EPON中的ONU用收發(fā)一體模塊設(shè)計(jì)

　　1.前言

　　隨著信息社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)信息的依賴程度越來(lái)越高，對(duì)信息量的需求越來(lái)越大。Internet業(yè)務(wù)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(tái)；此外，隨著人們對(duì)以高清晰度電視為代表的高帶寬信息的需求越來(lái)越大，新型的寬帶傳輸技術(shù)將越來(lái)越多的替代傳統(tǒng)的窄帶傳輸技術(shù)。在這些新技術(shù)中，由于傳輸帶寬寬、對(duì)業(yè)務(wù)透明、易于維護(hù)和管理、升級(jí)便利、成本較低等優(yōu)點(diǎn)使得結(jié)合了成熟的以太網(wǎng)技術(shù)和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的EPON（以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）系統(tǒng)成為一種很好的光纖寬帶接入技術(shù)方案。

　　EPON系統(tǒng)由OLT（光線路終端-Optical Line Termination）、ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元-Optical Network Unit）和光纖配線單元組成，系統(tǒng)使用以太網(wǎng)協(xié)議。我們稱(chēng)從OLT經(jīng)過(guò)1：N光無(wú)源分路器到ONU的為下行信號(hào)，從ONU到OLT的為上行信號(hào)。EPON系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)不定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包傳輸，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度依照IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，最長(zhǎng)為1518字節(jié)。下行信息采用廣播方式從OLT發(fā)給多個(gè)ONU。每個(gè)包攜帶的信頭唯一地標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)所要到達(dá)的特定ONU，此外有一些包發(fā)給所有的ONU，稱(chēng)為廣播包，還有一些包是發(fā)給一組ONU的，稱(chēng)為多播包。數(shù)據(jù)流通過(guò)光分路器后分為N路獨(dú)立的信號(hào)，每路信號(hào)都含有發(fā)給所有特定ONU的數(shù)據(jù)包。當(dāng)ONU接收到數(shù)據(jù)流時(shí)，只提取發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包，將發(fā)給其他ONU的數(shù)據(jù)包丟棄。從各個(gè)ONU到OLT的上行數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)分多址（TDMA）方式共享信道進(jìn)行傳輸，OLT為每個(gè)ONU都分配一個(gè)傳輸時(shí)隙。這些時(shí)隙是同步的，因此當(dāng)數(shù)據(jù)包耦合到一根光纖中時(shí)，不同ONU的數(shù)據(jù)包之間不會(huì)產(chǎn)生碰撞。上行技術(shù)是EPON的核心技術(shù)，對(duì)于采用TDMA上行技術(shù)方案的EPON系統(tǒng)的主要技術(shù)包括：定時(shí)與往返延時(shí)補(bǔ)償技術(shù)、TDMA復(fù)用技術(shù)、帶寬動(dòng)態(tài)分配技術(shù)、初始測(cè)距和即插即用技術(shù)。

　　本文介紹用于EPON系統(tǒng)中的上行信號(hào)傳輸?shù)耐话l(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(duì)光電模塊的技術(shù)要求

　　由上述的介紹可知，EPON的下行是個(gè)典型的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的系統(tǒng)，上行是多個(gè)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(shù)即可，而上行則必須使用突發(fā)模式光傳輸技術(shù)才能滿足系統(tǒng)的要求。所以，EPON對(duì)光電模塊的技術(shù)有如下的要求：

　　a)由于使用了無(wú)源光分路器使得光纖線路損耗增加許多，下行信號(hào)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(gè)ONU的光信號(hào)，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(gè)ONU在沒(méi)有向OLT傳輸數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)閉該激光器并使得此時(shí)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(shí)隙，要求上行的ONU的突發(fā)式光發(fā)射模塊的開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間小于512ns。

　　d)由于各個(gè)ONU的位置不同、距離不同、光線路狀態(tài)不同，到達(dá)OLT的各個(gè)ONU光信號(hào)幅度不一，要求OLT的接收部分為突發(fā)式、高動(dòng)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(shè)計(jì)

　　a)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　為滿足上述要求，ONU光收發(fā)一體模塊的結(jié)構(gòu)采用帶尾纖的2*6 PIN的SFF（Small Form Factor ,小外型因數(shù)）結(jié)構(gòu)，光接口為L(zhǎng)C。

　　b)BiDi組件設(shè)計(jì)

　　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(zhǎng)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(cè)器的響應(yīng)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(dá)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(guò)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(shè)計(jì)

　　與連續(xù)模式LD驅(qū)動(dòng)電路不同，突發(fā)模式的LD驅(qū)動(dòng)電路除了對(duì)驅(qū)動(dòng)電流快速調(diào)制外，對(duì)LD的偏置電流也需要開(kāi)關(guān)控制，因此LD的驅(qū)動(dòng)單元共有4個(gè)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路的差分輸入信號(hào)，EN+、EN-為系統(tǒng)控制LD的開(kāi)關(guān)信號(hào)。即在需要該ONU發(fā)射光信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)控制部分給EN+、EN-發(fā)來(lái)打開(kāi)信號(hào)使LD的偏置處于閾值電流以上，此時(shí)，該ONU向OLT發(fā)出正常的調(diào)制光信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)控制部分給EN+、EN-發(fā)來(lái)關(guān)閉信號(hào)時(shí)，此時(shí)，該ONU不再向OLT發(fā)出光信號(hào)。此外，為保證輸出光信號(hào)的穩(wěn)定電路設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮快速APC的設(shè)計(jì)。目前，已有IC供應(yīng)商提供CMOS工藝的集成方案。

　　d)接收電路設(shè)計(jì)

　　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(shù)方案，在此不再累述。

　　e)測(cè)試結(jié)果

　　所有樣品使用Agilent 86100A示波器、MP1605誤碼儀和SDA6020串行數(shù)據(jù)分析儀進(jìn)行了測(cè)試。

　　4.結(jié)論

　　目前該模塊已經(jīng)通過(guò)小批量可靠性考核；經(jīng)過(guò)儀器測(cè)試和在EPON系統(tǒng)上的實(shí)際使用，證明該模塊指標(biāo)滿足IEEE802.3ah的建議要求，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同時(shí)期同類(lèi)產(chǎn)品水平，而且，模塊體積更小，結(jié)構(gòu)符合SFF協(xié)議，給用戶的使用帶來(lái)方便。