25G-100G PON光模块技术分析

      近期，25G PON和100G PON成为技术研究热点。IEEE 802.3工作组于2015年11月成立了IEEE 802.3ca 100G-EPON工作组，该标准计划支持25G/50G/100G多种MAC速率，其中单波长传输速率要达到25Gbps，4个波长波分复用实现100Gbps传输。在单波长25G实现方式中，当前讨论较多的是基于NRZ编码、双二进制编码和PAM-4编码。在这些编码方式中，25G/100G光模块成本与技术的实现难易程度成为技术路线选择的一个重要参考点；光收发模块在25G/100G PON系统中的成本占比较大，而接入网又对成本相当敏感，基于成本的考虑成为技术路线选择的关键环节。本文简要分析25G/100G PON光模块技术。

基于NRZ编码的单波长25G PON OLT光模块
    

　　基于NRZ码型的单波长25G OLT（光线路终端）光模块功能框图如图1所示。
　　

　　下行方向采用静态波长EML（电吸收调制激光器），25G NRZ Driver对电吸收调制器进行信号调制，同时考虑功率预算，可选择增加光放大器。完成光电转换后的NRZ光信号进入光纤。
　　

　　上行接收端主要包括突发光放大器、APD（雪崩光电二极管）、突发跨导放大器TIA、限幅放大器。接收光放大器可采用突发模式放大，快速调整放大增益；采用大于17GHz带宽的APD型探测器与突发跨导放大器，可支持25G NRZ编码以及足够的动态范围。
　　

　　光模块采用NRZ方案，主要的优点是调制方式简单、工艺可控、产业链较成熟、有良好的指标性能；主要难点在于需要大带宽的激光器和探测器，才能支撑25Gbps的高速率，光器件的带宽增加，芯片技术难度加大，成本增高。

基于NRZ编码的单波长25G PON ONU光模块
    

　　采用NRZ码型的25Gbps ONU（光网络单元）光模块框图如图2所示。
   

　　下行方向，光模块采用25G APD、25G跨阻放大器TIA以及25G限幅放大器LA，实现将接收侧25G光信号的光电转换、增益控制放大输出25G NRZ电信号至MAC。
在上行方向，光模块实现将25G NRZ电信号转换为光信号发送到ODN（光配线网络）中，上行方向支持突发控制功能。
   

　　ONU侧光模块对成本和技术实现难度非常敏感，此方案最大限度利用产业中的成熟技术，降低模块技术难度，避免高阶调制带来的额外性能损失。

基于双二进制编码的单波长25G OLT光模块
    

　　采用双二进制的25G OLT光模块，下行发射机需要对25G的NRZ码型做预编码处理，再分解为双二进制所需的三阶脉冲幅度，驱动马赫曾德（MZ）发射机。光模块可以采用较低速率的10G MZ调制，采用低成本激光器做光源，目前MZ调制器相对NRZ调制器成本要高。另外MZ调制器由于零调制状态下光强消光比不理想，也导致系统指标劣化。光模块功能框图如图3所示。
   

　　上行方向，OLT侧接收采用16GHz APD，外加均衡信号处理，解码后恢复出25G NRZ信号。
从光信号带宽来看，25G双二进制OLT光模块可以实现低带宽传输高速率的应用，且MZ调制模式有很好的抗色散能力，接收侧的实现方案也比较简洁。

基于双二进制编码的单波长25G ONU光模块
    

　　基于双二进制编码的25G ONU光模块，同样下行发射机对25G NRZ码型做预编码处理后，分解为双二进制所需的三阶脉冲幅度，驱动MZ发射机。目前MZ调制器体积都较大，成本也比NRZ调制器高。光模块功能框图如图4所示。

　　上行方向，接收与NRZ方案类似，采用16GHz APD，加均衡解码后恢复出25G NRZ信号，简洁易实现。
双二进制ONU光模块采用高成本、大体积的MZM调制器，是此方案在接入网系统规模应用的重要制约因素。

基于PAM-4编码的单波长25G OLT光模块

    基于PAM-4码型单波长25G OLT光模块功能框图如图5所示。
   

　　下行方向采用DAC输出，并bias-T射频驱动电吸收调制器实现多阶幅度调制，考虑功率预算不足，光模块增加光放大器增加输出功率。
   

　　上行方向，同样采用突发放大、10G APD探测器、前置放大器采用线性跨导放大器（TIA）。还需要研究快速增益控制，以提高系统接收的动态范围。
   

　　对于PAM-4调制的突发接收机而言，在跨导放大器之后，数模转换器（ADC）进行数据恢复之前，增加低噪声线性放大单元（LNA），有利于PAM-4信号适应ADC的量程。
   

　　光收发模块将PAM-4接收机的ADC数据，上传至系统进行PAM-4解码以及数字处理。
   

　　基于PAM-4编码方式，虽然表面看起来用10G的光器件替代25G光器件具有一定的成本优势，但模块的整体实现难度增加，额外增加ADC、DAC的成本。且灵敏度的性能难以与NRZ编码方式相比。 

基于PAM-4编码的单波长25G ONU光模块
   

　　25G PON ONU光模块实现PAM-4编码的光信号与电信号的转换。
   

　　发送侧需要实现突发性能，增加Burst EN控制激光器电流，达到发射端光信号的突发控制。与PAM-4编码的OLT光模块技术类似，采用DAC输出，Bias-T射频驱动EML光器件，实现多幅度调制。
   

　　接收侧也需要高线性度TIA、低噪声放大器；使用高价值的ADC模拟数字转换芯片。ONU模块对成本非常敏感，采用10G光器件替代25G光器件看起来有一定的成本优势，但额外增加ADC、DAC，也增加了光模块的生产以及维护成本。
   

　　PAM-4 ONU光模块的灵敏度性能较差，与同类应用场景的NRZ ONU模块相比较，还需要额外增加功率补充功能，或降低应用场景的要求。

100G PON光模块

　　100Gbps OLT光模块技术实现，无论基于NRZ码型调制还是PAM-4码型调制，都是在25Gbps单波长技术路线基础上进行4通道波分复用处理，如图6所示。
　　

　　每通道25G单元电路光路功能仍可继续沿用原调制方案

单波长25G PON光模块技术性能对比如表1所示。
　　

　　在2014年OVUM发布的100G光器件产业链分析中，认为随着100G市场的成熟，光器件产业链也会成为一个成熟的产业链。
　　

　　目前Avago、MACOM、Oclaro、Renesas等公司均有成熟应用的25G NRZ激光器，Finisar、海信、光迅等国内外光模块厂商有规模量产的100G产品。光器件、光模块产业链成熟。

结论
    采用产业链成熟的技术可有效降低技术引入风险以及部署难度。共享100G光器件产业链规模化生产所带来的成本优势和成本红利，对于成本敏感的接入网部署来说，是个不错的选择。
   

　　基于NRZ编码技术的光模块，技术难度低，性能优良，且可共享产业链技术与成本。
   

　　基于复杂调制格式的光模块，如PAM-4技术，一定程度上可以较低带宽的10G光器件达到25G速率传输，可降低一部分光器件成本。复杂调制格式，需要额外引入ADC、DAC电芯片，也间接增加了光模块物料成本，以及生产维护成本。
   

　　采用复杂调制格式，很难重用现有100G产业链，新技术产业培育也需要付出时间和成本的代价。