1996
下一代PON技术，即50G-PON技术，是实现万兆光网的关键技术，其发展现状和应用前景备受关注。相比10G-PON，50G-PON的带宽增长近5倍，参考历史经验，这符合每代际PON容量增加4~5倍的发展规律，这样的容量增长也能够满足创新业务对网络带宽发展的需求。50G-PON将成为赋能企业办公、园区生产制造、智慧家庭、数字城市等领域的光接入网技术。根据PON技术发展历史，相邻代际的光接入技术部署时间间隔为7～8年，在产业和政策的助推下，50G-PON技术日趋成熟、主体标准日益完善，预计将在2025年前后实现商用。
01、50G-PON几个关键技术问题取得进展
功率预算
50G-PON需要利用现有PON网络的ODN，实现N1（29dB）、C+(32dB）等级的功率预算，支持至少20km的光纤传输距离。50G-PON线路速率相比10G-PON提升5倍，而随着传输速率的提高，链路色散代价也增大，50G-PON色散容限只有10G-PON的1/25。此外，有研究表明，线路速率提高，光发射机的发射功率随之增大，会产生非线性效应，因此对系统设计提出新的挑战。
为了满足50G-PON系统的功率预算，需要在发送端增强光信号发送功率，同时在接收端提高器件接收灵敏度，多种技术结合方可实现链路功率预算。在系统发射端，根据ITU-T标准，为满足C+（32dB）等级的功率预算，克服色散对系统的影响，OLT侧发送光功率需要≥8.5dBm。
OLT发射端可以增加半导体光放大器（SOA）结构的电吸收调制激光器（EML）芯片数量，参考D（35dB）等级XGS-PON相似的OLT发射端结构，通过采用集成SOA的EML激光器，提供超过10dBm的发射功率。在ONU侧，其上行波长在光纤零色散波长区（US1）或负色散区（US2）附近。其中，US3的窄波长波段选项是在ITU-T的G.9804.3 Amd1修订标准中引入的，这个波长带位于GPON和XGS-PON波段之间，允许PON系统的三代共存，如图1所示。
相比OLT侧，ONU侧能够采用更简单的光器件，如采用直接调制激光器（DML），以进一步降低终端成本。但根据ITU-T标准要求，对称速率50G-PON系统ONU侧发射功率接近7dBm，如采用低成本DML方案，ONU侧需要配置高功率DML激光器。此外，如ONU上行波长在US3的窄波长带（1286±2nm），为确保上行波长稳定并性能最优，光模块内需要增加TEC以实现模块内部温度控制较优的稳定性。在系统接收端，50G-PON采用高性能光探测器，以进一步提高接收灵敏度，实现链路功率预算指标。
目前业界倾向于在接收端采用APD探测器，并研究通过优化APD材料体系（如采用Ge/Si等）提高接本较高，尚未有成熟的产品。为进一步提高链路光功率预算，50G-PON系统收灵敏度，当前25G APD已较为成熟，但50G APD产业链仍未完善，处于样品阶段。此外，也有研究人员采用“PIN+SOA”组合的方案提高接收灵敏度，目前PIN产业链能够满足50Gbit/s带宽需求，但与SOA集成的方案工艺复杂且成的上下行FEC采用低密度奇偶校验（LDPC）码，替代之前PON系统采用的里德-所罗门（RS）码。
在下行方向，FEC对于所有ONU强制开启；在上行方向，FEC默认开启，并可由OLT控制关闭。目前，业界为提升50G-PON功率预算，在系统收发侧采用多项关键技术，包括引入SOA、采用高灵敏度APD、部署LDPC FEC等，并已在实验室对系统N1和C+等级功率预算进行了验证，取得显著进展。但仍需完善核心光电器件（如50G DML、50G APD、BM-DRV、BM-TIA等）产业链，提高光电器件产品的性能，以形成规模、降低成本。此外，50G-PON将采用高功率器件，这也将进一步提高系统功耗和对散热效率的要求，系统性能有待研究并优化。
多代共存
多代共存是运营商非常关注的50G-PON系统关键技术能力。目前，GPON系列和EPON系列光接入网已大量部署，而支持多代共存的50G-PON系统能够在网关侧设备无需改动的情况下升级局端设备，降低运营商机房空间占用率，节省现网投资。
目前支持多代共存的50G-PON，上行波长方案已收敛至1286nm±2nm，能够支持GPON系列三代共存和EPON系列两代共存。其中，GPON系列支持G/XG(S)/50GPON三代共存；EPON系列由于早期部分ONU激光器频宽较宽（1260nm—1360nm），与50G-PON上行波长冲突，因此，目前支持两代共存，三代共存方案仍在研究中。
在共存实现方式上，运营商多采用内置合波（即在50G-PON光模块内集成MPM合分波组件）的方式。多代共存时，50G-PON上行波长（1284nm—1288nm）与GPON上行波长（1290nm—1330nm）仅间隔2nm区间，需要实现30dB高隔离度，对内置的合分波器件要求极高，对光模块封装方式也有很高要求，需要模块厂商优化光模块的结构设计，提升工艺水平。
在业界持续攻关下，目前已有器件厂商研制出高隔离度的合分波器件产品，并在系统方面也取得进展，业界已相继完成50G-PON系统三代共存能力验证和三代共存速率验证，取得预期成效。但在共存方面仍有难关需业界攻克，如多代共存使用的高性能合分波器件、模块选择性较少等，供应链也有待完善；同时，支持三代共存的50G-PON光模块需要内置“3发3收”六向合波的MPM器件，而多模光模块如何实现小型化，以进一步提高系统密度并降低功耗也是一大难点。此外，目前用于验证多模50G-PON系统的商用测试工具仍不完备，如商用支持多模50G-PON系统测试的光功率计仍然缺失，影响系统精度验证，需加快研发进度。
多速率突发接收
ITU-T标准确定了三种50G-PON系统上行速率，分别是12.5Gbit/s、25Gbit/s和50Gbit/s。这意味着PON系统需要在不同的上行速率的ONU之间动态接收，满足不同用户或应用场景的需求。
50G-PON首次引入数字信号处理器（DSP）均衡技术，动态补偿不同速率和位置的ONU在接入系统时所受到线路损伤的差异。此外，有研究表明，部署DSP能够降低系统对光器件带宽的要求，在ONU侧部署使用25G光器件和DSP，能够补偿色散对下行链路的影响以实现系统的链路预算。
ITU也在制定50G-PON标准时提出评估发射机的新指标TDEC（发射机和色散眼图闭合），用于关注背靠背及长距离传输后线路损伤导致的功率裕量损失，尤其关注采用均衡后的信号眼图闭合现象。TDEC、ER与灵敏度指标综合评估，能够使制造商更加灵活地选择系统配置。DSP的部署对实现50G-PON系统多速率突发接收起到关键作用。
参考国内50G-PON产业发展，50G-PON系统上行速率已收敛到25Gbit/s（非对称）和50Gbit/s（对称）双速率。为了提升系统性能，在OLT侧，通过引入DSP技术，实现了对多速率上行突发信号的动态均衡。在ONU侧，通过引入轻量化的DSP，降低了器件带宽的限制，并能够有效地补偿下行色散等因素对链路造成的影响，提高系统功率预算。
当前，50G-PON系统的DSP产业链借鉴了数通产业链的技术产品，但OLT侧的DSP需要支持多模突发时钟恢复和突发动态均衡等功能，目前高性能DSP产品的可获得性仍然不足，这对设备厂家的自主研发能力提出了挑战。此外，随着DSP的加入，系统的成熟度以及可能带来的成本、功耗影响也需要进一步评估。
02、主体标准制定工作基本完成，现网试点持续开展
主体标准制定工作基本完成，现网试点持续开展在国际上，ITU-T SG15的光纤接入网络光系统研究组（Q2）早在2016年便启动了后10G-PON项目研究，其研究项目ITU-T G.Sup64于2018年完成并发布，研究了后10G-PON的各种可行性路线及其关键技术。
2018年的ITU-T SG15会议经过多次讨论，最终确定将50G-PON作为下一代PON系统代际技术，并建立新的G.HSP（G.Higher Speed PON）系列标准项目，体系内主要技术标准包括G.9804.1面向网络基本需求、G.9804.2面向TC协议层、G.9804.3面向物理层。系列标准第一版（包括需求标准及修订G.9804.1Amd1、通用协议层标准G.9804.2及物理层标准G.9804.3）于2019年4月在ITU-T SG15全会上正式通过，标志着50G-PON的基础功能完成标准化。
此后，系列标准的完善工作持续开展，截至2024年4月，50G-PON系列已增补需求补充、物理层对称指标、协议层以及共存等相关标准，并陆续完成发布。至此，50G-PON的国际标准研制主体工作已基本完成。在国内，中国通信标准化协会（CCSA）的TC6工作组也早在2017年便开展了下一代PON的技术研究工作，并于2020年开始50G-PON系列标准研制。
截至2024年4月，50G-PON系列行业标准（包括总体、物理层、TC层等）已在TC6WG2完成并发布。在模块器件方面，50G单模、10G/50G双模光模块的行业标准已在TC6WG4完成报批，三模光模块[G/XG(S)/50G]标准已立项，处于征求意见稿编制阶段。此外，CCSA TC615WG全光垂直行业工作组也立项“50G-PON垂直行业应用技术研究”的课题，探索50G-PON可率先应用赋能的垂直行业领域。
国际和国内50G-PON主体标准的完成为产业链上下游全面推进50G-PON商用创造了条件。全球众多运营商也积极开展50G-PON技术验证，中国电信、中国移动、中国联通、瑞士电信、法国电信等30多家运营商相继开展50G-PON试点。在国内，三大运营商自2021年起便积极通过试点验证50G-PON的各个发展阶段，我国50G-PON现网试点情况如图2所示。
03、需求驱动、政策推动，宽带网络向万兆挺进
“十四五”规划明确提出要推广升级千兆光网。截至2023年底，我国千兆网络加速普及，千兆及以上宽带用户达1.63亿户，占总用户数的25.7%。在网络建设方面，我国已建设具备千兆网络服务能力的10G-PON端口数达到2302万个，千兆光网具备覆盖超过5亿户家庭的能力。千兆光网的快速发展带动产业链持续繁荣，并进一步推动家庭及行业应用的创新发展，沉浸式家庭应用开始涌现，智慧城市和智慧园区加速创新，用户体验要求和对网络的需求同步提升。以沉浸式“裸眼3D”为例，84视点的4K分辨率压缩数据流需要2.7Gbit/s的吞吐量，如视点分辨率提升至8K，则网络带宽将大于10Gbit/s。
应用创新、更优的用户体验需求推动宽带网络向万兆光网迈进。50G-PON作为万兆光网的关键驱动技术，可以为每个接入点提供超过10Gbit/s的超高带宽、实现微秒级的系统传输时延和抖动、支持至少为1:64的物理最大分路比，并可以重用现有的ODN基础设施，与现有PON网络共存。50G-PON的新特性使它能够用于承载FTTX各类场景服务，满足创新应用（如虚拟现实、增强现实等沉浸式应用）的网络需求和用户体验要求，还将为物联网、大数据、云计算、AI等技术的发展提供坚实的网络基础，赋能行业应用创新，引领万物的光纤互联，因而具有广阔的应用前景。
根据Omdia预测，新兴应用不断涌现将推动新一代PON网络的需求不断增长，促使50G-PON在2030年前保持高速发展，预计2024—2029年，亚洲地区50G-PON OLT端口出货量年复合增长率将达到90%，50G-PON投资占比逐年增高。我国政府也高度重视万兆光网的发展，多次提出加大以50G-PON为代表的万兆光网研发力度。
目前，已有多地政府出台具体措施助推万兆光网发展。北京于2023年9月发布《“光网之都，万兆之城”行动计划（2023—2025年）》，计划到2025年成为以万兆光网为基础的网络能力领先、创新应用领先、前沿示范领先的“全光万兆”样板城市。上海市于2024年5月启动“‘光耀申城’万兆启航行动计划（2024—2025年）”，目标是到2025年建成万兆光网基础设施体系，同时明确了50G-PON端口发展规模，并计划在新建住宅、商务楼宇以及产业园区全面部署50G-PON。50G-PON作为万兆光网的关键驱动技术，能够满足不断增长的网络应用需求。未来其应用将不仅围绕家庭超宽带业务接入，还将围绕垂直行业的不同领域赋能企业数字化转型。
此外，50G-PON的部署还将带动光通信产业模块、器件、设备、管理方式的全面升级，促进整个光通信产业链的技术革新和发展，创造新的市场机遇。目前，50G-PON的功率预算、多代共存、多速率突发接收等几项关键技术已取得显著进展，产业界正在加速完善核心光电器件产业链，深入优化系统性能，为后续的规模商用部署提供完备的技术支撑，预计50G-PON将在2025年前后迎来商用部署，光接入网将进入万兆时代。
*本文刊载于《通信世界》总第947期 2024年7月10日 第13期 原文标题：50G-PON发展现状和应用前景分析
作者：中国信息通信研究院 曹小波 刘谦责编/版式：盖贝贝
审校：王 涛 梅雅鑫
监制：刘启诚
下载ECAD模型
