OFC2025 | 采用快速波长检测的突发模式相干 PON 上行技术
引言相干 PON 技术简介无源光网络(PONs)已成为现代高速互联网接入的基础。随着带宽需求持续增长超过 50 Gbit/s，传统的直接检测方法面临显著限制。相干技术为下一代 PON 提供了有效解决方案，特别是对于采用时分多址接入(TDMA)的上行方向。
相干技术可能需要进一步提高无源光网络(PONs)的数据速率超过 50 Gbit/s。目前，研究界正在确定实现采用时分多址接入(TDMA)的未来相干 PON 系统上行方向的最佳方法。
相干检测和直接检测之间的主要区别在于接收器中存在本地振荡器(LO)激光器。相干检测要求信号和 LO 激光器在几 GHz 范围内光学对准，以使信号保持在接收器的电气带宽内。在 PON 中，由于成本和复杂性原因，精确的波长对准具有挑战性。传统方法依赖于光网络单元(ONU)中昂贵的冷却激光器，具有精确的波长控制，增加了成本和功耗。
图 1：上行相干 PON 的可能架构：(a) 类型 I，使用固定波长冷却激光器和(b) 类型 II，本文提出的：在 OLT 跟踪的成本高效非冷却直接突发激光器。
1挑战与提出的解决方案首先，需要校准、冷却的光网络单元(ONU)信号激光源，在各种环境条件下和整个寿命期间保持稳定，这增加了制造和测试成本，以及功耗。同时，PON 传统上依赖于廉价的非冷却激光器，允许在最大 20 nm 的波长窗口内发射。
其次，即使在 ONU 发射端使用稳定的激光器，还需要额外的光学快门/门来抑制残余 ONU 输出，以避免对同一 PON 中其他突发 ONU 的有害干扰。这导致 ONU 复杂性进一步增加，增加了成本和功耗。
如图 1 所示，相干 PON 上行有两种可能的架构：
[*]类型 I：使用具有冷却、精确控制激光器和光学快门的 ONU
[*]类型 II（提出的解决方案）：使用非校准、非冷却、直接突发激光器，在光线路终端(OLT)进行波长跟踪
后一种架构将复杂性从 ONU 端转移到 OLT，这对 PON 是理想的，因为 OLT 由许多用户共享，但同时在 OLT 接收端需要新功能——能够测量不同波长并在纳秒时间尺度内相应调谐 LO。
2系统设计与实现为了测量突发 ONU 的不同波长并相干接收其信号，使用硅基光电子波长计和混合硅激光器作为快速 LO。波长计由具有不同波导延迟长度的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)阶段组成，包括硅和氮化硅，并集成了快速光电二极管。
该系统具有 95 nm 波长范围，连续波激光器的测量精度小于 1 GHz，响应时间低于 10 ns，以及广泛的温度不敏感性。对于 LO，设计了一种 InP/Si 混合外腔激光器，由具有载流子注入相移器的硅基光电子 MZI 滤波器组成，用于快速波长调谐，基于中的方法，展示了具有 10 ns 调谐速度和大于 50 nm 无栅格波长范围的硅基光电子激光器。图 2：(a) 组装的硅基光电子 LO (b) 含有微控制器的控制 PCB (c) 组装的硅基光电子波长计 (d) 具有波长计和可调谐 LO 的突发模式相干 PON 实验的实验设置 (e) 时间域中传入信号的示意图 (f) 波长域中信号的示意图 (g) 不同波长和光功率下的波长计测量标准偏差。
在此实验中，硅基光电子芯片组装成模块（图 2(a-c)），与控制板电气连接，该控制板由连接到波长计的 TIA 和 ADC，以及连接到 LO 的 DAC 组成。该板包括一个 FPGA，编程为快速更新 DAC 并调谐 LO，并将 ADC 测量传送到 CPU 进行波长计算。
3实验设置实验证明了配备硅基光电子波长计/LO 子系统的接收器能够接收不同波长的 ONU 的短突发，且波长或突发时间的变化可以被波长计快速检测，以便 LO 对准突发。图 2(d)显示了实验设置。为了模拟一组相干 PON 上行 ONU，使用三个 100ZR 发射器，分别发射在 λA=1560.2 nm、λB=1539.4 nm 和 λC=1549.8 nm，每个功率为 -8 dBm。
为了实现突发，以及为经历最高光路损耗(OPL)的发射器增加发射功率达 6 dB，在输出端使用 SOA 升压门，在连续模式下测量时将发射功率增加到 6 dBm。定义了一个 5-μs 长的突发传输计划 Sch1，突发持续时间 tA=1.4 μs，随后是 0.2 μs 的突发间隙，tB=1.2 μs 突发 + 0.2 μs 间隙和 tC=1.6 μs 突发 + 0.4 μs 间隙。
还定义了计划 Sch2，其中 λC′=1555.3 nm，改变时间：tA′=1.3 μs 突发 + 0.2 μs 间隙，tB′=1.5 μs + 0.2 μs 间隙和 tC′=1.4 μs + 0.4 μs 间隙。突发通过一系列无源合并器汇聚到馈线光纤中，然后通过 20 公里的标准单模光纤传输。所有传入突发通过降低具有较低 OPL 的发射器的发射功率进行功率调平，就好像所有发射器都处于最坏情况的 OPL，以减轻大型(15-20 dB)ODN 差分损耗和潜在的输出功率变化。
4测量结果与系统性能波长计在各种操作条件下的性能得到了全面评估。在接收器输入端，突发系列通过 EDFA 放大，该 EDFA 具有增益平坦化和窗外 ASE 抑制滤波器，光学带宽为 22.6 nm，在 -25.5 dBm 的输入功率下校准，以考虑 EDFA 在兴趣波段上的增益曲线，并确保功率调平条件下类似的突发接收性能。然后，信号分配到相干接收器光前端(OFE)和波长计。
在 OFE，信号与硅基光电子 LO 输出混合，使用实时示波器(RTO)的 ADC 以 80 GSa/s 采样，并离线处理。在突发条件下使用 100G DP-QPSK 调制和由于前置放大器而有限的 OSNR 表征波长计测量。进入波长计的光功率在约 5 dBm（在 -26 dBm 接收功率）到约 1 dBm（在 -31 dBm 接收功率）之间变化。
如图 2(g)所示，对于接收光功率低至 -29.5 dBm，波长计的测量标准偏差保持在 10-20 pm（<3 GHz），之后长波长处锗光电二极管的较低响应开始影响低功率测量。波长计可以通过使用响应更好的 APD 而不是 PIN 光电二极管、将支持带宽缩小到 20 nm（从 95 nm）以及改进 TIA PCB 的屏蔽以减少寄生振荡，进一步优化低功率敏感度。图 3：(a,d) 传输信号突发和 LO 突发的功率包络 (b,e) 使用波长计测量的信号突发和 LO 突发的波长 (c,f) 前置放大器后传入信号和 LO 的时间平均光谱 (g) 计划 Sch1 的相干接收器接收到的突发的 XI 分量 (h) 每个突发内十分块的解调结果 (i) 不同接收光功率级别的 BER 性能和由此产生的 PON 光功率预算。
在相干突发模式接收器中，波长计测量接收到的光信号，识别突发，测量其波长，并设置 LO 以发射匹配波长。在 Sch1 期间，波长计测量传入突发与时间的关系（图 3(b)），LO 发射模仿时间表的模式。LO 输出功率在 10-15 ns 内迅速稳定，因此增加了很少的开销。当 ONU 切换到 Sch2 时，波长计基于初始 90 ns 的测量检测到波长变化为 λC′，LO 再次更新以匹配模式。
最后测量基于 Sch1 期间信号和 LO 混合的数据（图 3(g-i)）。相干 OFE TIA 设置为恒定增益模式，以防止 TIA 自动增益控制环路对突发间隙做出反应。从接收到的幅度可以看出，突发在 LO 匹配每个突发中的信号波长的情况下被接收。接收器 DSP 是非数据辅助的，实现了 CD 补偿、固定粗频率偏移补偿、重采样到每符号 2 个样本、9-抽头 T/2 CMA 下采样均衡和相位恢复，没有任何特定适应突发模式的特殊处理。
两种极化的恢复 QPSK 星座图对于十分块显示，在前 100 ns 内完全收敛。由于数据模式未知，未执行到比特的解调。为了量化接收性能，在 1,024 个符号的移动窗口上测量恢复星座的 SNR 并转换为 BER。观察到即使在 -31.5 dBm 的 ROP，对应 37.5 dB 的 OPB，BER 仍然低于 FEC 阈值。
5结论因此，系统的有效预算受波长计精度限制，对于 ROP≤-29.5 dBm 表现出 3GHz 以下偏差，对应最大演示的 OPB 为 35.5 dB。
首次演示了相干 TDMA PON 上行的完整系统实验，使用快速硅基光电子波长计测量传入突发的波长，以及快速可调谐硅基光电子激光器用于 LO 生成，根据波长计指令调谐。演示的功能是未来相干 PON 上行操作的关键子系统，将复杂性从 ONU 端转移，使未来成本效益高的 ONU 成为可能。
相比传统方法，所提出的架构具有几个显著优势：
[*]消除了 ONU 中昂贵的冷却激光器
[*]移除了 ONU 中的光学快门/门
[*]支持宽波长窗口（>20 nm）
[*]快速波长测量和 LO 调谐（10-15 ns 内）
[*]高光功率预算（35.5 dB）
这种突破性技术为下一代具有改进成本效益和性能的高速无源光网络提供了支持。
参考文献 R. Borkowski, B. Stern, K. Vijayan, Q. Hu, K. Kim, B. Farah, E. Sutter, V. Houtsma, D. van Veen, and N. K. Fontaine, "Burst-Mode Coherent PON Upstream with Rapid Wavelength Measurement and Fast Local Oscillator Tuning Over 20 nm," in Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2025, Paper Th4C.5, 2025.END
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