随着4K/8K高清视频、云计算和虚拟现实（Virtual Reality）等新兴业务的不断涌现，用户对接入网的带宽需求不断提升。基于大容量、低损耗、低成本的光纤接入逐渐取代了传统基于铜缆的低速接入。其中基于点到多点架构的无源光接入网（Passive Optical Network, PON）因其低成本和便于维护等优点成为了光接入网主要选择。多年来，PON标准经过数次迭代，速率从最低1.25 Gb/s升级至10 Gb/s。然而随着5G时代的来临，PON需要同时承载固定宽带业务和高速移动前传业务（Mobile x-Haul），因此网络带宽亟需升级。国际标准组织IEEE于2015年开始制定NG-EPON标准，希望先将单波速率从10 Gb/s提升至25 Gb/s，然后再通过波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）技术进一步将速率提升至50 Gb/s和100 Gb/s。ITU-T也于2018年开始了单波长50 Gb/s PON的标准讨论。此外，学术界也在围绕单波长100 Gb/s PON展开讨论。为实现速率升级，需要解决物理链路中存在的诸多挑战，包括器件带宽限制、光纤色散和系统非线性损伤等。同时，由于接入网是最靠近用户的一层网络，因此对成本极其敏感。在速率升级过程中，如何使系统方案既满足性能指标的又能保证较低成本是研究的难点所在。本文围绕下一代光接入网的高速化、低成本化过程中涉及的关键问题展开研究，主要学术贡献及创新点如下：

一、  基于色散支持均衡技术的光域均衡

     ITU-T标准希望将单波速率从10 Gb/s直接升级至50 Gb/s，在继续使用10G器件的前提下，高阶码型结合DSP成为了唯一的解决方案。如何降低DSP的复杂度是需要解决的关键问题。本文提出了光电混合均衡的概念，利用两种光均衡方案来分别降低接收端所需DSP的复杂度。方案一采用外部注入锁定技术来增大DML内部的光子浓度，在提升DML带宽的同时也抑制了啁啾，从而在C波段用10G DML实现了50 Gb/s离散多频信号的20 km光纤传输。方案二则是先在发送端用DSE提升带宽，然后在接收端再使用简单的FFE算法来进一步提升信号质量，从而在O波段成功实现了基于10G DML和10G APD的50Gb/s PAM-4信号传输，功率预算可达到26 dB。

三、  基于神经网络预均衡的非线性码型效应消除

当接入网的单波长速率来到50 Gb/s和100 Gb/s时，对高灵敏的接收机的器件带宽提出了更高的要求。商用的APD带宽较低，PIN型光电探测器（Photodiode, PD）结合前置半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）成为最佳的选择。然而SOA在输入功率较大时会产生非线性码型效应。对于点到多点的PON系统来说，直接影响了系统的接收动态范围。本文理论分析了SOA码型效应产生的机理以及它对高速PAM-4信号的影响，提出用神经网络（Neural Network, NN）的非线性均衡作用来消除码型效应。为了降低NN计算复杂度引入的较高成本，将其部署在光线路终端（Optical Line Terminal, OLT）中作为了前置均衡器，使其成本可被所有光网络单元（Optical Network Unit, ONU）用户均摊，增大了实际商用的可行性。

四、  基于收发端联合信号处理的电域均衡

  随着25 Gb/s和50 Gb/s PON标准的日益成熟，针对单波长100 Gb/s PON的研究逐渐展开。使用复杂的电域DSP均衡来补偿系统中的线性和非线性损伤成为了最主要的解决方案。本文提出两种收发端联合均衡的算法，避免DSP在成本极度敏感的用户端过度集中。算法一是首先在OLT端采用非线性Tomlinson-Harashima预编码，然后在ONU端使用二阶Volterra滤波器进一步均衡，基于该算法实现了基于20G DML和PD的100 Gb/s PAM-4传输，系统功率预算可以达到34 dB。算法二则是在发送端通过NN引入可控的符号间串扰，将系统响应转变为部分响应信道，降低了系统对器件带宽的要求，然后接收端再利用最大似然估计来进行恢复。基于该方案，系统功率预算可以达到32 dB。

本文提出的光域均衡、光电混合均衡、发送端预均衡以及收发端联合均衡等一系列技术方案，实现了利用低成本的低速器件来传输高速信号，解决了100G-PON速率升级过程中面临的复杂度和成本问题。在保证系统整体性能的同时，尽可能降低了所需的处理难度，为高速光接入网的发展提供了新的可能，必将在接入网标准化以及未来实际商用系统中发挥不可替代的作用。