The recent evolution of passive optical network standards and related research activities for physical layer solutions that achieve bit rates well above 10 Gbps per wavelength ( λ ) is discussed. We show that the advancement toward 50, 100, and 200  G b p s / λ will certainly require a strong introduction of advanced digital signal processing (DSP) technologies for linear, and maybe nonlinear, equalization and for forward error correction. We start by reviewing in detail the current standardization activities in the International Telecommunication Union and the Institute of Electrical and Electronics Engineers, and then we present a comparison of the DSP approaches for traditional direct detection solutions and for future coherent detection approaches.

The future-generation passive optical network (PON) physical layer, targeting 100 Gbps/wavelength, will have to deal with severe optoelectronics bandwidth and chromatic dispersion limitations. In this paper, largely extending our Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2020 invited paper, we review 100 Gbps/wavelength PON downstream alternatives over standard single-mode fiber in the O- and C-bands, analyzing three modulation formats (PAM-4, partial-response PAM-4, and PAM-8), two types of direct-detection receivers (APD- and SOA + PIN-based), and three digital reception strategies (unequalized, feed-forward equalized, and decision-feedback equalized). We evaluate by means of simulations the performance of these alternatives under different optoelectronics bandwidth and dispersion scenarios, identifying O-band feasible solutions able to reach 20 km of fiber and an optical path loss of at least 29 dB over a wide wavelength range of operation. Finally, we compare two digitally precompensated modulation schemes that are highly tolerant of chromatic dispersion, showing a possible extension to C-band operation, preserving direct-detection and linear-impairment equalization at the optical network unit side.

Passive optical network (PON) based on coherent detection has attracted a great deal of attention in recent years as a future solution for 100+ Gbps per wavelength. Particularly for 200G-PON, one of the most attractive options would be to switch to QAM transmission and coherent detection, due to its well know advantages compared to the Direct-Detection approaches used so far in PON. However, coherent technology, extensively used in core networks, has costs that are still perceived as too high for the access ecosystem. In order to perform cost reduction, some groups have studied the option of coherent polarization-independent (PI) detection, since it halves the number of optoelectronic components in the receiver front end. In this paper, we thus present a detailed simulative and experimental investigation of polarization-independent receivers to achieve 200 Gbps transmission in C band using the Alamouti polarization time block coding (PTBC). Our goal is to show what would be the system requirements in terms of optoelectronic bandwidths, laser phase noise and ultimate power budget limitations. We study two different modulation formats: quadrature phase-shift keying (QPSK) and 16 quadrature amplitude modulation (16QAM). We also compare heterodyne and homodyne/intradyne solutions through simulations. As a summarizing result, we experimentally show that 200G PON based on 50 Gbaud-16QAM single-polarization Alamouti coded signals would be possible with today state-of-the-art coherent technologies, demonstrating an Optical Distribution Network loss above 33 dB with 25 km fiber length, a very promising result that is compliant with the PON power budget E1 class.

In the scenario of downstream Passive Optical Networks (PON), we analyze through simulations and experiments a 100 Gbps/λ link using digital signal processing (DSP) over up to 50 km single mode fiber (SMF) in C-band. In particular, we propose chromatic dispersion digital pre-compensation (CD-DPC) and quaternary pulse amplitude modulation (PAM-4) levels optimization at the transmitter side (TX), and simple non-linear compensation (NLC) in combination with adaptive equalization (AEQ) at the receiver side (RX). Regarding NLC, we compare two approaches: a quadratic polynomial function and a square-root-like function respectively. In this paper, we analyze in detail the performances of four proposed options, namely equispaced PAM-4 levels without NLC (baseline case), equispaced PAM-4 levels in combination with NLC, optimized PAM-4 levels without NLC, and optimized PAM-4 levels in combination with NLC. We demonstrate through simulations and experiments that optimized PAM-4 levels can only offer limited enhancement when NLC is applied, and up to 3.3 dB sensitivity gain can be obtained thanks to NLC at RX when setting the optimum parameters, with respect to the baseline case.

In this paper we present the simulative analysis of a 200 Gbps per wavelength (λ) 8-level pulse amplitude modulation (PAM-8) downstream communication over up to 20 km single mode fiber (SMF) in C-band based on direct detection (DD) achieving at least a 29 dB link power budget in a PON environment. We use chromatic dispersion digital pre-compensation (CD-DPC) and a dual-arm in-phase and quadrature Mach–Zehnder modulator (IQ-MZM) at the optical line termination (OLT) side, while preserving DD in the optical network unit (ONU). Three receiver digital-signal-processing (DSP) options are analyzed and compared: square-root-like technique (SQRT) in combination with a feed forward equalizer (FFE) and a decision feedback equalizer (DFE), the Volterra nonlinear equalizer (VNLE), and the SQRT in combination with the VNLE. The SQRT can be applied in combination with the VNLE to decrease the receiver DSP complexity while maintaining the required system performance. We show that PAM-8 with CD-DPC and the SQRT in combination with the VNLE is a feasible solution for 200 Gbps per λ downstream C-band transmission for PON.