被動式光網路(Passive Optical Network, PON)的發展，即將從EPON(Ethernet Passive Optical Network)及GPON(Gigabit-capable Passive Optical Network)進入更高速的10G PON階段。本文敘述10G-EPON/XG-PON的演進過程，探討10G PON標準的主要設計內容，並分析10G PON元件設計的關鍵技術。
EPON先發 GPON後來居上
PON已成為光纖到家網路主要技術，EPON及GPON普遍為全球各電信營運商採用，亞太地區如日本NTT、韓國KT和中國大陸中國電信(CT)、中國聯通(UT)等，由於時間及成本考量，先採用技術成熟較早的EPON進行光纖到家建設，其中日本更大量建設EPON網路，以光纖到家網路做為主要有線寬頻接取網路，NTT現階段用戶數已超越一千八百萬；台灣中華電信則於2007年開始引進EPON設備。
GPON技術為國際電信聯盟電信標準化部門(ITU-T)推動的PON標準，隨著GPON規格完善及設備漸趨成熟，歐美地區電信營運商紛紛選擇採用GPON技術，如美國威瑞森(Verizon)及歐洲之法國電信(FT)、英國電信(BT)、德國電信(DT)、義大利電信(TI)等主要業者，而大陸地區除了中國移動外，中國電信、中國聯通也同時建設GPON網路。
GPON的發展時間雖然較晚，但由於具備更高速率、標準性等因素，後續成長性超越EPON。據市場研究機構Ovum調查指出，2012年GPON光纖線路終端(OLT)的出貨量首度超越EPON，未來幾年市場也預估GPON將優於EPON，儼然成為光纖到家網路建設主流。
10G PON發展興起
隨著EPON和GPON技術成熟，全球各電信營運商陸續建設光纖到家網路，預估未來幾年EPON/GPON的建設速度將會來到高峰後逐漸趨緩。同時，因應新服務及頻寬需求增加，下一代的10G PON網路技術與市場將隨之興起。
10G EPON及GPON的標準已分別由電機電子工程協會(IEEE)與ITU-T制定完成，IEEE組織已於2009年完成IEEE 802.3av 10G-EPON標準的制定；在ITU-T方面則與全存取服務網路(Full Service Access Network, FSAN)組織負責GPON後續之NG-PON(Next Generation PON)標準制訂，自2010到2012年ITU-T陸續公布G.987系列XG-PON(10-Gigabit-capable Passive Optical Network)標準文件。
在實際網路布建上，10G-EPON這幾年的建設量已逐漸增加，如中國電信2013年的採購已開始包含10G-EPON，未來幾年10G-EPON網路將持續增長；而XG-PON的建設因技術發展較慢且受ITU-T目前制定NG-PON2標準影響，目前營運商仍於試用、測試階段。
IEEE 10G-EPON承襲802.3ah標準
10G-EPON的標準為IEEE 802.3av，它繼承EPON IEEE 802.3ah標準，主要的改變為提升傳輸速率，10G-EPON的下行速率是10Gbit/s，而上行的速率有1Gbit/s和10Gbit/s兩種選擇。在PCS層(Physical Coding Sublayer)，10Gbit/s速率以點對點10G乙太網路標準做為基礎，採用64B/66B編碼，對於上行1Gbit/s則採用如同EPON的8B/10B編碼方式。10G-EPON的向前錯誤校正(Forward Error Correction, FEC)編碼為強制要求功能，採用的RS(Reed-Solomon)編碼參數與EPON不同，更正錯誤能力增加到16個位元組。10G-EPON基本上沿用EPON系統的多點控制協定(Multi-Point Control Protocol, MPCP)協定，加快了10G-EPON設備成熟與進入市場的速度。
基於延續EPON市場的考量，10G-EPON在光分布網路(Optical Distribution Network, ODN)共用的需求前提下平滑演進，並在EPON與10G-EPON共構時，使用分波多工(WDM)技術對不同光波長的EPON與10G-EPON光訊號進行多工與濾波。
ITU-T XG-PON以非對稱系統為主
在ITU-T方面，依據ITU-T SG15/Q2所規畫NG-PON包括兩個階段：一個是擴展GPON標準、兼容現有ODN的NG-PON1階段；一個是可以不受現有GPON標準與網路限制的NG-PON2階段。XG-PON屬於NG-PON1階段，非對稱系統(上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s)稱為XG-PON1；對稱系統(上行10Gbit/s，下行10Gbit/s)稱為XG-PON2，但考量實際應用需求，XG-PON2的標準制定無疾而終，後續完成標準制定的為非對稱系統的XG-PON。目前G.987系列已於2010年10月完成為XG-PON標準。
此外，ITU-T以GPON ONT管理控制介面(OMCI)為基礎進行擴展，形成新的OMCI標準G.988，做為ITU-T的光接取網路終端管理基礎標準。XG-PON基本上是G-PON的改良與性能提升，具備更高的速率、支援更大的分歧比及漸進的網路演進，以服務更多用戶，提高用戶更高的頻寬。
XG-PON的一般需求與實體層需求規範於G.987.1與G.987.2中，XG-PON的速率為上行2.5Gbit/s、下行10Gbit/s，線路編碼為NRZ(Non Return to Zero)碼，OLT與光纖網路單元(ONU)設備間的多工傳輸技術與GPON同為上行分時多工存取(Time Division Multiple Access, TDMA)下行TDM，XG-PON支援的光分歧比至少為1:64，較GPON支援更多ONU。XG-PON的傳輸匯集(Transmission Convergence, TC)層標準則規範於G.987.3，其XGTC(XG-PON Transmission Convergence)層架構大致沿用GPON，但因XG-PON的速率提升與用服務戶數增加，XGTC層的規格做了一些調整，以利於XG-PON的實現與處理。如ONU-ID、Port-ID、Alloc-ID等的位元寬度增加，新增PON-ID；FEC、Scrambling等的編碼長度增長；PLOAM(Physical Layer OAM)訊息的長度也增加。另外，頻寬分配改以字組(Word)為單位；而XGEM(XG-PON Encapsulation Method)訊框結構也增加加密相關欄位。
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| 圖1 GPON與XG-PON共存示意 |
基於GPON到XG-PON的演進與共存，GPON和XG-PON可以透過分波多工元件共存於ODN網路，圖1描述G.987中GPON和XG-PON的共存網路示意圖。對於XG-PON以及10G-EPON，設計上必須考量新舊系統的演進與共存，光元件的設計特別重要，為達到10Gbit/s速率，避免啁啾(Chirp)現象產生，雷射光源的選用，OLT的收訊號方面採取突發模式(Burst)，以及如何在70℃的環境下能達到光輸出訊號穩定平衡，這些因素影響OLT光收發模組特性。
10G PON的波長配置
圖2為10G PON的波長配置圖。10G-EPON的上行中心波長配置在1,270奈米(nm)與1,310奈米，考慮與既有EPON互通，上行1Gbit/s中心波長配置於1,310奈米，10Gbit/s中心波長配置於1,270奈米，下行中心波長則配置在1,577奈米。XG-PON的上行中心波長配置於1,270奈米，下行中心波長則配置在1,577奈米，與10G-EPON的10G/10G系統相同。
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| 圖2 10G PON的波長配置 |
10G PON系統元件發展如火如荼
PON設備的主要元件為光收發模組與PON MAC晶片等。光收發模組為PON網路的光元件，它由雷射、驅動器、放大器、時脈資料恢復迴路(Clock Data Recovery, CDR)、串列器/解串列器(Serializer/Deserializer, SerDes)等組成。
目前10G PON光收發模組技術已進行開發，廠商如Ligent、Source Photonics、WTD等，國內亦有多家光收發模組廠商，如創威、前鼎、宜虹等進行開發。PON MAC晶片為PON訊號資料的處理晶片，10G-EPON的PON MAC已有特殊應用積體電路(ASIC)晶片供應，功能與效能已能滿足需求；XG-PON進展較慢。PON MAC晶片仍多為現場可編程閘陣列(FPGA)組成，主要晶片廠商如博通(Broadcom)、PMC Sierra等，國內亦有廠商投入PON MAC晶片組研發，如京潤科技等。
OLT光收發模組設計挑戰大
在XG-PON中，G.987規定了四種光功率預算的規格，以滿足不同ODN等級的應用需求，這四種規格如表1所示，其中最大損耗為35dB的等級，由此可知XG-PON對於光收發訊模組的要求嚴苛，因此其光收發訊模組將扮演舉足輕重的地位。
目前市售的XG-PON OLT光收發訊模組大都屬於N2等級，N2等級分為N2a及N2b，其輸出功率分別為+4～+8dBm及+10.5～+12.5dBm。OLT光收發模組所使用的波長範圍為1,575～1,580奈米，在此範圍的雷射光源要傳輸20公里(km)，為避免啁啾現象產生，一般採用外部調變(External Modulation)方式進行，稱為外調雷射(External Modulation Laser, EML)。為了解決此棘手問題，近年來將配合半導體雷射光源使用之半導體外部調變器技術不斷提升，與雷射共用基板一體成型的外調雷射，其性能與品質已達成熟階段，其最大優勢就是體積小，易封裝。
一般光通訊雷射調變模式以直接調變方式為主，稱為直調雷射(Direct Modulation Laser, DML)，其調變方式結構簡單，主要經由改變注入雷射電流來調變雷射，對於以直接調變方式調變1,550奈米波段光通訊雷射之1.25Gbit/s及2.5Gbit/s光收發訊模組而言，因頻率較低，啁啾現象影響並不明顯，但隨著調變速率的提高啁啾現象愈加嚴重，尤其是10Gbit/s高頻調變，啁啾現象加劇，導致在長距離光纖傳輸時引發嚴重的色散(Dispersion)問題，進而造成傳輸訊號失真(Distortion)，影響傳輸品質。
外部調變雷射是指將雷射光注入外部調變器中，調變訊號控制外部調變器，利用調變器的電光或相位差等效應，使其輸出光的強度等參數隨訊號調變而變化。由於雷射只工作在靜態直流狀態下，因此可降低啁啾現象，提高訊號傳輸性能。目前在10Gbit/s光通訊傳輸系統中長距離傳輸所使用之外部光調變器，主要有利用電光效應之半導體電吸收型調變器(EAM)及利用相位差效應之半導體馬赫-曾德爾調變器(MZM)。
有關電吸收型外調雷射EAM，它的運作原理為弗朗茲-凱爾迪什(Franz-Keldysh)效應，用電壓進行調變光的強度，以反向偏壓施加電場使EAM之能階變形，以吸收入射光的方式，達到光調變效果，主要是將雷射二極體(LD)與EAM做在同一基板上，具有調變速率高、驅動電壓低、體積小、結構可與半導體雷射結構整合，降低封裝成本等優勢，成為當前廣泛應用的一種外部光調變器。
Mach-Zehnder Modulator利用相位差之變化來達到調變的效果，其方式為將一輸入光源分為兩個路徑，在輸出端重新將被分離的光訊號整合，藉由外加偏壓來進行相位調變。此調變模式可調至Chirp Parameter趨近於零，故最適合用在高速長距離光纖傳輸，但因價格較高，較少廠商願意使用。
在10Gbit/s光收發訊模組中，除了雷射二極體頻寬、啁啾以及色散外，另一個重要之影響因素就是高溫，早期由於雷射二極體及IC未成熟，導致嚴重熱效應，不僅劣化雷射二極體品質更增大PD(PIN Detector)雜訊，降低光收訊的動態範圍(Dynamic Range)，縮短傳輸距離。目前XG-PON OLT光收發訊模組有部分為XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)的型式，XFP除了DFB-LD的驅動電流，須再加入外部調變及溫控系統，而DFB-LD所須提供之偏壓電流又為DML的三倍以上，整個XFP在單位時間內所累積的熱在室溫時已很難釋放，如何在70℃的環境下達到光輸出訊號穩定平衡，著實考驗著廠商的技術。
一般光收發訊模組中接收訊號方面，由具有轉阻式放大器(TransImpedance Amplifier, TIA)的光接收器與限幅放大器所組成；具有轉阻式放大器的光接收器將所接收到的光訊號轉成電壓的訊號，提供給限幅放大器，經限幅放大器放大後輸出串列的資料；為提高動態頻率響應，設計上會使用平均值檢波的自動增益控制(Auto Gain Control, AGC)；但在GPON接收訊號方面，因採取突發模式，光接收模組要對不同ONU的回應時間均小於256奈秒(ns)，須使用回應時間小的自動增益控制方式，如峰值檢波自動增益控制等處理電路，因此也考驗著廠商的技術。
建立關鍵技術刻不容緩
10G-EPON與XG-PON為10G PON的國際標準，未來幾年可能快速發展。對於網路營運商、設備製造商與元件開發商而言，必須及早了解10G PON網路的設計需求，建立10G PON的關鍵性技術，以滿足10G PON發展需求，掌握廣大商機。
(本文作者任職於中華電信研究院)