05/08/2005，Charpen.zhang,Zachary.lu,Peter.tang，F(xiàn)iberxon.Inc
1．引言
    基于千兆以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)（GEPON） 代表了寬帶接入網(wǎng)的最新發(fā)展趨勢, 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。2004年5月，IEEE802.3ah標(biāo)準(zhǔn)正式通過；同時日本SoftBank開始在日本大規(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)，中國和北美也開始了GEPON系統(tǒng)的試點。
    GEPON系統(tǒng)具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ谋尘笆且驗槟壳坝脩艚K端設(shè)備絕大部分是具有較高性價比的以太網(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)計中，就對支持突發(fā)模式的GEPON光收發(fā)器件提出較高的要求。本文針對GEPON系統(tǒng)的技術(shù)特點和IEEE標(biāo)準(zhǔn),闡述了GEPON光收發(fā)器件的實現(xiàn)方式，指標(biāo)要求和這些指標(biāo)對系統(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稱為下行方向，下行傳輸時，OLT采用廣播方式，通過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稱為上行方向, 各個ONU向OLT請求相應(yīng)的上行傳輸帶寬,OLT在此基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)安排各個ONU的發(fā)送時序，通過1310nm DFB或者FP激光器由ONU向OLT傳送信號，上行傳輸支持突發(fā)工作模式。在上下行傳輸模式下，通過單纖雙向技術(shù)(1310nm/ 1490nm)可實現(xiàn)全雙工的工作方式。從整個系統(tǒng)設(shè)計的角度而言，在下行方向，只有OLT一個信號源，ONU接收廣播幀。對于某一個特定的ONU來講,接收路徑不變,其接收信號電平和相位特性是相對穩(wěn)定的,因此不會存在突發(fā)接收問題。但在上行方向,對于OLT來講,存在多個信號源(ONU)；ONU與OLT之間的不同距離以及鏈路特性上的差異, 會造成各ONU的發(fā)送功率相同, OLT接收時卻各不相同, 這就需要OLT端的接收機(jī)支持突發(fā)接收；同時從整個系統(tǒng)優(yōu)化的角度而言，要求ONU在沒有傳送信號時處于關(guān)斷狀態(tài)，而在傳送信號時要求很快打開，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)計的關(guān)鍵，而支持突發(fā)模式的光收發(fā)器件也成為整個GEPON系統(tǒng)的重點和難點。
    IEEE802.3ah-2004對于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�。由表可見，GEPON系統(tǒng)對光收發(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、動態(tài)工作模式的GEPON光收發(fā)器件是整個GEPON系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)難點和重點。

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。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,因而通道代價較小。
    為了滿足較短突發(fā)時序的工作要求，支持突發(fā)發(fā)射的激光驅(qū)動器采用了 具有保持功能的自動功率控制回路（APC）[2,3]。該自動功率控制回路可以保持上一個突發(fā)時序的自動功率控制回路的直流偏置值，這樣在下一個突發(fā)時序出現(xiàn)時，可以較快的建立一個穩(wěn)定的APC回路。圖3顯示了一個典型的突發(fā)時序測試結(jié)果，其突發(fā)控制模式為負(fù)電平有效，突發(fā)Turn-on時間為38ns，突發(fā)Turn-off時間為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)自動閾值電平調(diào)整示意圖
圖 5 無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，同時根據(jù)系統(tǒng)時序在1.25Gbit/s 速率下接收不同ONU的信號。這可采用兩種方式解決信號接收問題，一個方法是調(diào)整ONU 的發(fā)送功率,使得OLT接收到的各ONU信號功率電平相等。但這種方法將使得ONU端發(fā)送機(jī)的設(shè)計變得更為復(fù)雜, 發(fā)送功率調(diào)整后還可能對信號抗干擾性能有負(fù)面的影響, 同時也使得OLT和ONU之間的控制協(xié)議復(fù)雜化, 對系統(tǒng)的整體性能帶來較大的影響。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)來接收突發(fā)信號,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)信號的不確定性和在整個上行信道上的不均衡性以及每個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ONU的信號強(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，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)來的、信號光強(qiáng)度差別高達(dá)20dB左右的光信號，同時保證來自不同ONU的突發(fā)信號可在最大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，直流耦合模式的基本構(gòu)思是依據(jù)接收的突發(fā)信號通過測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增益控制（AGC）和自動門限控制（ATC）兩種方式。直流耦合模式接收機(jī)在整個信元時間內(nèi)動態(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間，但這樣會使誤碼性能下降，因此會引入傳輸容量代價。而且在一個信元時間內(nèi)閾值的抖動也會引入靈敏度代價。如果通過在信頭插入一定的比特位來確定判決閾值，則引入了傳輸容量代價，并且噪聲對閾值的影響會引入靈敏度代價。交流耦合模式采用一個高通濾波器濾除低頻信號就可以完成判決門限恢復(fù)，經(jīng)過交流耦合的信號即轉(zhuǎn)換成可以用0電平作為門限電壓的信號[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)對光收發(fā)器件的要求
    從GEPON系統(tǒng)設(shè)計的角度而言，由于ONU端系統(tǒng)主要面向最終用戶，必須考慮其成本問題，因此目前適合實際系統(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)器件在整個系統(tǒng)物理層設(shè)計上是一個關(guān)鍵器件，也是一個難點。適合實際系統(tǒng)設(shè)計需要的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)動態(tài)工作范圍（對于支持20km傳輸?shù)南到y(tǒng)，其靈敏度必須優(yōu)于-30dBm），并且在整個動態(tài)工作范圍內(nèi)要滿足小于400ns的動態(tài)閾值電平調(diào)整時隙要求。采用Resetless功能的OLT光收發(fā)器件可以簡化系統(tǒng)設(shè)計要求，同時也可滿足IEEE 802.3ah標(biāo)準(zhǔn)對OLT端光收發(fā)器件突發(fā)工作時序的要求（<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)和實現(xiàn)方式，并對實際應(yīng)用中的一些問題進(jìn)行討論。GEPON系統(tǒng)是未來光接入領(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。