EPON中的ONU用收發(fā)一體模塊設計

　　1.前言

　　隨著(zhù)信息社會(huì )的快速發(fā)展，人們對信息的依賴(lài)程度越來(lái)越高，對信息量的需求越來(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；此外，隨著(zhù)人們對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)越多的替代傳統的窄帶傳輸技術(shù)。在這些新技術(shù)中，由于傳輸帶寬寬、對業(yè)務(wù)透明、易于維護和管理、升級便利、成本較低等優(yōu)點(diǎn)使得結合了成熟的以太網(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 )）系統成為一種很好的光纖寬帶接入技術(shù)方案。

　　EPON系統由OLT（光線(xiàn)路終端-Optical Line Termination）、ONU（光網(wǎng)絡(luò )單元-Optical Network Unit）和光纖配線(xiàn)單元組成，系統使用以太網(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，從ONU到OLT的為上行信號。EPON系統的數據通過(guò)不定長(cháng)的數據包傳輸，數據包長(cháng)度依照IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，最長(cháng)為1518字節。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(chēng)為廣播包，還有一些包是發(fā)給一組ONU的，稱(chēng)為多播包。數據流通過(guò)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(shí)，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(gè)ONU到OLT的上行數據通過(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，因此當數據包耦合到一根光纖中時(shí)，不同ONU的數據包之間不會(huì )產(chǎn)生碰撞。上行技術(shù)是EPON的核心技術(shù)，對于采用TDMA上行技術(shù)方案的EPON系統的主要技術(shù)包括：定時(shí)與往返延時(shí)補償技術(shù)、TDMA復用技術(shù)、帶寬動(dòng)態(tài)分配技術(shù)、初始測距和即插即用技術(shù)。

　　本文介紹用于EPON系統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(shù)要求

　　由上述的介紹可知，EPON的下行是個(gè)典型的點(diǎn)對多點(diǎn)的系統，上行是多個(gè)ONU到OLT的TDMA系統。即下行可以使用傳統的連續模式光傳輸技術(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(mǎn)足系統的要求。所以，EPON對光電模塊的技術(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(xiàn)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(mǎn)足20Km的傳輸距離。

　　b)上行線(xiàn)路的OLT處將匯集各個(gè)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(gè)ONU在沒(méi)有向OLT傳輸數據時(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(xiàn)路狀態(tài)不同，到達OLT的各個(gè)ONU光信號幅度不一，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(hù)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(mǎn)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L(cháng)C。

　　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(mǎn)足低成本要求，選擇FP-LD，其中心波長(cháng)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(guò)了可靠性考核完全滿(mǎn)足上述要求。

　　c)突發(fā)式光發(fā)射電路設計

　　與連續模式LD驅動(dòng)電路不同，突發(fā)模式的LD驅動(dòng)電路除了對驅動(dòng)電流快速調制外，對LD的偏置電流也需要開(kāi)關(guān)控制，因此LD的驅動(dòng)單元共有4個(gè)驅動(dòng)口。如圖3所示。TD+、TD-為EPON系統ONU單元發(fā)給突發(fā)模式驅動(dòng)電路的差分輸入信號，EN+、EN-為系統控制LD的開(kāi)關(guān)信號。即在需要該ONU發(fā)射光信號時(shí)，系統控制部分給EN+、EN-發(fā)來(lái)打開(kāi)信號使LD的偏置處于閾值電流以上，此時(shí)，該ONU向OLT發(fā)出正常的調制光信號；當系統控制部分給EN+、EN-發(fā)來(lái)關(guān)閉信號時(shí)，此時(shí)，該ONU不再向OLT發(fā)出光信號。此外，為保證輸出光信號的穩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

　　由于該部分是傳統的連續模式光接收方式，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(jìn)行了測試。

　　4.結論

　　目前該模塊已經(jīng)通過(guò)小批量可靠性考核；經(jīng)過(guò)儀器測試和在EPON系統上的實(shí)際使用，證明該模塊指標滿(mǎn)足IEEE802.3ah的建議要求，主要技術(shù)指標達到了國外同時(shí)期同類(lèi)產(chǎn)品水平，而且，模塊體積更小，結構符合SFF協(xié)議，給用戶(hù)的使用帶來(lái)方便。