05/08/2005，Charpen.zhang,Zachary.lu,Peter.tang，F(xiàn)iberxon.Inc
1．引言
    基于千兆以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（GEPON） 代表了寬帶接入網(wǎng)的最新發(fā)展趨勢(shì), 其作為解決最后一公里的接入方式，一直是接入網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。2004年5月，IEEE802.3ah標(biāo)準(zhǔn)正式通過(guò)；同時(shí)日本SoftBank開(kāi)始在日本大規(guī)模鋪設(shè)GEPON系統(tǒng)，這就使得GEPON成為眾多設(shè)備制造商新的發(fā)展目標(biāo)。目前，日本已在大規(guī)模地進(jìn)行GEPON系統(tǒng)建設(shè)，中國(guó)和北美也開(kāi)始了GEPON系統(tǒng)的試點(diǎn)。
    GEPON系統(tǒng)具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ谋尘笆且驗(yàn)槟壳坝脩?hù)終端設(shè)備絕大部分是具有較高性?xún)r(jià)比的以太網(wǎng)設(shè)備。由于GEPON系統(tǒng)除了具有千兆以太網(wǎng)的特點(diǎn)外，還需要支持高速率下的突發(fā)工作模式，因此在GEPON系統(tǒng)物理層設(shè)計(jì)中，就對(duì)支持突發(fā)模式的GEPON光收發(fā)器件提出較高的要求。本文針對(duì)GEPON系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和IEEE標(biāo)準(zhǔn),闡述了GEPON光收發(fā)器件的實(shí)現(xiàn)方式，指標(biāo)要求和這些指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響。
2．GEPON系統(tǒng)的概要
    根據(jù)IEEE 802.3ah-2004標(biāo)準(zhǔn)，GEPON系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要組成部分包括：光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN )，使用無(wú)源光分路器（Splitter）進(jìn)行光分路(1∶16 或1∶32)；光鏈路終端設(shè)備（OLT）；光網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)備（ONU）[1]。 
    GEPON系統(tǒng)從OLT到ONU稱(chēng)為下行方向，下行傳輸時(shí)，OLT采用廣播方式，通過(guò)1490nmDFB激光器將IEEE 802.3以太網(wǎng)幀傳送至所有ONU,下行傳輸支持連續(xù)工作模式；從ONU到OLT稱(chēng)為上行方向, 各個(gè)ONU向OLT請(qǐng)求相應(yīng)的上行傳輸帶寬,OLT在此基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)安排各個(gè)ONU的發(fā)送時(shí)序，通過(guò)1310nm DFB或者FP激光器由ONU向OLT傳送信號(hào)，上行傳輸支持突發(fā)工作模式。在上下行傳輸模式下，通過(guò)單纖雙向技術(shù)(1310nm/ 1490nm)可實(shí)現(xiàn)全雙工的工作方式。從整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度而言，在下行方向，只有OLT一個(gè)信號(hào)源，ONU接收廣播幀。對(duì)于某一個(gè)特定的ONU來(lái)講,接收路徑不變,其接收信號(hào)電平和相位特性是相對(duì)穩(wěn)定的,因此不會(huì)存在突發(fā)接收問(wèn)題。但在上行方向,對(duì)于OLT來(lái)講,存在多個(gè)信號(hào)源(ONU)；ONU與OLT之間的不同距離以及鏈路特性上的差異, 會(huì)造成各ONU的發(fā)送功率相同, OLT接收時(shí)卻各不相同, 這就需要OLT端的接收機(jī)支持突發(fā)接收；同時(shí)從整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的角度而言，要求ONU在沒(méi)有傳送信號(hào)時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，而在傳送信號(hào)時(shí)要求很快打開(kāi)，這就需要ONU支持突發(fā)發(fā)射的工作模式。因此上行接入是GEPON系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而支持突發(fā)模式的光收發(fā)器件也成為整個(gè)GEPON系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
    IEEE802.3ah-2004對(duì)于GEPON系統(tǒng)1:16分路比條件下10km （Px10）和20km（Px20）應(yīng)用的物理層特性做了詳細(xì)規(guī)范，但是目前實(shí)際鋪設(shè)的GEPON系統(tǒng)都要求支持1：32甚至1：64分路比條件下10km和20km傳輸。表一列出GEPON系統(tǒng)在不同分路比條件下10km和20km傳輸?shù)逆溌诽匦�。由表可�?jiàn)，GEPON系統(tǒng)對(duì)光收發(fā)器件的工作參數(shù)提出較高要求，尤其在上行鏈路狀態(tài)，要求光收發(fā)器件在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下支持高達(dá)26dB(1：16）和29.5dB(1:32)的鏈路預(yù)算。因此支持高鏈路預(yù)算、動(dòng)態(tài)工作模式的GEPON光收發(fā)器件是整個(gè)GEPON系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

圖1 GEPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

圖2 FP激光器譜寬和模式色散（MPN）受限傳輸?shù)年P(guān)系

             
（1）Burst-on                     (2)Burst-off
圖 3 突發(fā)工作條件下Burst-on/Burst-off測(cè)試結(jié)果[7]
3．GEPON系統(tǒng)ONU端突發(fā)發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)
    GEPON系統(tǒng)ONU端光收發(fā)器件支持1.25Gbit/s的工作速率，同時(shí)在接收到OLT允許發(fā)送數(shù)據(jù)的指令后，采用突發(fā)模式發(fā)送數(shù)據(jù)到上行幀的指定時(shí)隙，因此ONU端光收發(fā)器件除具有千兆以太網(wǎng)光收發(fā)器件的要求外，還必須支持突發(fā)發(fā)射模式。
    對(duì)于ONU光收發(fā)器件而言，其連續(xù)接收一般采用PIN接收機(jī)，突發(fā)發(fā)射可采用FP激光器或者DFB激光器，F(xiàn)P激光器與DFB激光器最大的差別就是FP激光器是多縱模發(fā)射，而DFB激光器是單縱模發(fā)射，因此FP激光器存在較大的模式色散效應(yīng)，該效應(yīng)引入較大的通道代價(jià)。圖2 給出了FP 激光器的模式色散受限傳輸距離與激光器譜寬之間的關(guān)系, 從圖中可以看出，激光器譜寬越窄，其模式色散對(duì)傳輸距離的影響越小。而DFB 激光器與FP 激光器相比，不存在模式色散,因而通道代價(jià)較小。
    為了滿(mǎn)足較短突發(fā)時(shí)序的工作要求，支持突發(fā)發(fā)射的激光驅(qū)動(dòng)器采用了 具有保持功能的自動(dòng)功率控制回路（APC）[2,3]。該自動(dòng)功率控制回路可以保持上一個(gè)突發(fā)時(shí)序的自動(dòng)功率控制回路的直流偏置值，這樣在下一個(gè)突發(fā)時(shí)序出現(xiàn)時(shí)，可以較快的建立一個(gè)穩(wěn)定的APC回路。圖3顯示了一個(gè)典型的突發(fā)時(shí)序測(cè)試結(jié)果，其突發(fā)控制模式為負(fù)電平有效，突發(fā)Turn-on時(shí)間為38ns，突發(fā)Turn-off時(shí)間為26ns。
 
圖 4 OLT端突發(fā)接收模式示意圖

      
(a) 跨阻放大器示意圖                      (b)自動(dòng)閾值電平調(diào)整示意圖
圖 5 無(wú)Reset功能的OLT突發(fā)接收示意圖
 
      
(a) 跨阻放大器示意圖             (b)自動(dòng)閾值電平調(diào)整示意圖
圖 6 具有Reset功能的OLT突發(fā)接收示意圖[5]
3．GEPON系統(tǒng)OLT端突發(fā)接收關(guān)鍵技術(shù)
    GEPON系統(tǒng)OLT端發(fā)送1.25Gbit/s的連續(xù)廣播信號(hào)，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)時(shí)序在1.25Gbit/s 速率下接收不同ONU的信號(hào)。這可采用兩種方式解決信號(hào)接收問(wèn)題，一個(gè)方法是調(diào)整ONU 的發(fā)送功率,使得OLT接收到的各ONU信號(hào)功率電平相等。但這種方法將使得ONU端發(fā)送機(jī)的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜, 發(fā)送功率調(diào)整后還可能對(duì)信號(hào)抗干擾性能有負(fù)面的影響, 同時(shí)也使得OLT和ONU之間的控制協(xié)議復(fù)雜化, 對(duì)系統(tǒng)的整體性能帶來(lái)較大的影響。另一種方法是在OLT端使用突發(fā)接收機(jī), 采用各種突發(fā)接收技術(shù)來(lái)接收突發(fā)信號(hào),如直流耦合、交流耦合，目前的OLT端光收發(fā)器件基本采用這種方法。
    由于突發(fā)信號(hào)的不確定性和在整個(gè)上行信道上的不均衡性以及每個(gè)ONU到OLT之間的不同傳輸距離等各種因素造成OLT接收到的各個(gè)ONU的信號(hào)強(qiáng)度各不相同。為了支持GEPON系統(tǒng)的靈活配置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，OLT光收發(fā)器件必須支持突發(fā)模式、10－12誤碼率條件下正確接收不同ONU發(fā)來(lái)的、信號(hào)光強(qiáng)度差別高達(dá)20dB左右的光信號(hào)，同時(shí)保證來(lái)自不同ONU的突發(fā)信號(hào)可在最大400ns的間隔內(nèi)正確接收，如圖4所示[1]。
    現(xiàn)有的突發(fā)模式接收機(jī)分為直接耦合方式和交流耦合兩大類(lèi)，直流耦合模式的基本構(gòu)思是依據(jù)接收的突發(fā)信號(hào)通過(guò)測(cè)量其光功率而做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。根據(jù)反饋方式不同又可以分為自動(dòng)增益控制（AGC）和自動(dòng)門(mén)限控制（ATC）兩種方式。直流耦合模式接收機(jī)在整個(gè)信元時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整判決電平，如果為了提高傳輸效率而減小自適應(yīng)閥值控制電路放電時(shí)間，但這樣會(huì)使誤碼性能下降，因此會(huì)引入傳輸容量代價(jià)。而且在一個(gè)信元時(shí)間內(nèi)閾值的抖動(dòng)也會(huì)引入靈敏度代價(jià)。如果通過(guò)在信頭插入一定的比特位來(lái)確定判決閾值，則引入了傳輸容量代價(jià)，并且噪聲對(duì)閾值的影響會(huì)引入靈敏度代價(jià)。交流耦合模式采用一個(gè)高通濾波器濾除低頻信號(hào)就可以完成判決門(mén)限恢復(fù)，經(jīng)過(guò)交流耦合的信號(hào)即轉(zhuǎn)換成可以用0電平作為門(mén)限電壓的信號(hào)[4,5,6]。
    從外部接口和突發(fā)模式下跨阻放大器閾值電平調(diào)整方式的不同，支持突發(fā)模式的OLT光收發(fā)器件又可分為不帶Reset功能（Resetless）的OLT光收發(fā)器件和具有Reset功能的OLT光收發(fā)器件，其電路示意圖與閾值電平控制示意圖如圖5、6所示[5,7]。
4.GEPON系統(tǒng)對(duì)光收發(fā)器件的要求
    從GEPON系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度而言，由于ONU端系統(tǒng)主要面向最終用戶(hù)，必須考慮其成本問(wèn)題，因此目前適合實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用的ONU端光收發(fā)器件主要采用FP激光器的解決方案，并且從系統(tǒng)鏈路預(yù)算考慮，ONU端光收發(fā)器件必須具有較高的靈敏度（優(yōu)于-26dBm）。
    OLT端光收發(fā)器件在整個(gè)系統(tǒng)物理層設(shè)計(jì)上是一個(gè)關(guān)鍵器件，也是一個(gè)難點(diǎn)。適合實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的OLT光收發(fā)器件必須在較高靈敏度條件下支持大于20dB的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工作范圍（對(duì)于支持20km傳輸?shù)南到y(tǒng)，其靈敏度必須優(yōu)于-30dBm），并且在整個(gè)動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)要滿(mǎn)足小于400ns的動(dòng)態(tài)閾值電平調(diào)整時(shí)隙要求。采用Resetless功能的OLT光收發(fā)器件可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也可滿(mǎn)足IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)對(duì)OLT端光收發(fā)器件突發(fā)工作時(shí)序的要求（<400ns）。因此性能優(yōu)良的OLT光收發(fā)器件采用Resetless方式。
5．結(jié)論
    本文綜述了突發(fā)模式GEPON光收發(fā)器件的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的一些問(wèn)題進(jìn)行討論。GEPON系統(tǒng)是未來(lái)光接入領(lǐng)域最有前途的技術(shù)，解決GEPON光收發(fā)器件突發(fā)模式下的接收和發(fā)射實(shí)現(xiàn)技術(shù)及GEPON光收發(fā)器件的產(chǎn)業(yè)化，是當(dāng)前光器件發(fā)展的重點(diǎn)。