所谓双向传输，指的是系统既可以从前端向用户发送信息，即下行传输，又可以实现用户向前端发送信息，即上行传输。
传输方式
1.空分复用（SDM）
SDM就是双向通信的每一方向各使用一根光纤的通信方式，即所谓单工方式。在SDM方式下，两个方向的信号在两根完全独立的光纤中传输，互不影响，传输性能最佳，系统设计也最简单，但需要一对光纤才能完成双向传输的任务，当传输距离较长时不够经济。对于0LT与ONU相距很近的应用场合，则由于光纤价格的不断下降，SDM方式仍不失为一种可以考虑的双向传输方案。最后，由于两个方向的信号传输通路互相独立，因而对于光源波长没有特殊要求，只要在1310 nm波长区内，是否相同无关紧要。
TCM方式是解决双向传输的有效手段之一。这种方法只利用一根光纤，但不断交替改变传输方向，使两个方向的信号得以轮流地在同一根光纤上传输，就像打乒乓球一样，因而又称“乒乓法”。实现TCM传输有两种方法，第一种方法是利用一只激光器既作光源又作检测器，十分简单，只要有一个收发控制开关准确地控制其收发时间，使之不发生冲突即可。然而这种激光器兼作检测器的方法灵敏度较差，速率较高时，光通道可用光预算很小。第二种方法是利用两套独立收发设备，两端各设一个光耦合器用于分离上行和下行信号，两个方向的信号发送在时间上分开，分别占用不同的时隙轮流发送。由于同一时刻只允许一个方向传输信号，因而称为半双工方式，以便与WDM和SCM的全双工方式有所区别。采用TCM方式时，两个方向的信号允许工作在同一波长，但规定必须在1310 nm波长区。
需要注意在接入网环境，PON主要工作在点到多点方式，因此上下行信号的处理方式不同。下行方向上的信号是连续排列发送且以广播方式送给各个ONU的，各个ONU收到的是全部信号但只能在属于自己的时隙中取出属于自己的信号。上行方向则不同，各个ONU是以突发方式发送信号的，且只能在属于自己的时隙内发送信号，于是从各个ONU来的信号呈一个个非连续的突发块且幅度也不尽相同。
采用TCM方式可以用一根光纤完成双向传输任务，节约了光纤、分路器和活动连接器，而且网管系统判断故障比较容易，因而获得了广泛的应用。这种系统的缺点是两端的耦合器各有3 dB功率的损失，而且OLT和ONU的电路比较复杂。
3.波分复用（WDM）
当光源发送功率不超过一定门限时，光纤工作于线性传输状态。此时，不同波长的信号只要有一定间隔就可以在同一根光纤上独立地进行传输而不会发生相互干扰，这就是波分复用的基本原理。对于双向传输而言，只需将两个方向的信号分别调在不同波长上即可实现单纤双向传输的目的，称为异波长双工方式。这种方式未来的升级扩容潜力很大，很容易扩展至几十个波长，但WDM器件的成本还过高，因而传输距离不长时不够经济。
利用SCM实现双向传输的原理很简单，只需将两个方向的信号分别安排在不同频段即可实现单纤同波长双向传输的目的。在实际oAN传输系统中，下行方向往往采用TDM方式基带传输形式，因而频率分量集中在低频端，而上行方向采用副载波多址接人（SCMA）方式，即各个用户的频率调在较高频段，与下行信号的频谱隔开。由于上下行信号分别占用不同频段，因而系统对反射不敏感，也无须TDMA方式所必不可少的复杂的延时调整电路，传输延时较小，电路较简单。
频率分割
频率分割双向传输方式是用不同的载波频率分别传送上行和下行信号。根据上、下行传输内容的不同，可以采用不同的上行频带和下行频带，但中间必须有一个保护频带（既不传上行信号，又不传下行信号的空闲频带），以减小由于滤波特性不陡峭而造成的频带交叉影响。
按照 GY/T106—1999规定，用 5～65 MHz频带传送上行信号，110～1000 MHz用于传输模拟电视、数字电视和数字业务， 65～87 MHz为其过渡频带。
由于上行信号和下行信号安排在不同的频段上，因此，信号的传输可以通过一根传输线来传输，而信号的分离就用不同的滤波器即可解决。这种方式的特点是技术简单成熟，只要用一般的滤波器就可方便地把上、下行信号分离开来。
根据不同的应用，以分割频率的高低不同，频率分割又可分为：
低分割：分割频率为30～40MHz；
中分割：分割频率为100MHz左右；
高分割：分割频率为200MHz左右。
高、中、低三种分割方式的选取主要取决于传输的信息量。一般情况下，对于结点规模较小，上行信息量较少的应用系统（如点播电视、Internet接入、数据检索等）可采用低分割方式。对接点规模较大，上行信息较多的应用（如可视电话、会议电视等）则采用中、高分割方式。
空间分割
空间分割是采用不同的线路分别传输上行和下行信号。在光纤传输系统中，大多采用这种方式，利用两芯光纤分别来传输上行和下行信号。但在电缆传输系统中，通常不采用这种方式，因为成本太高。这种方法的优点是技术简单，上行信号和下行信号之间不存在干扰问题，但空间分割传输实际上是采用两套单向传输系统，是两个单向传输系统的组合，不能真正称为双向系统。
时间分割
时间分割方式则是利用时分复用技术来分离上、下行信号，即把系统传输信号分为若干个时间段，分时交替传送上、下行信号。
数字通信系统中用这种方式，即传输上行或下行信号的时间由一个脉冲开关进行控制，在一个脉冲周期内传送下行信号，在紧接的另一个脉冲周期内传送上行信号。这种方法的优点是上、下行信号交叉传输，不产生相互干扰，但要求信号的发送端和接收端的开关准确同步，信号的处理比较复杂。