锁定和温度稳定AWG技术。该公司预测:利用特殊的光学技术，有可能将每用户成本降低到EPON每用户成本的2倍以下，随着使用量的增长价格还会降低。虽然WDMPON技术还不稳定，但相关器件技术的成熟和用户带宽需求的增长，必将推动业界和市场对WDMPON技术的持续关注。

无源光网络(PassiveOpticalNetwork;PON)包括一个安装于中央控制站(CO)的光纤终端(OLT)，以及安装于客户端的光纤网络单元(ONTs)。在OLT与ONT之间的光纤分布网络(ODN)包含了光纤以及无光源分波器或耦合器(见图一)。在PON的架构中，一个光纤终端(OLT)下可以有多个无源光网络(PON)的单元。每一个单元均可形成一个独立的PON网，藉由并不昂贵的分波器和光纤分布连接多种不同类型的ONT。对于接入网络的无源性设计，减少了对电子元件的需求，如此一来便可以降低维修成本的支出。

GPON的网络中上行的传输速率为1.244Gbs，下行传输速率可达2.488Gbs。除了上下行的传输速率不同外，两者的传输原理也不相同。数据的下行传输是利用广播的原理将从OLT发送到每个ONT，被传送的封包头上携带了目的地的住址，经由地址的比对可将数据流量准确地传达。

上行传输的情况则要复杂得多，因为光纤分布网络(ODN)具有媒介(media)共用的特性，所以必需协调每个ONT到OLT的数据传输，以避免ONT之间的网络拥塞。上行数据的传输是透过OLT所控制，利用TDMA(分时多任务)协定，分配给每个独立的ONT传输时槽。由于时槽是同步的，所以不同ONT所生成的数据流量互相是不会冲突的。

PON技术发展历程

·上世纪90年代初提出PON概念

·1995年成立FSAN(Full Service Access Networks)组织

·1996年ITU-T颁布G.982 (PON标准建议)

·1998年ITU-T 颁布G.983(APON标准建议)

·2000年12月成立IEEE 802.3ah工作组，制定EPON标准建议

·2003年3月ITU-T颁布G.984(GPON标准建议)

·上世纪90年代末APON开始商用

·2003年6月 美国三大运营商开始APON招标

·2003年8月日本NTT开始EPON招标

·2005年中国电信开始测试并部署EPON试验网

·2010年8月3日，中国电信和中国移动已与阿尔卡特朗讯签署框架协议,正式使用其无源光网络(PON)解决方案作为下一代宽带网的关键技术,并于年内开始在上海、江苏、山东等多个省市展开项目建设,以改进提升目前的宽带网络。