随着4K/8K电视、线上游戏、云计算等应用的不断涌现,固网用户带宽需求迅猛增长。光纤以其大容量、低损耗以及低成本的优势逐渐取代基于铜缆的xDSL系统,成为接入网的主流传输媒介。与此同时,5G移动前传、工业物联等多种新兴高速数据业务也都需要光纤传输系统来承载。因此,未来光接入网将向大容量、支持多元业务以及万物互联的方向发展。随着光接入网容量的快速增长和覆盖业务的扩张,建设部署成本也会迅速增长。因此,如何以低成本的方式提升接入网的带宽是研究未来光接入网需要考虑的重要问题。直接调制直接检测传输方案是接入网系统中的优选方案,因为它结构简单,成本低,但在新一代光接入网需求下该方案面临着诸多挑战。首先,为满足接入容量的需求,传输速率大幅增长,这无疑造成传输性能的下降,迫使系统增加额外成本开销来进行损伤抑制,而过度的额外开销将有悖于直调直检系统的低成本初衷,因此,有必要研究低成本高性能的方案来解决直调直检传输的性能下降问题。其次,用户网络单元(ONU)数量多,对成本尤为敏感,而传输速率增长迫使用户侧采取数字信号处理或高带宽直调直检器件,从而带来成本上升,因此,简化ONU前端设计非常重要。第三,接入网的树形结构以及多业务接入趋势使得中心局端需要更多端口的光线路终端(OLT)设备,如果光接入系统能够支持中心局端光模块等硬件资源的灵活调度,就能极大提高硬件资源利用率,减低部署成本开销。基于以上,本论文围绕高速直调直检光接入网系统的若干关键技术展开研究,具体完成的工作如下:1.直调直检光接入网中的无辅助光域啁啾管理技术直接调制激光器(DML)的啁啾和光纤色散会产生相互作用,造成信号损伤。因此光接入网系统需要采用必要的啁啾色散管理。本论文提出了两种不需要额外器件辅助的啁啾色散管理方案:(1)提出了基于优化偏置电流的多种距离传输方案。本文对直调传输产生的信号频率衰落和偏置电流的关系进行了详细分析,首次理论分析了绝热啁啾对频率衰落会产生过补偿或欠补偿的现象,据此,提出通过调节偏置电流使得两种频率衰落相对平衡,提升光接入网传输性能。通过优化偏置电流,实现了0~100km下10Gb/s NRZ信号的无误码传输和小于2.2dB的功率预算损失;相对固定偏置电流情况,该方案获得了大于10dB的功率预算提升。本文还对MAC协议设计给出了范例,使得优化偏置电流的操作可以在用户注册测距过程中配置完成。(2)提出了重用波分系统中固有的解复用器来对啁啾信号滤波实现啁啾管理。通过演示实验验证了其合理性,并且本文研究了该方案的鲁棒性和对不同系统的兼容性。研究结果显示,该方案能容忍光信号-7.5GHz到7GHz的频率偏差。滤波对邻带信号产生的串话远低于系统设计要求,此方案可以兼容常见信道间隔的解复用器,包括50GHz、100GHz和200GHz。这些结果都为工程应用提供了重要参考。2.直调直检光接入网中的低复杂度电域信号均衡技术高速数模模数转换芯片(ADC/DAC)的成熟使得高速数字信号处理(DSP)可以在传输系统中应用。在过去十年间,DSP已经在长距离相干系统中取得巨大成功。近些年来,DSP技术也逐渐成为光接入系统的研究热点。本论文着重探讨针对DML传输损伤的DSP技术,然后提出低复杂度的均衡算法来抑制信号损伤。主要包括:(1)针对直调信号的损伤特点提出了新的滤波器结构。直调传输由于绝热啁啾效应,高阶PAM信号不同电平有不同的光频率,经过光纤传输后到达接收机时间不同,因此对相邻符号有不同的码间串扰。据此,本文提出对不同电平信号用不同系数的均衡滤波器补偿,本文称之为基于强度分类的均衡技术。(2)实现了56Gb/s PAM4信号的传输记录。结果显示,在HD-FEC的误码要求下可以实现43km距离的传输,这比当前的最高纪录提升了115%。同时远超MZM和EML等发射机的传输距离(<30km,且采用了复杂、多状态的MLSE算法)。(3)利用所提均衡器进行了长距离光接入的探索实验。实验演示了40Gb/s直调PAM4信号63km的传输,该距离符合长距离PON规定的传输距离标准。此结果甚至优于外调制、多载波OFDM调制的接入方案。3.用户端ONU无DSP的高速光接入DSP技术虽然能对信号进行有效补偿,但需要有高速数模模数转换芯片和相应的处理芯片,这会增加相应设备的成本和功耗。例如50Gb/s的PAM4信号需要25-50G采样率的高速模数数模转换芯片以及乘法电路。因此,本文针对基于低速10G器件的高速接入系统,提出在ONU侧回避使用DSP技术的方案。开展的主要工作包括:(1)提出了O波段接入网的ONU用户侧无DSP处理的方案,所有DSP均在中心局端完成。对于下行传输,中心局端对信号进行了奈奎斯特脉冲整形和基于有限冲击响应(FIR)的预处理。对于上行传输,中心局端对信号进行传统的均衡处理。(2)基于端到端只有8.5GHz带宽的直调直检系统,进行了50Gb/s PAM4 PON系统演示实验,获得了高达29dB的功率预算,该功率预算满足光接入网标准定义的PR-30预算要求。(3)本文还对系统参数进行了研究,包括DAC采样率(脉冲整形滚降系数)、ADC采样率、FIR抽头数量以及ONU接收机差异性的研究,实验表明,上下行FIR滤波器抽头长度为31和55、下行DAC的采样率33.75GS/s、上行ADC采样率为32GS/s既可以满足系统要求,在保证小于1dB的灵敏度损伤情况下,滤波器可以容忍高达-2.2dB/GHz~1.8dB/GHz的滚降。这些都为该技术的实用化提供了参考。(4)针对另外两种低复杂度码型,二进制非归零码和双二进制码,本文就所提方案的有效性进行了研究。实验结果显示,对于上述直调直检系统,双二进制码型更适用于单波长40Gb/s的传输配置,而二进制码更适合于单波长25Gb/s的传输配置。4.局端基于光交换的光电硬件资源共享复用光接入系统固有的点到多点的树形结构使得局端硬件资源天然集中化放置,为统一灵活调度提供了便利。因此可以利用这个特点对收发光模块、信号处理、MAC层处理等的硬件资源进行共享复用,以期提高硬件资源的利用效率。本文提出了一种支持中心局端对硬件资源灵活调度的光交换方案。所设计的光交换方案基于一种新型分割式非对称AWGR结构和快速可调谐DBR直调激光器。主要工作包括:(1)设计了×(>)的分割式非对称AWGR,其特点是完全由低成本无源器件组成,包括AWGR和光合波器。所设计的结构具有分割式循环路由特性,能带来以下好处:(i)所设计的结构支持严格无冲突收发机分配;(ii)降低了收发信机对调谐范围的要求;(iii)减少了收发信机调谐范围的种类(从到/),相应地降低部署的复杂度和运维开销。(2)研制了全封装的快速可调谐直接调制发射机。激光器采用了基于分布式布拉格反射器的直调激光器。设计出的发射机具有小于50ns的调谐速度、大于10nm的波长调谐范围和大于10GHz的直接调制带宽。利用本文自主研制的发射机,本文进行了演示实验,配合AWGR验证了所设计方案的交换功能,适合中心局端对硬件资源灵活调度。