下一代光接入網的核心光電芯片技術

陳雷

摘要：50 G無源光網絡（PON）已經成為下一代光接入網的主要技術。該技術的實現有多種技術途徑，采用高階調制4電平脈沖幅度調制（PAM4）技術和不歸零碼（NRZ）技術是最重要的2種實現方式。采用高階調制PAM4技術，可以降低對光芯片的帶寬要求，降低光芯片的成本，但需要額外增加具有數字信號處理功能的電芯片。采用NRZ技術，則不需要增加其他功能的電芯片，但需要使用高帶寬的激光器和探測器光芯片，這種高帶寬的光芯片開發難度大，成本高。

關鍵詞：下一代光接入網;50 G PON;PAM4;NRZ

Abstract： 50 G passive optical network （PON） has become the main technology for the next generation of optical access network， and there are many technical approaches to implement 50 G PON. High order modulation 4 pulse amplitude modulation （PAM4） and non-return to zero （NRZ） are the most important technologies of 50 G PON implementation. By using high-order modulation PAM4 technology， the bandwidth requirement and the cost of optical can be reduced， but the electric chip with digital signal processing function needs to be added. NRZ technology does not need to add electrical chips with other functions， but needs to use high-bandwidth lasers and detector optical chips， the development of which is difficult and costly.

Key words： next-generation optical access network; 50 G PON; PAM4; NRZ

1 下一代高速光接入網的發展

近年來，在“三網融合”和“光進銅退”政策的大力推動下，中國光接入網的接入用戶數量和產品覆蓋率得到了飛速發展。截至2018年，中國大部分中心城市都已經基本實現光纖到戶（FTTH）或者光纖到樓（FTTB）。據統計，中國已經成為了全球光接入用戶數量最多的國家。由于市場規模效應的驅動，近些年來中國的光接入網產業以及光接入網技術都進入了快速發展的軌道。

光接入網的技術標準是從最早的寬帶無源光網絡（BPON）開始， 2003年國際電信聯盟（ITU）制定了吉比特無源光纖網絡（GPON）標準。隨后，電氣和電子工程師協會（IEEE）于2004制定了以太網無源光網絡（EPON）標準。經過10余年的發展，到2019年光接入網先后發展形成了10 G EPON、非對稱10 G PON第1階段（XG-PON1）、40 G PON 第2階段（NG-PON2），以及對稱10 G PON（XGS-PON）4種不同類型的標準，速率分為1.25 Gbit/s、10 Gbit/s、40 Gbit/s。圖1是光接入PON的標準演進路線圖。除了這些主流的國際標準以外，根據中國市場的特殊需求，還衍生出了一些自定義的標準，例如：混合型無源光網絡（COMBO PON）標準。

2015年9月，IEEE成立NG-EPON 研究組，確定研究目標為實現25 G/50 G/100 G對稱及非對稱的下一代100 G EPON系統。2015年11月，IEEE 802全會成立正式IEEE 802.3ca 100 G-EPON 工作組并確定標準時間表。2018年ITU正式發布10 G PON之后的下一代PON技術為單波50 G PON，50 G PON正式成為了各標準組織及企業的主要研究內容。

2 下一代光接入網技術路線

實現單波50 G PON的技術路線主要分為2種：一種是在光器件帶寬受限的條件下，使用高價調制技術;第2種則是延續以前1.25 G/10 G發展的路線，采用50 G不歸零碼（NRZ）幅度調制技術。

采用高階調制技術可以降低系統對光電器件的帶寬要求，降低光芯片的成本。低帶寬的光芯片和電芯片產業鏈成熟可用，也可以快速形成產品并商用化。當前主要可選的調制技術包括雙二進制碼（DB）、4電平脈沖幅度調制（PAM4）信號、離散音頻調制（DMT）等。PAM4技術是高階調制技術的首選方案，具體如圖2所示的50 G PAM4原理框圖。采用PAM4技術存在需要突破的難點：（1）采用PAM4高階調制技術的信號接收端靈敏度比幅度調制技術的要低，無法滿足接入網的高功率預算要求;（2）高階調制技術需要使用數字信號處理技術（DSP）芯片，調制/解調制算法比NRZ復雜很多，增加了算法成本。雖然近年來，高階調制技術已經在城域、骨干網實現規模商用，針對數據中心應用的以太網技術也進行了相關技術研究和標準化，但在具有高功率預算、上行突發等特點的接入網領域的應用還處于技術研究階段。

采用50 G NRZ幅度調制技術是一種可延續的技術路線。從技術發展的角度來看，50 G NRZ幅度調制技術的整體架構非常簡單，只需要將原來的10 G速率對應轉化為50 G速率即可。具體如圖3所示的50 G NRZ的原理框圖，該方案不需要增加模數轉換器（ADC）和DSP芯片。但這種技術路線也存在技術上的難點：（1）50 G 的光芯片當前發展遇到技術瓶頸，例如當前業界還沒有企業能研發出50 G速率的雪崩光電二極管（APD）探測器芯片，因為研制的難度非常大;（2）滿足50 G速率要求的光芯片、電芯片晶圓制造工藝的良品率低，導致成本比10 G速率至少高出30%。總體上來說，滿足單波50 G NRZ傳輸的上行突發、下行突發的光/電芯片都還處于實驗室技術研究階段。

3 下一代高速光接入電芯片關鍵技術

（1）前向糾錯碼（FEC）技術。

每一代PON的發展中，都需要考慮FEC技術。考慮到10 G EPON的技術演進，下一代單波長50 G PON的FEC會優先選擇低密度奇偶校驗碼（LDPC），并要求輸出誤碼率（BER）優于10-12，輸入誤碼率BER閾值在1e-2或以上。FEC可以考慮采用軟值判決，但編碼冗余應小于18%（目標在16%以內）[1]。LDPC碼技術在業界已經比較成熟，在WiFi、電纜數據傳輸業務接口規范（DOCSIS）、數字視頻廣播（DVB）等通信中都已經被應用，因此LDPC碼的實現不存在技術障礙，具備實現的可行性。

雖然LDPC碼應用已經有可參考的經驗，但是將LDPC碼應用到接入網中，還有很多地方需要研究。例如：LDPC碼型的選擇，長度、編碼和譯碼等算法性能的優化，算法復雜度的簡化都將成為了業界研究的主要點。其中，LDPC的成本和功耗與譯碼算法非常相關，它直接決定了電芯片的尺寸、功耗等，所以突破LDPC的關鍵技術，可降低后期電芯片的成本。

（2）DSP技術。

在50 G PON的關鍵電芯片中，DSP是最重要的。突發的時鐘恢復和突發均衡則是實現DSP的最主要挑戰。目前未有任何廠家對該方向作研究性支持或產品報道。基于2倍采樣的全數字化突發時鐘恢復，目前還僅處于實驗階段，但從離線實驗和FPGA的驗證結果來看：其性能基本理想，所以方案的可行性也得到了證明;但其突發均衡還需要進一步研究，通過降低序列長度，來加快收斂值得思考。另外，采用符號間隔采樣的突發時鐘恢復方法也有待進一步的技術驗證。

在DSP芯片可獲得性方面，目前未有支持PON系統的高級調制方案的DSP芯片。迫切需要產業界和學術界加強合作與交流，持續推動電芯片技術研發。

4 下一代高速光接入光芯片關鍵技術

當單波50 G采用高階調制技術，可以直接使用25 G電吸收調制激光器（EML）/直接調制激光器（DML）激光器和25 G APD探測器。這2種光芯片當前在數據中心和以太網中已經大規模應用。

圖4是50 G PAM4 時分和波分復用（TWDM）PON在O-Band的鏈路框圖。通過模擬仿真，已經證明PAM4技術可滿足PR30鏈路預算代價需求的傳輸要求[2]。采用PAM4方案后，在發射下行，需要采用APD來接收，在接收上行則采用半導體光放大器（SOA）+光電二極管（PIN）的接收組合方式。上下行發射都只需要采用18 GHz O-Band的EML激光器，可大大降低光芯片的帶寬需求，節約光芯片成本。但是發射端需要增加SOA芯片，來增加光功率。由于高階調制技術對器件線性度要求很高，所有要求激光器也是線性PAM4的激光器[3]。

采用PAM4技術后，接收機的靈敏度會低于采用不歸零碼（NRZ）方式的接收靈敏度。該PAM4對光反射非常敏感，如果有高功率預算要求，例如32 dB功率預算，采用PAM4的光器件來實現則顯得非常困難。

當單波50 G采用NRZ幅度調制技術時，則需要使用50 G EML和50 G APD。ITU于2018年率先規定50 G PON將采用NRZ幅度調制的方式，其下行波長采用1 342 nm波長，具體結構圖5所示。

圖5中的方案必須采用50 G的EML激光器和50 G APD探測器。由于傳輸速率越高，激光器在O-Band的傳輸色散代價就越大。接入網通常需要傳輸20 km，色散代價將會嚴重影響光信號傳輸距離，這對激光器的研發將帶來巨大的挑戰。為了解決這個問題，通常還需要再進行光域或電域的色散補償。

當前50 G 探測器APD設計難度最大，主要難點在于探測器帶寬的提高，因為探測器的帶寬受限于探測器的制作工藝。當前PD探測器所用的工藝一般是鍺硅SiGe或者磷化銦INP，2種工藝在帶寬的設計上也存在差異。為了不受本身工藝帶寬的限制，可以用SOA和PIN的方案來替代高帶寬APD。PIN管的設計很容易滿足50 G 帶寬需求，但是PIN管的接收靈敏度比較低，能接收的最小光功率不滿足PON的應用要求，所以必須在PIN管接收前端加入一級光放大，光放大可以采用半導體光放大器SOA。SOA是運用電流受激輻射的原理放大光信號[4]，只要注入電流，就可以實現光信號的增強放大。SOA通常具有較寬的帶寬[5]，可以覆蓋50 G帶寬的需求。為了減小接收器件的尺寸，需要將SOA芯片和PIN 芯片進行高度集成，在同一個工藝平臺上進行耦合，但這種耦合工藝非常復雜。因為SOA波導尺寸很小，而PIN管接收面比較大，兩者進行光學對準耦合會存在比較大的耦合損耗，從而影響信號接收的靈敏度。實現低損耗的波導耦合是一個非常大的技術難點。

5 結束語

下一代光接入網絡的發展已經進入到50 G PON時代。50 G PON由于速率的提升，對于光芯片、電芯片的設計都提出了巨大的挑戰。50 G PON可以使用多種技術方案，高階調制技術可以降低光器件帶寬要求，節約器件成本。傳統的NRZ幅度調制技術可以延續上一代PON的技術思路，設計原理簡單;高階調制技術卻增加了電芯片的設計難度; NRZ幅度調制技術則增加了光芯片的設計難度。無論選用那種技術路線，50 G PON都將尋求一種低成本、可實現的方式。