1/22/2014,目前，高速率的光纖傳輸技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)中。EPON (以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò))由于其成本低和技術(shù)成熟可靠已經(jīng)成為相關(guān)運(yùn)營(yíng)商的首選方案。而10Gbit/s(以下簡(jiǎn)稱10G)EPON系統(tǒng)是1G EPON系統(tǒng)的平滑升級(jí)，即兼顧1G和10G業(yè)務(wù)，同時(shí)10G EPON對(duì)稱OLT(光線路終端)光模塊也是10G EPON非對(duì)稱OLT光模塊的升級(jí)，它直接將上行速率提升到10.3125 Gbit/s，極大地滿足了用戶對(duì)上行帶寬的需求，因此備受運(yùn)營(yíng)商的青睞。

　　在EPON系統(tǒng)中，OLT與多個(gè)ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)通過POS(無源光分路器)連接。作為EPON的核心，OLT光模塊將直接影響整個(gè)10G EPON系統(tǒng)的運(yùn)行。本文重點(diǎn)介紹一種10G EPON對(duì)稱OLT光模塊的設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性。

    1、10G EPON對(duì)稱OLT光模塊簡(jiǎn)介

　　10G EPON對(duì)稱OLT光模塊采用的是上行突發(fā)接收和下行連續(xù)發(fā)射模式，主要用于10G EPON系統(tǒng)中光/電轉(zhuǎn)換。接收部分由TIA(跨阻放大器) 1270/1310nm的APD(雪崩光電二極管)，以及兩個(gè)速率分別為1.25和10.3125 Gbit/s的LA(限幅放大器)組成。發(fā)射端由一個(gè)10G的EML(電吸收調(diào)制激光器)和一個(gè)1.25 Gbit/s的DFB(分布反饋激光器)組成，其發(fā)射波長(zhǎng)分別為1577和1490nm。驅(qū)動(dòng)電路包括數(shù)字APC(自動(dòng)光功率控制)電路和用于保持10G激光器發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定的TEC(溫度補(bǔ)償)電路。發(fā)射和接收參數(shù)監(jiān)控是根據(jù)SFF-8077iv4.5協(xié)議由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。

　　由于OLT光模塊接收端采用的是突發(fā)接收，所以接收建立時(shí)間就顯得尤為重要。若接收建立時(shí)間較長(zhǎng)，將對(duì)靈敏度產(chǎn)生很大影響，甚至可能導(dǎo)致突發(fā)接收無法正常工作。根據(jù)IEEE Std802.3av協(xié)議的要求，1.25 Gbit/s突發(fā)接收的建立時(shí)間必須<400 ns，且突發(fā)接收靈敏度在誤碼率為10-12的條件下必須<-29.78 dBm；而10.3125 Gbit/s突發(fā)接收的建立時(shí)間必須<800 ns，且突發(fā)接收靈敏度在誤碼率為10-3的條件下必須<-28.0 dBm。

　　2、10G EPON對(duì)稱OLT光模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 設(shè)計(jì)方案

　　10G EPON對(duì)稱OLT光模塊由Triplexer(單纖三向組件)、發(fā)射、接收和監(jiān)控4部分組成，其中Triplexer部分包括兩個(gè)激光器和一個(gè)探測(cè)器。發(fā)射的光和接收的光通過WDM(波分復(fù)用器)集成到光器件中，實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。


　　發(fā)射部分由兩個(gè)激光器組成，主要功能是分別將1G和10G電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，并通過數(shù)字APC電路，在閉環(huán)狀態(tài)下保持光功率的穩(wěn)定。與此同時(shí)，單片機(jī)控制調(diào)制電流的大小，進(jìn)而得到系統(tǒng)所需要的消光比。在10G發(fā)射電路中增加了TEC電路，極大地穩(wěn)定了10G激光器輸出波長(zhǎng)。接收部分采用APD將探測(cè)的突發(fā)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大整形后輸出。為了保證靈敏度能夠達(dá)到理想變化范圍，需在不同溫度下對(duì)APD提供穩(wěn)定高壓。單片機(jī)通過控制APD高壓電路來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　2.2 雙速率突發(fā)接收的實(shí)現(xiàn)

　　10G EPON對(duì)稱OLT光模塊的接收部分采用的是突發(fā)接收方式。它要接收1.25和10.3125 Gbit/s兩種不同速率的突發(fā)信號(hào)，這就要求接收部分能夠很好地區(qū)分這兩種不同速率的光信號(hào)，以獲得穩(wěn)定輸出的電信號(hào)。這里提出兩種實(shí)現(xiàn)OLT光模塊雙速率突發(fā)接收的方案。

　　由于輸入光信號(hào)采用的是TDMA(時(shí)分多址)技術(shù)，所以在同一時(shí)刻只可能存在一種速率的突發(fā)光，可以通過一個(gè)1∶2的分光器對(duì)輸入信號(hào)在光域下進(jìn)行分離，如圖2所示�；蛘咧皇褂靡粋�(gè)高速探測(cè)器，將1G和10G光信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，再通過帶寬較大的TIA分離出兩種不同速率的電信號(hào)，如圖3所示。

　　圖2所示的第1種方案，當(dāng)光通過1∶2的分光器時(shí)會(huì)帶來一定的插入損耗，這就必須要對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行放大，因此在分光器前安裝一個(gè)光放大器。分離后的光信號(hào)再通過不同速率的探測(cè)器進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，最后得到穩(wěn)定的兩種電信號(hào)輸出。這套方案最大的缺點(diǎn)是多用了一個(gè)光放大器和一個(gè)1∶2的分光器，且需要兩個(gè)探測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，既增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，又提高了成本。


　　圖3所示的第2種方案，輸入光信號(hào)只需通過一個(gè)探測(cè)器和一個(gè)TIA，便可實(shí)現(xiàn)在電域下的分離。這套方案的核心在于TIA的選取，它要求TIA具有1~10Gbit/s的帶寬，同時(shí)TIA在該帶寬內(nèi)具有快速的響應(yīng)度。只有通過TIA的電流參數(shù)能夠快速得到響應(yīng)值，接收靈敏度才能得到很好的保障。這套方案極大地降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并使成本得到了很好的控制。我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中一般選取第2種方案來實(shí)現(xiàn)雙速率突發(fā)接收。

　　2.3 接收端硬件電路的設(shè)計(jì)

　　圖4為突發(fā)接收部分的硬件電路。當(dāng)有突發(fā)光輸入時(shí)，APD把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)送入TIA，該信號(hào)經(jīng)TIA放大成10G或1G的電信號(hào)。10G電信號(hào)通過TIA的正極交流耦合輸入到10G LA中，1G電信號(hào)通過TIA的負(fù)極交流耦合輸入到1G LA中。電容C2和C3是用來實(shí)現(xiàn)10G和1G交流耦合輸出的耦合電容，選擇使用交流耦合方式是因?yàn)樗�較直流耦合方式簡(jiǎn)單。但交流耦合存在電容的充放電，對(duì)信號(hào)的反應(yīng)速度受充放電時(shí)間常數(shù)的影響，即不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)。這一特點(diǎn)勢(shì)必將損失一定的接收建立時(shí)間，所以選取多大的交流耦合電容至關(guān)重要。若選取較小的耦合電容，則可以縮短建立時(shí)間，在每個(gè)時(shí)隙中ONU發(fā)射的信號(hào)能夠完全接收，不會(huì)因?yàn)榻邮战�立時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致下個(gè)時(shí)隙的到來而影響接收效果。但是過小的電容會(huì)影響耦合效果，使接收的穩(wěn)定性大大降低，而較大的電容可以降低系統(tǒng)的抖動(dòng)，提高接收端的靈敏度。因此為了兼顧接收建立時(shí)間和接收靈敏度，需選擇合適的耦合電容C2和C3。另外，為了保證輸入電信號(hào)的穩(wěn)定，在LA的負(fù)端接入一個(gè)耦合電容和一個(gè)阻值為50Ω的匹配電阻。


　　經(jīng)10G(1G)LA輸出的差分信號(hào)，通過由電阻R4和R5(R6和R7)以及2.0 V的直流電壓源組成LVPECL(低壓正射極耦合邏輯)電路，直流耦合輸出一對(duì)10G(1G)電信號(hào)。

　　2.4 發(fā)射部分

　　10G EPON對(duì)稱OLT光模塊的發(fā)射部分主要分為1.25和10G發(fā)射兩個(gè)部分，分別對(duì)下行發(fā)送1490和1577 nm波長(zhǎng)的信號(hào)。以10G發(fā)射部分為例，一對(duì)10G差分信號(hào)進(jìn)入CDR(時(shí)鐘整形)芯片，經(jīng)交流耦合到10G驅(qū)動(dòng)芯片，最后差分輸入進(jìn)10G激光器中。由于溫度變化會(huì)對(duì)激光器發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生很大影響，為將波長(zhǎng)穩(wěn)定到協(xié)議(協(xié)議要求在1575~1580nm)所要求的水平，需調(diào)整TEC電路的工作電流，這樣可以很好地控制輸出波長(zhǎng)。

　　3、測(cè)試結(jié)果及分析

　　10G EPON對(duì)稱OLT光模塊的主要測(cè)試指標(biāo)包括探測(cè)器的接收建立時(shí)間、接收靈敏度和發(fā)射眼圖。具體測(cè)試如下：

　　(1) 接收建立時(shí)間

　　在上行突發(fā)光功率為-24.0 dBm的正常工作環(huán)境下，以突發(fā)光源發(fā)射的光信號(hào)為測(cè)量起點(diǎn)，模塊接收并建立完全的電信號(hào)為測(cè)量終點(diǎn)，忽略光在測(cè)試光纖中 的時(shí)延，測(cè)得1G突發(fā)接收 建 立 時(shí) 間 為76.7 ns，滿足<400 ns的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；10G突發(fā)接收建立時(shí)間為241.8 ns，也滿足<800 ns的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2) 接收靈敏度

　　采用1.25 Gbit/s、PRBS(偽隨機(jī)二進(jìn)制序列)7 階碼進(jìn)行突發(fā)接收測(cè)試，在誤碼率為10-12、溫度分別為0、25和75℃的條件下，測(cè)得的靈敏度分別為-31.4、-31.6和-31.1dBm。

　　采用10.3125 Gbit/s、PRBS31階碼進(jìn)行突發(fā)接收測(cè)試，在誤碼率為10-3、溫度分別為0、25和75℃的條件下，測(cè)得的靈敏度分別為-29.3、-29.7和-29.2dBm。

　　(3) 發(fā)射的主要指標(biāo)

　　在全溫范圍內(nèi)測(cè)得1G和10G激光器發(fā)射光眼圖分別如圖5和圖6所示，發(fā)射參數(shù)分別如表1和表2所示。

　　測(cè)試結(jié)果顯示，發(fā)射眼圖滿足IEEE Std.802.3av標(biāo)準(zhǔn)中模板的要求，消光比、發(fā)射光功率均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，并且在全溫度范圍內(nèi)指標(biāo)變化較小。



　　4、結(jié)束語

　　本文介紹了10G EPON對(duì)稱OLT光模塊的基本構(gòu)成，重點(diǎn)介紹了雙速率突發(fā)接收的兩種方案和10G突發(fā)接收部分的硬件電路實(shí)現(xiàn)。目前，武漢電信器件有限公司已經(jīng)研發(fā)出10G EPON對(duì)稱OLT光模塊，各項(xiàng)測(cè)試表明該光模塊性能已能達(dá)到國(guó)際水平。在不久的將來，它將在10G EPON市場(chǎng)上占有一席之地。

文/李暢、高繁榮、陳寅、吳君毅(光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢電信器件有限公司) 光通信研究

文章來源：OFweek 光通訊網(wǎng)