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10Gbits EPON对称OLT光模块设计

时间:2020-04-22 02:31

  1/22/2014,目前,高速率的光纤传输技术已广泛应用于各个主干网络中。EPON(以太网无源光网络)由于其成本低和技术成熟可靠已经成为相关运营商的首选方案。而10Gbit/s(以下简称10G)EPON系统是1GEPON系统的平滑升级,即兼顾1G和10G业务,同时10GEPON对称OLT(光线GEPON非对称OLT光模块的升级,它直接将上行速率提升到10.3125Gbit/s,极大地满足了用户对上行带宽的需求,因此备受运营商的青睐。

  在EPON系统中,OLT与多个ONU(光网络单元)通过POS(无源光分路器)连接。作为EPON的核心,OLT光模块将直接影响整个10GEPON系统的运行。本文重点介绍一种10GEPON对称OLT光模块的设计方案和关键技术,并通过实验验证方案的可行性。

  10GEPON对称OLT光模块采用的是上行突发接收和下行连续发射模式,主要用于10GEPON系统中光/电转换。接收部分由TIA(跨阻放大器)1270/1310nm的APD(雪崩光电二极管),以及两个速率分别为1.25和10.3125Gbit/s的LA(限幅放大器)组成。发射端由一个10G的EML(电吸收调制激光器)和一个1.25Gbit/s的DFB(分布反馈激光器)组成,其发射波长分别为1577和1490nm。驱动电路包括数字APC(自动光功率控制)电路和用于保持10G激光器发射波长稳定的TEC(温度补偿)电路。发射和接收参数监控是根据SFF-8077iv4.5协议由单片机实现的。

  由于OLT光模块接收端采用的是突发接收,所以接收建立时间就显得尤为重要。若接收建立时间较长,将对灵敏度产生很大影响,甚至可能导致突发接收无法正常工作。根据IEEEStd802.3av协议的要求,1.25Gbit/s突发接收的建立时间必须

  <400ns,且突发接收灵敏度在误码率为10-12的条件下必须

  <-29.78dbm;而10.3125gbit/s突发接收的建立时间必须

  <800ns,澳门金沙,且突发接收灵敏度在误码率为10-3的条件下必须

  <-28.0dbm。

  10GEPON对称OLT光模块由Triplexer(单纤三向组件)、发射、接收和监控4部分组成,其中Triplexer部分包括两个激光器和一个探测器。发射的光和接收的光通过WDM(波分复用器)集成到光器件中,实现单纤双向传输,其结构如图1所示。

  发射部分由两个激光器组成,主要功能是分别将1G和10G电信号转化为光信号,并通过数字APC电路,在闭环状态下保持光功率的稳定。与此同时,单片机控制调制电流的大小,进而得到系统所需要的消光比。在10G发射电路中增加了TEC电路,极大地稳定了10G激光器输出波长。接收部分采用APD将探测的突发光信号转换成电信号,放大整形后输出。为了保证灵敏度能够达到理想变化范围,需在不同温度下对APD提供稳定高压。单片机通过控制APD高压电路来实现这一目标。

  10GEPON对称OLT光模块的接收部分采用的是突发接收方式。它要接收1.25和10.3125Gbit/s两种不同速率的突发信号,这就要求接收部分能够很好地区分这两种不同速率的光信号,以获得稳定输出的电信号。这里提出两种实现OLT光模块双速率突发接收的方案。

  由于输入光信号采用的是TDMA(时分多址)技术,所以在同一时刻只可能存在一种速率的突发光,可以通过一个1∶2的分光器对输入信号在光域下进行分离,如图2所示。或者只使用一个高速探测器,将1G和10G光信号转化为微弱的电信号,再通过带宽较大的TIA分离出两种不同速率的电信号,如图3所示。

  图2所示的第1种方案,当光通过1∶2的分光器时会带来一定的插入损耗,这就必须要对输入的光信号进行放大,因此在分光器前安装一个光放大器。分离后的光信号再通过不同速率的探测器进行光/电转换,最后得到稳定的两种电信号输出。这套方案最大的缺点是多用了一个光放大器和一个1∶2的分光器,且需要两个探测器对光信号进行转换,既增加了实现的复杂度,又提高了成本。

  图3所示的第2种方案,输入光信号只需通过一个探测器和一个TIA,便可实现在电域下的分离。这套方案的核心在于TIA的选取,它要求TIA具有1~10Gbit/s的带宽,同时TIA在该带宽内具有快速的响应度。只有通过TIA的电流参数能够快速得到响应值,接收灵敏度才能得到很好的保障。这套方案极大地降低了实现的复杂度,并使成本得到了很好的控制。我们在实际设计中一般选取第2种方案来实现双速率突发接收。

  图4为突发接收部分的硬件电路。当有突发光输入时,APD把光信号转换成微弱的电信号送入TIA,该信号经TIA放大成10G或1G的电信号。10G电信号通过TIA的正极交流耦合输入到10GLA中,1G电信号通过TIA的负极交流耦合输入到1GLA中。电容C2和C3是用来实现10G和1G交流耦合输出的耦合电容,选择使用交流耦合方式是因为它较直流耦合方式简单。但交流耦合存在电容的充放电,对信号的反应速度受充放电时间常数的影响,即不能对信号进行及时响应。这一特点势必将损失一定的接收建立时间,所以选取多大的交流耦合电容至关重要。若选取较小的耦合电容,则可以缩短建立时间,在每个时隙中ONU发射的信号能够完全接收,不会因为接收建立时间过长,导致下个时隙的到来而影响接收效果。但是过小的电容会影响耦合效果,使接收的稳定性大大降低,而较大的电容可以降低系统的抖动,提高接收端的灵敏度。因此为了兼顾接收建立时间和接收灵敏度,需选择合适的耦合电容C2和C3。另外,为了保证输入电信号的稳定,在LA的负端接入一个耦合电容和一个阻值为50Ω的匹配电阻。

  经10G(1G)LA输出的差分信号,通过由电阻R4和R5(R6和R7)以及2.0V的直流电压源组成LVPECL(低压正射极耦合逻辑)电路,直流耦合输出一对10G(1G)电信号。

  10GEPON对称OLT光模块的发射部分主要分为1.25和10G发射两个部分,分别对下行发送1490和1577nm波长的信号。以10G发射部分为例,一对10G差分信号进入CDR(时钟整形)芯片,经交流耦合到10G驱动芯片,最后差分输入进10G激光器中。由于温度变化会对激光器发射波长产生很大影响,为将波长稳定到协议(协议要求在1575~1580nm)所要求的水平,需调整TEC电路的工作电流,这样可以很好地控制输出波长。

  10GEPON对称OLT光模块的主要测试指标包括探测器的接收建立时间、接收灵敏度和发射眼图。具体测试如下:

  在上行突发光功率为-24.0dBm的正常工作环境下,以突发光源发射的光信号为测量起点,模块接收并建立完全的电信号为测量终点,忽略光在测试光纤中的时延,测得1G突发接收建立时间为76.7ns,满足

  <400ns的国际标准;10g突发接收建立时间为241.8ns,也满足

  <800ns的国际标准。

  采用1.25Gbit/s、PRBS(伪随机二进制序列)7阶码进行突发接收测试,在误码率为10-12、温度分别为0、25和75℃的条件下,测得的灵敏度分别为-31.4、-31.6和-31.1dBm。

  在全温范围内测得1G和10G激光器发射光眼图分别如图5和图6所示,发射参数分别如表1和表2所示。

  测试结果显示,发射眼图满足IEEEStd.802.3av标准中模板的要求,消光比、发射光功率均满足标准中的规定,并且在全温度范围内指标变化较小。

  本文介绍了10GEPON对称OLT光模块的基本构成,重点介绍了双速率突发接收的两种方案和10G突发接收部分的硬件电路实现。目前,武汉电信器件有限公司已经研发出10GEPON对称OLT光模块,各项测试表明该光模块性能已能达到国际水平。在不久的将来,它将在10GEPON市场上占有一席之地。

  文/李畅、高繁荣、陈寅、吴君毅(光纤通信技术和网络国家重点实验室、武汉电信器件有限公司)光通信研究