1.2.2 高速接入网研究现状

（1）国外研究现状

为了满足未来用户接入网对容量的需求，国外工业界和高校在调制格式、数字信号处理和高速相干PON等方面展开了研究。

在调制格式方面，对光双二进制（Optical Duobinary,ODB）、电双二进制（Electrical Duobinary, EDB）、NRZ、PAM4、DMT和 CAP等调制格式展开了对比研究。2014年，美国贝尔实验室演示了基于 ODB、EDB 和 NRZ 格式的具有64个用户的40Gbit/s 时分复用-无源光网络（Time Division Multiplexing-Passive Optical Network,TDM-PON），在C波段传输26km SSMF,25Gbit/s雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode,APD）接收机可以实现31dB光功率预算，在此系统中， NRZ性能要优于EDB和ODB[56-57];2016年，美国贝尔实验室演示了基于10Gbit/s器件的对称25Gbit/s TDM-PON，在C波段传输20km SSMF后实现了31.5dB光功率预算，下行连续传输采用PAM4，上行突发传输采用NRZ[58-59];2017年，美国贝尔实验室演示了基于功率加载DMT的对称40Gbit/s PON，在C波段传输10km实现了23dB功率预算[60];2017年，德国ADVA光网络提出了一种新型时钟恢复算法和偏微分编解码多带CAP方案，实验演示了使用10Gbit/s级收发机实现40Gbit/(s·λ)长距离PON，传输80km和90km SSMF后分别实现了33dB和29dB的链路功率预算[61-62]。

在数字信号处理方面，2016年，ADVA光网络演示了第一个实时端到端对称40Gbit/s PAM4接入网实验，发射端DSP包括符号映射和数字预均衡，接收端DSP包括时钟恢复和FFE/判决反馈均衡器（Decision-Feedback Equalizer,DFE）；下行链路使用EDFA和APD接收机，传输10km和20km SSMF后功率预算分别为26.5dB和24.5dB；上行链路使用EDFA作为预放大器和PIN接收机，传输10km和20km的SSMF上行链路实现高达27dB和25dB的链路功率预算[63-64]。2019年，美国诺基亚贝尔实验室提出在光线路终端（Optical Line Terminal,OLT）接收机侧使用神经网络（Neural Network,NN）均衡器，避免在用户侧进行复杂处理，基于该NN均衡器实验演示了C波段50Gbit/s NRZ和92Gbit/s PAM4 TDM-PON[65]。

在相干PON传输方面，2017年美国贝尔实验室演示了一个下行50Gbit/s NRZ与上行25Gbit/s NRZ非对称TDM-PON，下行接收机为APD，上行接收机是基于3×3光纤分路器和PD的简化相干接收机，可以实现40dB光功率预算[66-67];2016年，日本三菱提出了新型的具有放大自发辐射补偿功能的自动增益管理EDFA，实验演示了实时具有简单DSP的相干100Gbit/s 波分复用无源光网络（Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network,WDM-PON），可以支持8个用户单元传输80km SSMF，实现39.1dB的功率预算[68-69];2019年，德国卡尔斯鲁厄理工学院提出了一种无色相干TDM-PON体系结构，该体系结构使用梳状激光器作为OLT中的本地振荡器，实验表明两种不同类型的梳状激光器在-25dBm接收光功率下，可以实现600GHz和1THz宽带宽上无色相干接收[70];2019年，韩国高等科学技术学院利用 RSOAs 在环回配置的相干WDM-PON中演示了上行28Gbit/s QPSK信号80km传输[71];2015年，意大利圣安娜高等学院使用非偏振相干接收机实时演示了1.25Gbit/s幅移键控（Amplitude Shift Keying,ASK）-PON，无须使用ADC和DSP，可以实现-51dBm的接收灵敏度和52dB的动态范围[72]。

（2）国内研究现状

上海交通大学、北京邮电大学、华中科技大学、复旦大学、上海大学等高校团队和中兴通讯股份有限公司、华为、中国电信集团有限公司等企业，对PON展开了研究，取得一系列优秀成果。

上海交通大学，Xue等[73-74]提出了一种支持色散的光学均衡方案用于降低FFE和Volterra算法的复杂性，使用3dB带宽6GHz的DML和APD在O波段实验演示了50Gbit/s PAM4 TDM-PON传输25km SSMF;Yi 等[75-76]提出了基于 NN 的均衡器，使用商用20Gbit/s 级光电器件演示了100Gbit/(s·λ) IMDD PON,33GBaud PAM8实现了30dB的损耗预算，结果表明基于NN的均衡器在线性情况下具有与FFE和VNLE（Volterra NLE）相同的性能，但在强烈的非线性情况下优于它们；2018年，Zhang等[77-78]在O波段中演示了基于10Gbit/s级DML和PD的50Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON，具有下行链路预补偿和上行链路后均衡功能，在光网络单元（Optical Network Unit, ONU）中没有任何DSP的情况下，实现了29dB的光功率预算。2018年，华中科技大学Li等[79]提出了一种支持1000个ONU的双向相干超密集时分/波分复用无源光网络方案，使用基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）的实时收发机实验性地演示了该方案， 10Gbit/s双偏振QPSK信号传输40km SSMF实现了30dB链路功率预算。2018年，北京邮电大学Tang等[80]提出了一种基于带循环卷积的快速频域均衡和低复杂度MLSD均衡器抵抗带宽限制和色散，在C波段无色散补偿成功演示了50Gbit/s PAM4 PON传输20km SSMF，实现高达33.2dB的功率预算。2019年，上海大学Li等[81]使用25Gbit/s级光电器件和OLT侧SOA放大器演示了50Gbit/s NRZ对称TDM-PON，下行链路和上行链路分别实现了34.97dB和33.76dB光功率预算。2017年，华为Tao等[82]分别通过实验演示了O波段基于PAM4/DMT调制的50Gbit/(s·λ) TDM-PON，通过使用 DSP 和10Gbit/s 级光电器件，在下行传输20km SSMF 接收灵敏度达到-20dBm/-18dBm;2019年，Tao等[83]基于40GHz EML和25GHz APD及简单DSP，实验研究了50Gbit/s NRZ-OOK信号的色散容限，在1342nm传输20km SSMF的情况下满足29dB功率预算。

复旦大学团队在2017年使用集中式DSP和低复杂度10Gbit/s接收机，通过实验演示了C波段50Gbit/(s·λ)和64Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON下行传输20km SSMF的情况下实现了31dB和29dB链路功率预算[84];2018年，Zhang等[85]通过使用DSP和SOA，在O波段上实验性地研究了对称的50Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON，下行采用APD接收机，上行采用SOA+PIN接收机，上下行均可以实现超过29dB 的功率预算；2018年，Zhang 等[86]演示了采用实时 FPGA 处理的26.20546GBaud PAM4信号的突发模式全数字时钟和数据恢复，使用自由运行的ADC，基于平方定时恢复算法，使用32个符号实现了时钟恢复；同年，Zhang 等[87]针对与功率相关的非均匀噪声分布的APD或SOA接收机，提出了一种增强的PAM4调制和检测方案，从而提高了50Gbit/(s·λ) PON的接收机灵敏度；2018年，Zhang等[88]首次实验演示了C波段基于对相位不敏感的简单外差相干探测单波长100Gbit/s TDM-PON，传输20km和40km SSMF分别实现了36.5dB和34dB的链路功率预算；2019年，Zhang等[89-90]使用10Gbit/s级DML和SOA前置放大器，首次实验演示了O波段100Gbit/(s·λ) PAM4 TDM-PON下行传输50km SSMF，实现了29dB的功率预算，这一成果作为OFC 2019 PDP进行了大会报告；2019年，Zhang等[91-92]使用Nyquist脉冲整形和强度调制外差相干检测，首次实验演示了C波段单波长200Gbit/s PDM-PAM4 PON，在20km SSMF光纤传输后实现了超过29dB的功率预算，这一成果作为OFC 2019 Top Score Paper进行了大会报告。

从国内外光接入网研究现状可以看到，随着中国5G商用和国内接入网市场需求的推动，国内接入网研究的部分成果已处于国际领先水平。但是也需要看到，国外高校研究所和工业界研究结合非常紧密，国内部分研究仅限于学术研究，在实用性上还有不小差距。随着新兴业务和5G商用推动，50Gbit/s PON标准正在讨论中，100Gbit/s 相干PON也是研究热点。随着传输速率的增加，器件带宽受到限制，导致多种线性和非线性损伤愈发严重，先进调制格式和高效数字信号处理技术可以提高系统传输性能。本书围绕带宽受限器件和相干技术展开高速PON研究工作。