EPON中的ONU用收發(fā)一體模塊設計

　　1.前言

　　隨著信息社會的快速發(fā)展，人們對信息的依賴程度越來越高，對信息量的需求越來越大。Internet業(yè)務的普及和發(fā)展為人們提供了一種優(yōu)良的信息獲取和交流的平臺；此外，隨著人們對以高清晰度電視為代表的高帶寬信息的需求越來越大，新型的寬帶傳輸技術將越來越多的替代傳統(tǒng)的窄帶傳輸技術。在這些新技術中，由于傳輸帶寬寬、對業(yè)務透明、易于維護和管理、升級便利、成本較低等優(yōu)點使得結合了成熟的以太網技術和無源光網絡技術的EPON（以太網無源光網絡）系統(tǒng)成為一種很好的光纖寬帶接入技術方案。

　　EPON系統(tǒng)由OLT（光線路終端-Optical Line Termination）、ONU（光網絡單元-Optical Network Unit）和光纖配線單元組成，系統(tǒng)使用以太網協(xié)議。我們稱從OLT經過1：N光無源分路器到ONU的為下行信號，從ONU到OLT的為上行信號。EPON系統(tǒng)的數據通過不定長的數據包傳輸，數據包長度依照IEEE802.3以太網協(xié)議，最長為1518字節(jié)。下行信息采用廣播方式從OLT發(fā)給多個ONU。每個包攜帶的信頭唯一地標識數據所要到達的特定ONU，此外有一些包發(fā)給所有的ONU，稱為廣播包，還有一些包是發(fā)給一組ONU的，稱為多播包。數據流通過光分路器后分為N路獨立的信號，每路信號都含有發(fā)給所有特定ONU的數據包。當ONU接收到數據流時，只提取發(fā)給自己的數據包，將發(fā)給其他ONU的數據包丟棄。從各個ONU到OLT的上行數據通過時分多址（TDMA）方式共享信道進行傳輸，OLT為每個ONU都分配一個傳輸時隙。這些時隙是同步的，因此當數據包耦合到一根光纖中時，不同ONU的數據包之間不會產生碰撞。上行技術是EPON的核心技術，對于采用TDMA上行技術方案的EPON系統(tǒng)的主要技術包括：定時與往返延時補償技術、TDMA復用技術、帶寬動態(tài)分配技術、初始測距和即插即用技術。

　　本文介紹用于EPON系統(tǒng)中的上行信號傳輸的突發(fā)式光發(fā)射和用于下行的連續(xù)模式光接收的ONU光收發(fā)一體模塊。

　　2.EPON對光電模塊的技術要求

　　由上述的介紹可知，EPON的下行是個典型的點對多點的系統(tǒng)，上行是多個ONU到OLT的TDMA系統(tǒng)。即下行可以使用傳統(tǒng)的連續(xù)模式光傳輸技術即可，而上行則必須使用突發(fā)模式光傳輸技術才能滿足系統(tǒng)的要求。所以，EPON對光電模塊的技術有如下的要求：

　　a)由于使用了無源光分路器使得光纖線路損耗增加許多，下行信號的發(fā)射光功率要足夠的大、接收靈敏度要足夠的高，以滿足20Km的傳輸距離。

　　b)上行線路的OLT處將匯集各個ONU的光信號，為保證很低的誤碼率和一定的傳輸距離，要求該處有較高的消光比；IEEE802.3ah要求各個ONU在沒有向OLT傳輸數據時關閉該激光器并使得此時的輸出光功率小于-45dbm。

　　c)由于EPON的速率為GB/S，為充分利用發(fā)射時隙，要求上行的ONU的突發(fā)式光發(fā)射模塊的開啟/關閉時間小于512ns。

　　d)由于各個ONU的位置不同、距離不同、光線路狀態(tài)不同，到達OLT的各個ONU光信號幅度不一，要求OLT的接收部分為突發(fā)式、高動態(tài)范圍。

　　e)由于ONU放置在用戶端，所以要求ONU光電一體模塊高可靠、低功耗、低成本。

　　3.ONU光收發(fā)一體模塊設計

　　a)結構設計

　　為滿足上述要求，ONU光收發(fā)一體模塊的結構采用帶尾纖的2*6 PIN的SFF（Small Form Factor ,小外型因數）結構，光接口為LC。

　　b)BiDi組件設計

　　BiDi（Bi-direction，單纖雙向LD/PIN-TIA組件）是ONU光收發(fā)一體模塊中的核心器件。有如下要求，其一為為滿足低成本要求，選擇FP-LD，其中心波長為1310nm，光譜寬度不大于3nm，工作溫度范圍在-45℃~+85℃，速率大于1.25Gb/S；其二為背探光探測器的響應速度較高，使LD器件適合突發(fā)模式工作；其三為PIN-TIA組件的速率達到1.25Gb/S，接收靈敏度高于-24dbm；其四為小尺寸、低成本、高可靠。我們研制的樣品通過了可靠性考核完全滿足上述要求。

　　c)突發(fā)式光發(fā)射電路設計

　　與連續(xù)模式LD驅動電路不同，突發(fā)模式的LD驅動電路除了對驅動電流快速調制外，對LD的偏置電流也需要開關控制，因此LD的驅動單元共有4個驅動口。如圖3所示。TD+、TD-為EPON系統(tǒng)ONU單元發(fā)給突發(fā)模式驅動電路的差分輸入信號，EN+、EN-為系統(tǒng)控制LD的開關信號。即在需要該ONU發(fā)射光信號時，系統(tǒng)控制部分給EN+、EN-發(fā)來打開信號使LD的偏置處于閾值電流以上，此時，該ONU向OLT發(fā)出正常的調制光信號；當系統(tǒng)控制部分給EN+、EN-發(fā)來關閉信號時，此時，該ONU不再向OLT發(fā)出光信號。此外，為保證輸出光信號的穩(wěn)定電路設計中還應考慮快速APC的設計。目前，已有IC供應商提供CMOS工藝的集成方案。

　　d)接收電路設計

　　由于該部分是傳統(tǒng)的連續(xù)模式光接收方式，采用成熟的PIN-TIA器件和集成的限幅放大器IC技術方案，在此不再累述。

　　e)測試結果

　　所有樣品使用Agilent 86100A示波器、MP1605誤碼儀和SDA6020串行數據分析儀進行了測試。

　　4.結論

　　目前該模塊已經通過小批量可靠性考核；經過儀器測試和在EPON系統(tǒng)上的實際使用，證明該模塊指標滿足IEEE802.3ah的建議要求，主要技術指標達到了國外同時期同類產品水平，而且，模塊體積更小，結構符合SFF協(xié)議，給用戶的使用帶來方便。