10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 磊

（江蘇奧雷光電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

在光纖通信高速發(fā)展的今天，PON 技術(shù)以其公認(rèn)的高帶寬、長距離、多業(yè)務(wù)、低成本以及易維護(hù)等特點(diǎn)，成為當(dāng)前各運(yùn)營商首選的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入模式。但是，隨著用戶對(duì)帶寬需求的不斷提高，現(xiàn)有1G EPON 網(wǎng)絡(luò)成為瓶頸。同時(shí)，隨著OLT 接入能力的不斷提升，用戶數(shù)量也在飛速增長。因此，速率的大幅提升成為當(dāng)前的關(guān)注熱點(diǎn)，而10G EPON接入技術(shù)是最好的解決方案。10G EPON 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上仍然延續(xù)了1G EPON 的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)從1G EPON 到10G EPON 的平滑升級(jí)，不僅能與1G EPON 完全共用ODN 系統(tǒng)，還能夠直接與EPON ONU 互通。10G EPON OLT 既滿足原有的1G 業(yè)務(wù)，又兼顧了10G 業(yè)務(wù)，同時(shí)10GEPON 對(duì)稱OLT 光模塊也是10G EPON 非對(duì)稱OLT 光模塊的升級(jí)，直接將上行速率提升到10.312 5 Gb/s，極大地滿足了用戶對(duì)上行帶寬的需求。

1 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊簡介

10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊采用的是上行突發(fā)接收和下行連續(xù)發(fā)射的工作模式，主要由單纖三向組件（Triplexer）、發(fā)射電路、接收電路和控制電路組成。Triplexer 由2 個(gè)發(fā)射器件和1 個(gè)接收器件組成。其中，發(fā)射器件由一個(gè)波長為1 577 nm 的10.3125G 的電吸收調(diào)制激光器（Electro-absorption Modulator Laser，EML）和一個(gè)波長為1 490 nm 的1.25G 的分布反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）組成。接收器件是由一個(gè)雪崩二極管（Avalanche Photodiode，APD）和一個(gè)兼容1G 和10G 的突發(fā)接收功能的跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）組成，接收波長分別為1 310 nm 和1 270 nm。

2 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的設(shè)計(jì)方案

2.1 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的發(fā)射原理

10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的發(fā)射電路由5 個(gè)部分組成，分別是1G 激光器驅(qū)動(dòng)電路、10G 激光器驅(qū)動(dòng)電路、激光器、TEC 控制電路和外部電吸收調(diào)制器控制電路（Electro-Absorption Modulator，EAM）。其中：1G 和10G 激光器驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是讓兩個(gè)激光器分別發(fā)出光信號(hào)；TEC 控制電路是穩(wěn)定10G 光信號(hào)的發(fā)射波長；EA 電路主要是調(diào)制10G 光信號(hào)。差分輸入的電信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)過芯片調(diào)制后輸入到激光器，再由激光器轉(zhuǎn)變成光信號(hào)輸出[1]。10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的發(fā)射結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊發(fā)射結(jié)構(gòu)

2.2 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的接收原理

10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的接收電路有4 個(gè)部分組成，分別是1G 突發(fā)信號(hào)接收電路、10G 突發(fā)信號(hào)接收電路、APD 升壓電路和接收信號(hào)強(qiáng)度指 示（Received Signal Strength Indication，RSSI）采樣保持電路組成。由于OLT 的工作采用時(shí)分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA），在同一時(shí)間，只能出現(xiàn)一種速率的光信號(hào)[2]。所以，接收部分需要一個(gè)探測器（Avalanche Photodiode，APD）和一個(gè)可以工作在1～10 Gb/s 帶寬的TIA，把微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變成微弱電信號(hào)，再分別通過1G和10G 的接收電路（限幅放大器）輸出一定幅度的電信號(hào)。10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的接收結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊接收結(jié)構(gòu)

3 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的電路設(shè)計(jì)

3.1 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的發(fā)射電路

10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊有1.25G 和10G 兩個(gè)發(fā)射，分別對(duì)應(yīng)1 490 nm 和1 577 nm 兩個(gè)波長的信號(hào)，在電路設(shè)計(jì)上選擇MAX3738 和GN7151作為兩個(gè)激光器的驅(qū)動(dòng)芯片。其中，1 577 nm 的波長采用EML 激光器，采用外調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光。具體設(shè)計(jì)如圖3 和圖4 所示。

圖3 10G 發(fā)射電路

圖4 1G 發(fā)射電路

3.2 TEC 電路

為了保持10G發(fā)射波長穩(wěn)定在1 575～1 580 nm，在10G 發(fā)射電路中增加了TEC 控制電路，使10G激光器的工作溫度不會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，極大地穩(wěn)定了10G 激光器輸出波長。TEC 控制芯片選擇小封裝、驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A 的MAX8521。具體設(shè)計(jì)如圖5 所示[3]。

圖5 TEC 控制電路

3.3 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的接收電路

圖6 為突發(fā)接收的硬件設(shè)計(jì)電路。當(dāng)有微弱光信號(hào)輸入時(shí)，APD 把接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入TIA。經(jīng)過TIA 的放大，再把電信號(hào)輸入到限幅放大器（Limiting Amplifier，LA）。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到最理想的接收靈敏度，選擇兩級(jí)PA 對(duì)1G和10G 信號(hào)進(jìn)行放大處理。第一級(jí)放大電路是把TIA 的輸出信號(hào)先經(jīng)過高速的限幅放大器SY88063進(jìn)行第一級(jí)放大，輸出信號(hào)再經(jīng)過第二級(jí)限幅放大器SY88903 和SY88063 分 別 輸 出1G 和10G 電 信號(hào)。在整個(gè)接收部分，TIA 的選取至關(guān)重要，既要求TIA 具有1～10 Gb/s 的帶寬，又要求TIA 在該帶寬內(nèi)具有快速的響應(yīng)。具體設(shè)計(jì)如圖6 所示。

3.4 采樣保持電路

實(shí)際應(yīng)用中，ONU 發(fā)出的光大小不一樣，且由于每個(gè)ONU 和OLT 的距離不一樣，導(dǎo)致實(shí)際到達(dá)OLT 的光功率會(huì)有一個(gè)較大的光功率范圍。這就要求OLT 可以接收不同的大光信號(hào)和小光信號(hào)，同時(shí)要采樣和上報(bào)這些接收到的光信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)上，選擇DS3923 實(shí)現(xiàn)這一功能，具體電路如圖7所示。

3.5 升壓電路

此部分電路是提供APD 接收器件正常工作需要的高壓，以保證接收的高靈敏度要求。由于采用的是APD 型接收器，需要利用升壓電路給APD 接收器提供一個(gè)高壓偏置。升壓芯片是升壓電路正常工作的關(guān)鍵，決定了接收性能的好壞。設(shè)計(jì)中，選擇DC-DC Boost 芯片和倍壓電路實(shí)現(xiàn)升壓。具體電路如圖8 所示。

圖6 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的接收電路

圖7 10G 接收光功率的采樣保持電路

3.6 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)光模塊正常工作的流程控制，對(duì)相關(guān)芯片進(jìn)行參數(shù)配置和ADC 與DAC 的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)激光器的偏置電流（Ibias）、調(diào)制電流（Imod）、APD 升壓、TEC 工作溫度以及EA 偏置電壓的功能與控制。此外，10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊還需滿足SFF 8472 標(biāo)準(zhǔn)[4]，對(duì)光模塊的工作電壓、工作溫度、偏置電流、發(fā)射光功率和接收光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和上報(bào)。具體設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖8 升壓電路

圖9 10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊的控制電路

4 測試結(jié)果及分析

根據(jù)IEEE 802.3av 協(xié)議的要求，1.25 Gb/s 發(fā)射光功率在2～7 dBm，且突發(fā)接收靈敏度在誤碼率為10-12的條件下必須＜-29.78 dBm；而10.312 5 Gb/s發(fā)射光功率在2～5 dBm，且突發(fā)接收靈敏度在誤碼率為10-3的條件下必須＜-28.0 dBm[5]。對(duì)于10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊，可以從發(fā)射眼圖、10G 發(fā)射波長、突發(fā)接收靈敏度等方面來評(píng)估光模塊的主要性能，具體測試如下。

4.1 發(fā)射的主要指標(biāo)

在0～70 ℃的工作溫度下，1G 的發(fā)射眼圖、10G 的發(fā)射眼圖和波長分別如圖10、圖11 和圖12所示，發(fā)射參數(shù)如表1 和表2 所示。

圖10 1G 激光器發(fā)射眼圖

圖11 10G 激光器發(fā)射眼圖

圖12 10G 激光器發(fā)射波長

表2 10G 激光器發(fā)射性能

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在0～70 ℃的工作溫度下，1G 和10G 的發(fā)射眼圖分別滿足IEEE 802.3ah 和IEEE 802.3av 標(biāo)準(zhǔn)中的模板要求，且光功率變化較小，10G 發(fā)射波長在規(guī)定要求內(nèi)。

4.2 接收靈敏度

1.25G 接收采用PRBS 27-1 碼型進(jìn)行突發(fā)接收測試，誤碼率為10-12；10.3125G 接收采用PRBS 231-1 碼型進(jìn)行突發(fā)接收測試，誤碼率為10-3。接收靈敏度如表3 所示。

表3 接收靈敏度

以上測試結(jié)果顯示，1G 和10G 接收靈敏度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且全工作溫度范圍內(nèi)變化較小，滿足要求。

5 結(jié)語

本文介紹了PON 網(wǎng)絡(luò)中的10G EPON 對(duì)稱OLT光模塊，重點(diǎn)介紹了10G EPON 對(duì)稱OLT 光模塊硬件電路的設(shè)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，各性能指標(biāo)都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。