無源光網絡

無源光網絡（PON），是指在OLT和ONU之間是光分配網絡（ODN），沒有任何有源電子設備，它包括基於ATM的無源光網絡APON及基於IP的無源光網絡E/GPON。

無源光網絡（PON）的概念最早是英國電信公司的研究人員於1987年提出的，是一種應用光纖的接入網，因為它從光線路終端（OLT）一直到光網絡單元（ONU）之間沒有任何用電源的電子設備，所用的器件包括光纖、光分路器等，都是無源器件，所以被稱為“無源光網絡” ^[1]  。

APON的業務開發是分階段實施的，初期主要是VP專線業務。相對普通專線業務，APON提供的VP專線業務設備成本低，體積小，省電、系統可靠穩定、性能價格比有一定優勢。第二步實現一次羣和二次羣電路仿真業務，提供企業內部網的連接和企業電話及數據業務。第三步實現以太網接口，提供互聯網上網業務和VLAN業務。以後再逐步擴展至其它業務，成為名副其實的全業務接入網系統。

PON的業務透明性較好，原則上可適用於任何制式和速率信號。特別是一個ATM化的無源光網絡（APON）可以通過利用ATM的集中和統計複用，再結合無源分路器對光纖和光線路終端的共享作用，使成本可望比傳統的以電路交換為基礎的PDH/SDH接入系統低20%—40%。

APON採用基於信元的傳輸系統，允許接入網中的多個用户共享整個帶寬。這種統計複用的方式，能更加有效地利用網絡資源。APON能否大量應用的一個重要因素是價格問題。第一代的實際APON產品的業務供給能力有限，成本過高，其市場前景由於ATM在全球範圍內的受挫而不確定，但其技術優勢是明顯的。特別是綜合考慮運行維護成本，在新建地區，高度競爭的地區或需要替代舊銅纜系統的地區，此時敷設PON系統，無論是FTTC，還是FTTB方式都是一種有遠見的選擇。在未來幾年能否將性能價格比改進到市場能夠接受的水平是APON技術生存和發展的關鍵。

IPPON的上層是IP，這種方式可更加充分地利用網絡資源，容易實現系統帶寬的動態分配，簡化中間層的複雜設備。基於PON的OAN不需要在外部站中安裝昂貴的有源電子設備，因此使服務提供商可以高性價比地向企業用户提供所需的帶寬。

其概念是將光纖中繼線從服務提供商的頭端輻射到用户（如圖5所示）。此係統具有以下組件：

OLT （光線路終端） PON光纖在服務提供商設施處的終端。ONT（光網絡終端） 在用户位置的終端。OAS（光接入交換機） 位於服務提供商處的交換機，它聚合來自所有用户的信元/數據分組並提供向因特網和PSTN的連接。POS（無源光分路器） 或“分路器”在沿着進入多點樹狀拓撲的路徑的任意點分離中繼線和光信號。ONU（光網絡單元） 提供對用户的扇出連接。每條PON中繼線最多可支持32次分路和64個0NU。用户與ONU的連接可以使用同軸電纜、雙絞線、光纜，甚至是無線連接。I0T（智能光終端） 主要指設計用於商業連接的0NU。它為企業提供多種話音和數據業務，與綜合接入設備非常類似。PON中繼線的帶寬範圍從l55Mbit/s到622Mbit/s。每一次分路都會減少帶寬，因此用户可用的帶寬取決於在他和頭端設備之間的分路次數。例如，對622Mbit/s的中繼線，如果對其分路以支持32個0NU,則與0NU相連的用户最多可獲得19.5Mbit/s的帶寬。該帶寬由所有用户分享。為了組織此纜路上的通信，可以採用許多技術，包括ATM、以太網、FDM（頻分複用）以及WDM（波分複用）。FSAN （全業務接入網絡）聯盟對ATM PON（APON）作出了決定，APON變成ITU G.983標準。APON使用眾所周知的技術，並提供有保障的QoS（因為ATM信元有固定的大小以及ATM專用的QoS協議功能）。APON是一種基於ATM信元的TDM/TDMA技術，由於ATM在實現不同業務的複用以及適應不同帶寬方面的靈活性，使APON成為一種結合ATM多業務多比特率支持能力和無源光網絡透明寬帶傳送能力的比較理想的長遠解決方案，是未來寬帶接入技術的發展方向，其標準遵循ITU-TG.983建議，最高速率為622Mbit/s。因為APON二層採用的是ATM封裝和傳送技術，因此存在帶寬不足、技術複雜、價格高、承載IP業務效率低等問題。為更好適應IP業務，第一英里以太網聯盟（EFMA）在2001年初，IEEE802.3ah工作小組對其進行了標準化， 由Cisco和Corning牽頭的數家公司正在促進以太網PON的使用。他們稱以太網比ATM更有理由成為PON的選擇，因為大多數企業都使用以太網連接，所以提出了在二層用以太網取代ATM的EPON技術。IEEE組成了“Ethernet in the First Mile Study Group（第一英里以太網研究組）”對以太網PON以及其他接入技術進行評估。EPON可以支持1.25Gbit/s對稱速率，將來速率還能升級到10Gbit/s，EPON產品得到了更大程度的商用。

接入網是用户進入城域網/骨幹網的橋樑，是信息傳送通道的“最後一公里”。過去幾年，網絡的核心部分發生了翻天覆地的變化，無論是交換、還是傳輸都已更新換代，而接入網由於經濟性問題如用户的業務需求、用户密度、用户的經濟承受能力等多方面原因發展緩慢，成為制約網絡向寬帶化、全業務化發展的瓶頸。隨着我國經濟的迅速發展，高帶寬的消耗業務逐步湧現，帶寬提速成為迫切需求。為了滿足用户的需求，各種新技術不斷湧現，接入網技術己成為設備製造商、運營商和電信研究部門關注的焦點和投資的熱點。

我國之前主流的有線接入技術包括ADSL、LAN、HFC、PLC和FTTH，其中部分LAN採用了PON+LAN的方式，而無線接入技術中又有WLAN、WiMAX、WiFi、Bluetooth、3G等技術。之前寬帶接入網有兩個主要的研究目標，第一是向高速、安全、智能化方向發展，要求網絡更靈活、面向用户更多和成本更低，這方面FTTH是有線接入領域的傑出代表。另一個則是多業務的融合，即在同一個平台上靈活提供IPTV、有線電視視頻、傳統語音、數據業務的接入。

PON傳輸速率下行為622Mbps或155Mbps，上行為155Mbps ^[2]  。

在各種寬帶接入技術中，無源光網絡以其容量大、傳輸距離長、較低成本、全業務支持等優勢成為熱門技術。之前已經逐步商用化的無源光網絡主要有TDM-PON（APON、EPON、GPON）和WDM-PON，它們的共同特點是：

·可升級性好、低成本，接入網中去掉了有源設備，從而避免了電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，降低了相應的運維成本；

·業務透明性較好，高帶寬，可適用於任何制式和速率的信號，能比較經濟地支持模擬廣播電視業務，支持三重播放（Triple play，語音、視頻、數據）業務；

·高可靠性，提供不同業務優先級的QoS保證，適應寬帶接入市場IP化的發展潮流，適於大規模應用。

這種網絡是一種點到多點的光纖傳輸和接入的網絡，具有節省光纜資源、設備安全性高、建網速度快、成本低等突出的優點，因此隨着光纖接入技術FTTB、FTTC和FTTZ等的廣泛應用，無源光網絡很快就成為各種FTTx最為理想的接入方式，得到了廣泛的應用 ^[1]  。

目前已經形成標準的PON規範有：APON（ATM-PON）、EPON（EthernetoverPON）和GPON ^[3]  。

如圖1，PON（無源光網絡）中最主要的三部分包括位於局端的OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）、終端ONU（Optical Network Unit，光網絡單元）、以及ODN（Optical Distribution Network，光配線網）。PON“無源”是指ODN全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成，不含有任何電子器件及電源。

無源光網絡（PON）是一種純介質網絡，避免了外部設備的電磁干擾和雷電影響，減少了線路和外部設備的故障率，提高了系統可靠性，同時節省了維護成本，是電信維護部門長期期待的技術。無源光接入網的優勢具體體現在以下幾方面：

（1）無源光網體積小，設備簡單，安裝維護費用低，投資相對也較小。

（2）無源光設備組網靈活，拓撲結構可支持樹型、星型、總線型、混合型、冗餘型等網絡拓撲結構。

（3）安裝方便，它有室內型和室外型。其室外型可直接掛在牆上，或放置於“H”杆上，無須租用或建造機房。而有源系統需進行光電、電光轉換，設備製造費用高，要使用專門的場地和機房，遠端供電問題不好解決，日常維護工作量大 ^[4]  。

（4）無源光網絡適用於點對多點通信，僅利用無源分光器實現光功率的分配。

（5）無源光網絡是純介質網絡，徹底避免了電磁干擾和雷電影響，極適合在自然條件惡劣的地區使用。

（6）從技術發展角度看，無源光網絡擴容比較簡單，不涉及設備改造，只需設備軟件升級，硬件設備一次購買，長期使用，為光纖入户奠定了基礎，使用户投資得到保證。

PON是在所謂的“最後一公里”中缺少帶寬時的解決方案。家庭用户為了獲得快速因特網接入，可以選擇的方法極其有限（電話或電纜系統）。同樣，企業也侷限於T1和T3載波提供的性能。PON提供了城域中的另一種解決方案。它主要用於解決寬帶最終用户接入終端局的問題，由於這種接入技術使得接入網的局端（OLT）與用户（ONU）之間只需光纖、光分路器等光無源器件，不需租用機房和配備電源，因此被稱為無源光網絡。它用於FTTH（光纖到家庭）。混合PON系統將光纜延伸到通信公司的遠程終端，然後利用銅線DSL業務進入家庭。

在PON的架構中，一個光纖終端（OLT）下可以有多個無源光網絡（PON）的單元。每一個單元均可形成一個獨立的PON網，藉由並不昂貴的分波器和光纖分佈連接多種不同類型的ONT。對於接入網絡的無源性設計，減少了對電子元件的需求，如此一來便可以降低維修成本的支出。

無源光網絡是“復興的”光纜技術，它最初是為有線電視網絡設計的，它作為一種能在城域提供高速接入的體系結構而得到關注。PON是ITU規範。

通過PON，單根光纖從服務提供商的設備延伸到靠近居民區或商務中心的位置。“無源”是指該系統在服務提供商和客户之間不需要電源和有源的電子組件。它僅由光纖、分路器、接頭和連接器組成。一根光纖可為多個客户提供服務，而此前的系統要求每個客户都有獨立的光纖。PON可遠距離使用，它是農村地區的理想選擇。

目前PON是解決接入網“最後一公里”、實現FTTx的最具吸引力的技術。所謂“無源”，是指ODN中不含有任何有源電子器件及電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成，因此其管理維護的成本較低，這是PON在接入網發展中最具優勢的一面。

PON按信號分配方式可以分為PSPON（功率分割型無源光網絡）和WDMPON（波分複用型無源光網絡）。APON、BPON、EPON和GPON均屬於PSPON，PSPON採用星型耦合器分路，上/下行傳送採用TDMA/TDM方式實現信道帶寬共享，分路器通過功率分配將OLT發出的信號分配到各個ONU上。WDMPON技術則是將波分複用技術運用在PON中，光分路器通過識別OLT發出的各種波長，將信號分配到各路ONU。雖然PSPON較為成熟，特別是E-PON、GPON，在北美、日本已經有較大規模的部署，但是PSPON仍然存在一些問題需要解決，例如快速比特同步、動態帶寬分配、基線漂移、ONU的測距與延時補償、突發模式光收發模塊的設計等。部分問題雖然得到了解決，但是成本較大。例如，在上行的TDMA複用測距方面，光纜中信號每米傳輸時間大約為5 ns，而STM-1、STM-16、GE系統的比特週期分別只有6.4 ns、0.4 ns和0.8 ns。可見，隨着速率的提高，測距和上行成幀的難度將會大幅度增加。基於波分複用技術的WDMPON採用波長作為用户端ONU標識，利用波分複用技術實現上行接入，能夠提供較高的工作帶寬，可以實現真正意義上的對稱寬帶接入。同時，它還可以避免TDMA技術中ONU的測距、快速比特同步等諸多技術難點，並且在網絡管理以及系統升級性能方面都有着明顯的優勢。隨着技術的進步，波分複用光器件的成本，尤其是無源光器件成本大幅度下降，質優價廉的WDM器件不斷出現，WDMPON技術將是接入網一個可以預見的發展趨勢。下面對WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技術問題進行分析。

目前有多種方法構造多波長光源。一種方法是選擇一組波長接近的、離散的、可調諧的DFB激光器（DFB激光器陣列），利用温度調諧產生多波長的下行信號。由於DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制温度統一調諧，容易實現波長監控，但由於DFB激光器輸出波長隨波導有效折射率變化，很難精確控制輸出光譜與波長路由器信道間隔的匹配。第二種方法是採用MFL（多頻激光器）。MFL是一種基於集成半導體放大器和WGR（Waveguide Grating Router，波導光柵路由器）技術的新型WDM激光器。MFL包含N個光放大器和一個1×N的陣列波導光柵，陣列波導光柵的每個輸入端集成一個光放大器。在光放大器和陣列波導光柵輸出端之間形成一個光學腔，如果放大器的增益克服腔內的損耗，則有激光輸出，輸出波長由陣列波導光柵的濾波特性決定。通過直接調製各個放大器的偏置電流，就可以產生多波長的下行信號。MFL的波長間隔由陣列波導光柵中的波導長度差決定，可以精確控制，各波長可以通過控制同一個温度統一調節，便於波長監控。已經開發出16信道間隔為200 GHz和20信道間隔為400 GHz的MFL產品，直接調製速率為622 Mbit/s。第三種方法是比特交錯光源。它使用了一個飛秒級（10-15，）光纖激光器來產生一個1.5μm附近70 nm譜寬的脈衝，這一脈衝被22 km長的標準單模光纖啁啾。隨着脈衝的傳輸，數據可在高速調製器中以比特交錯的方式被編碼。

在WDMPON系統中，波分複用器通常被稱為波長分路器，它解複用下行信號，並分配給指定的ONU，同時把上行信號複用到一根光纖，傳輸到OLT。波長分路器主要由AWG構成。在波長分路器實現當中需要關注的問題有串擾問題、温度穩定性問題和色散效應。

由於AWG器件隔離度的不理想和非線性光學效應的影響，其他光通道的信號會泄露到傳輸通道形成噪聲，從而對系統性能造成影響。AWG由輸入輸出波導、平板波導和波導陣列組成。聚焦模場和輸出波導的場分佈不是矩形結構，這是串擾的最直接來源。已經有三種方法來抑制串擾：激光束逐點掃描法、變跡相位模板法、均勻相位模板法。

在WDMPON系統中，AWG器件一般都放在野外，環境温度變化比較大，由於AWG主要材料是石英，而石英的折射率隨温度變化而變化，因此AWG複用的信道波長容易受温度的影響。因此當温度變化時，如何保證信道波長的穩定性是一個值得研究的問題。人們已研究出多種方法增強AWG的温度穩定性。其中，有利用折射率隨温度作反方向變化的波導或在陣列波導之間刻蝕不同長度的凹槽的方法來實現温度控制，這些方法可以讓AWG的光譜響應在-20～80 oC幾乎沒有變化。另外，也有利用聚合物材料製造陣列波導光柵，如丙稀鹽酸和聚硅樹脂，這些材料減少了熱膨脹係數，使折射率得到控制。

隨着WDMPON系統接入距離的增加，光纖和陣列波導的色散效應會導致系統誤碼率增加。解決色散效應比較好的方法是色散補償光纖光柵，通過在AWG中加入補償光纖光柵改善色散特性。色散補償是對頻率的二次相移所造成的脈衝展寬進行壓縮補償。如果波導光柵輸出的響應頻率的二次相移特性比較平坦，頻帶較寬且幅度滿足要求，則認為此波導光柵的色散補償特性較好。

ONU光源的選擇原則是易於安裝維護、成本低、光譜應工作於WDMPON的整個波長範圍內。目前有4種ONU光源。

（1）單頻激光器

寬調諧單模DFB激光器陣列可以滿足要求，但由於價格昂貴，仍處於實驗階段，距市場化應用還有一定距離。

（2）光環回

光環回技術是利用OLT發出的一部分下行光信號作為載波，在ONU中調製上行信號，再發送到OLT。光環回技術避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持上下行傳輸。如果沒有高功率的OLT光，替代方法是放大上行信號。為了在OLT和ONU間保持無源設備，放大器必須放在ONU內，這樣就導致了ONU成本的增加。光環回的另一個缺點是，為了避免瑞利後向散射造成的較大幹擾，必須將上下行信號分離在不同的光纖裏進行傳輸，這樣導致了光纖和路由器端口數量成倍增加，設備安裝維護的複雜度提高。

（3）光譜分割

光譜分割的原理是：WDMPON利用寬帶光源作為ONU的光源，發射光通過AWG後，輸出信號的頻譜是原來寬帶信號的一部分，其波長取決於與ONU相連的複用器端口，輸出信號複用到一根光纖上，在OLT通過解複用器到達目的接收機。WDMPON系統中普遍採用窄帶光濾波器對寬頻譜的光源進行頻譜分割，使每個WDM信道獲得惟一光波作為上行光源。頻譜分割WDMPON系統採用寬帶光源（如LED），與可調諧單頻激光器相比，寬帶光源具有設備簡單、成本低的優點，因此對成本敏感的接入網很有吸引力。光譜分割的主要缺點是頻譜分割導致光功率損耗很大（18 dB），而LED的入纖功率一般只有-10 dBm，造成功率預算緊張；引起信道間的串擾，限制了系統的動態範圍；多模或寬帶光源固有的幾種噪聲（模分散噪聲、強度噪聲、光差拍噪聲）的存在，使調製速率受限。

（4）波長鎖定FP激光器

基於波長鎖定FP激光器的WDMPON系統被採納並開始商用，該系統把FP激光器作為OLT和ONU的信號發射器。工作原理是：摻鉺光纖放大器產生光譜放大自發輻射（ASE）信號，ASE信號通過OLT到達AWG，被AWG進行光譜分割後產生多個窄帶信號，這些信號被注入不同的ONU的同一類型FP激光器中，迫使FP激光器產生單波長模式，抑制了多波長模式的產生。最新的產品可支持16個WDM信道，信道間隔為200 GHz，每信道速率為1.25 Gbit/s，可支持大約21 dB的ODN鏈路預算。

PON自出現以來，經過多年發展，形成了APON、EPON、GPON、WDMPON等一系列技術，而WDMPON結合了WDM技術和PON拓撲結構的優點，日益成為一種高性能的接入方式。目前WDMPON系統面臨的最大困難在於器件成本過高，多數研究仍處於實驗室的理論研究階段。在光接入網方面表現突出的韓國，開始測試並小規模試商用WDMPON系統，其最大運營商KT與一家新興器件公司Novera，於2005年開始合作進行5萬户、16波的WDMPON實驗。Novera的突破在於使局端設備不需要多個激光器從而降低了系統成本，並且使用了波長鎖定和温度穩定AWG技術。該公司預測：利用特殊的光學技術，有可能將每用户成本降低到EPON每用户成本的2倍以下，隨着使用量的增長價格還會降低。雖然WDMPON技術還不穩定，但相關器件技術的成熟和用户帶寬需求的增長，必將推動業界和市場對WDMPON技術的持續關注。

由於PON拓撲在許多方面與傳統網絡不同，當使用OTDR測試鏈路特性時就出現新的挑戰。根據網絡部署的不同階段（也就是建設階段和維護階段），選擇正確的OTDR非常重要。能夠對PON網絡測試的OTDR的特徵包括能夠利用相對短的脈衝、靈敏的光學檢測電路和優化的軟件分析提供足夠大的動態範圍。

該方法允許執行端到端鏈路鑑定，甚至可以通過分路器進行。為了測試每段引入光纖或配線光纖，技術人員必須在配線終端或ONT位置連接OTDR，並在上行方向測試光纖。

即使有足夠高的動態範圍，標準OTDR也無法通過分路器進行測試。由於分路器引起較高損耗，檢測器的恢復速度不足以讀取光纖的背向散射水平。所以，它無法測量這段光纖區域的衰減和事件損耗。一些OTDR甚至不會在分路器後顯示光纖區域。相反，OTDR會顯示噪音，這可能會令技術人員認為是光纖或分路器有缺陷，或熔接不良。

EXFO FTB-7000D OTDR一代的產品，其設計允許使用相對短的脈衝（275ns到1μs）通過分路器進行測試，脈衝長短取決於光纖分佈集線器（FDH）處的分光比。PON優化的光學檢測電路可以容忍分路器的高的損耗，並且仍能夠恢復和測量後面的光纖區域（光纖配線）的背向散射水平。

新一代OTDR可用作FTB-200和FTB-400主機的插件模塊，這些主機可兼容其它很多光學、傳輸和數據通信測試模塊。

很多故障排除測試方案都不需要穿通分路器。例如，在故障排除期間，用户可能想只測試FDH和客户之間的分佈光纖或配線光纖。這可使用手持式OTDR（如AXS-100）。這種OTDR並不是為了對分路器進行測試而設計，但卻提供了足夠的動態範圍，可以完整鑑定PON網絡的任意區域，包括CO和FDH位置之間的饋線。

在很多故障排除情況下，PON網絡會保持活動狀態，並繼續為客户提供服務，承載1490和1550nm的下行傳輸。如果使用OTDR精確查找問題，用户必須在測試前確保光纖是暗光纖。為此，必須連接FDH，以便可以斷開被測光纖。如果網絡只包含熔接或如果問題出在分路器級別，則不可能使用工作於1310、1490或1550nm的“帶內”OTDR，因為可能會損壞OTDR或傳輸設備。

針對上述情況，EXFO開發了工作於1625或1650nm的“帶外”OTDR。這些高級OTDR不會干擾傳輸。使用集成濾波器，OTDR可以隔離發射機信號並對被測光纖進行檢測。

1、PON設備的網絡規劃- OLT的部署。xPON建設初期，宜採用集中設置，在傳輸匯聚節點設置OLT節點覆蓋一定區域內的零散用户。在xPON應用成熟期，宜採用分散設置的原則，將OLT設置在條件較好的有線接入或無線接入點機房，逐步向接入網接入和無線接入點相統一進行過渡，充分實現基礎資源的綜合利用。採用大容量的OLT設備，充分利用光接入的距離優勢，減少局所，降低維護成本 ^[5]  。

2、PON設備的網絡規劃-分光器的部署。分光器分光：目前PON可以採取兩級分光方式來保證部署的靈活和端口的充分利用；當用户滲透率提高時，將二級分光調整為一級分光；就目前接入PON網絡宜採用一級分光，儘量不超過兩級分光。用户規模較小時，分光器應集中設置；用户規模較大時，分光器可適當分散設置，以便儘量靠近用户。分光器布放位置：分光器可以根據工程的實際情況布放在交接箱、小區機房、樓道和弱電井等地方 ^[5]  。

3、PON設備的網絡規劃- ONU的部署。建設PON網絡實現接入網/FTTB時，宜儘量選用內置語音模塊的設備實現綜合業務接入。ONU應根據FTTx網絡的應用模式、業務需求進行設置。對於接入網應用，應儘量將ONU設置在用户家裏，避免安裝在門口或樓道內。對普通公眾用户，可將ONU設置在用户終端智能盒內提供保護，或者放置於桌面(採用光纖信息插座)。對於FTTB應用，可選擇將ONU設置在大樓樓道或豎井內機櫃、室外光交接箱等不同位置集中放置。ONU原則上採用本地供電方式，儘量不採用遠端供電方式。為保證斷電時語音業務的正常開展，可以根據提供電池模塊提供備用電源 ^[5]  。

4、PON設備的網絡規劃-網管。集中建設廠家網管，開放北向接口，便於接入傳輸綜合網管。