10G－EPON突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設(shè)計＊

沈雨剪，李 毅，2，李 榴，鄭秋心，黃毅澤

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點實驗室，上海 200093）

引 言

隨著全球數(shù)字化的快速推進，大容量、高速率的網(wǎng)絡(luò)已成為必然趨勢，網(wǎng)絡(luò)用戶對于視頻點播、交互式網(wǎng)絡(luò)電視、高清晰度電視等寬帶服務(wù)的需求度越來越高。據(jù)統(tǒng)計，每位用戶的帶寬需求預(yù)計將以每3年一個數(shù)量級的趨勢增長，從運營商未來的長期發(fā)展趨勢分析，每位用戶的帶寬需求將會在50～100Mbit／s之間［1］。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（ethernet passive optical network，EPON）、吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（gigabit－capable passive optical network，GPON）技術(shù)很難滿足未來寬帶業(yè)務(wù)的需求，因此迫切需要開展對下一代接入網(wǎng)技術(shù)的研究。目前討論的下一代接入網(wǎng)技術(shù)有：萬兆以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（10G－EPON），波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)以及無源光網(wǎng)絡(luò)／光載無線通信融合網(wǎng)絡(luò)等［2］。其中10G－EPON網(wǎng)絡(luò)最具發(fā)展前景，因為它不僅能提供足夠的帶寬，而且是現(xiàn)有EPON的自然升級，具有很高的性價比。

從2005年開始，IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)化工作組就著手進行10G－EPON技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。2009年9月，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布（標(biāo)準(zhǔn)號為IEEE 802.3av）。IEEE 802.3av規(guī)定了包括10Gbit／s下行和1Gbit／s上行的非對稱模式和10Gbit／s上／下行對稱模式兩種速率模式［3］。由此可以看出，10G－EPON在繼承現(xiàn)有EPON特點的基礎(chǔ)上，又提升了傳輸速率和上下行帶寬等性能指標(biāo)，已經(jīng)走在了下一代接入網(wǎng)技術(shù)的前列。

文中首先依據(jù)IEEE 802.3av標(biāo)準(zhǔn)，分析了10G－EPON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，重點介紹了10G－EPON與現(xiàn)有的EPON之間所存在的差異點。然后針對10G－EPON突發(fā)模式光收發(fā)一體模塊的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，特別是OLT端突發(fā)式接收和ONU端突發(fā)式發(fā)射所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出了相應(yīng)的設(shè)計方案。

1 10G－EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其對突發(fā)模式光收發(fā)模塊的要求

1.1 10G－EPON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，10G－EPON的物理結(jié)構(gòu)主要由光網(wǎng)絡(luò)單元（optical network unit，ONU）、光線路終端（optical line terminal，OLT）和1∶N的光分配網(wǎng)絡(luò)（optical distribution network，ODN）以及光纖組成。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多個ONU共享一條光纖通路和光分路器，這樣能較好地節(jié)省安裝和維護的成本。由OLT到ONU的數(shù)據(jù)傳輸稱為下行傳輸，采用廣播方式，各個ONU都會接收到來自O(shè)LT發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過核對物理地址來確定是否接收；相同地，由ONU到OLT的數(shù)據(jù)傳輸稱為上行傳輸，采用時分多址接入方式，每個ONU端只有在分配到的指定時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此要求10G－EPON的ONU端有支持突發(fā)式發(fā)射、OLT端有支持突發(fā)式接收的光電子器件。

10G－EPON有對稱和非對稱兩種結(jié)構(gòu)形式，非對稱10G－EPON是指下行速率達到了10Gbit／s，而上行傳輸維持1Gbit／s速率，這主要是因為考慮到技術(shù)上的難度、用戶的需求和成本等因素［4］。不過非對稱結(jié)構(gòu)只是一個過渡，最終要實現(xiàn)的是上下行對稱的10Gbit／s的傳輸。圖2是10G－EPON和現(xiàn)有EPON共存的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 10G－EPON與1G－EPON的對比［5］

和現(xiàn)有EPON技術(shù)相比，10G－EPON在帶寬、傳輸速率、分路比和平滑升級等方面具有其優(yōu)勢之處，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）10G－EPON的帶寬能力是現(xiàn)有EPON的10倍，使得運營商提供諸如高清電視和3DIPTV等高帶寬服務(wù)成為可能。

（2）10G－EPON規(guī)定了更高的光功率預(yù)算，使其能夠支持更遠的傳輸距離和更大的分路比，能夠降低光纖到戶的部署成本。

（3）10G－EPON標(biāo)準(zhǔn)充分考慮到了與現(xiàn)有EPON的共存，充分利用現(xiàn)有的ODN網(wǎng)絡(luò)，逐步實現(xiàn)EPON向10G－EPON的平滑升級。因此，在未來的應(yīng)用中，10G－EPON具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 10G－EPON對突發(fā)模式光收發(fā)模塊的要求

正是由于EPON的上行傳輸采用了時分多址接入方式，ONU必須使用具有突發(fā)式光發(fā)射功能的模塊，OLT則要具備突發(fā)式接收數(shù)據(jù)的能力。從1G升級到10G的難點之一主要集中在光突發(fā)器件上，其性能要求因速率的提升而大大增加。突發(fā)器件的研制需要解決突發(fā)發(fā)射、突發(fā)接收和快速同步等問題。因為速率達到了10.312 5Gbit／s，要在非常短的時間內(nèi)實現(xiàn)ONU激光器的正常發(fā)光和關(guān)斷，以及在OLT接收端的快速功率適應(yīng)和同步，故對半導(dǎo)體器件性能要求進一步提高。目前業(yè)界已經(jīng)有川崎微電子、Vitesse和MindSpeed公司可以提供10G－EPON突發(fā)模式收發(fā)器件。

為了實現(xiàn)現(xiàn)有EPON和10G－EPON的兼容共用，同時由于在波長分配方面的特殊性，因此對所要制備的突發(fā)模式光收發(fā)模塊也提出了不一樣的要求。根據(jù)IEEE 802.3av標(biāo)準(zhǔn)，10G－EPON網(wǎng)絡(luò)下行傳輸使用的波段是1 575～1 580nm，而現(xiàn)有EPON網(wǎng)絡(luò)的下行波長的范圍是1 480～1 500nm，因此ONU端可以采用波分復(fù)用的方式接收不同速率的信號。然而，在上行方向上，10G－EPON使用的波段為1 260～1 280nm，EPON的上行波長范圍在1 260～1 360nm之間，因兩者出現(xiàn)了重疊，不能簡單地通過波分復(fù)用的方式進行區(qū)分，需要采用雙速率的時分多址接入方式。因此對OLT端的接收機提出了更高的要求，要能夠正確快速地接收1G／10G兩種傳輸速率的數(shù)據(jù)。

2 OLT端雙速率突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對上述分析的情況，設(shè)計了應(yīng)用于10G－EPON網(wǎng)絡(luò)中OLT端的雙速率突發(fā)模式光收發(fā)模塊，圖3為該模塊原理結(jié)構(gòu)框圖。該模塊主要由兩大部分組成：傳統(tǒng)的突發(fā)模式光收發(fā)模塊以及過采樣速率達82.5GS／s的突發(fā)式時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路［6］。傳統(tǒng)的突發(fā)式光收發(fā)模塊包括帶有快速自動增益控制／自動閾值控制（AGC／ATC）功能的雙速率突發(fā)式光接收電路以及10G／1G的光發(fā)射電路，通過一個三向模塊，將它們集成封裝在XFP管殼內(nèi)。突發(fā)式時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路由82.5GS／s的過采樣速率的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)專用IC芯片和基于數(shù)據(jù)選擇邏輯電路的現(xiàn)場可編程門陣列（field－programmable gate array，F(xiàn)PGA）兩部分構(gòu)成。

圖3 10G－EPON OLT端雙速率突發(fā)模式光收發(fā)模塊原理框圖Fig.3 Block diagram of the dual－rate burst－mode transceiver for 10G－EPON OLT

在發(fā)送端，考慮到有些ONU用戶只能接收1Gbit／s的廣播信號，所以在設(shè)計的時候仍保留現(xiàn)有EPON OLT發(fā)射端的電路。并在此基礎(chǔ)上進行升級，增加了對10G信號的驅(qū)動調(diào)制輸出電路，從激光器響應(yīng)速度等方面考慮，選用了將電吸收調(diào)制器與激光器封裝在一起的高功率電吸收調(diào)制激光器輸出10G光信號［7］，通過光纖和光放大器進行傳輸。

2.2 雙速率數(shù)據(jù)接收

在10G－EPON系統(tǒng)中，OLT端接收到的上行信號中包含有1Gbit／s和10Gbit／s兩種速率的數(shù)據(jù)，要求OLT能對這兩種速率的數(shù)據(jù)信號進行快速檢測并分離，這是OLT端突發(fā)式光收發(fā)一體模塊設(shè)計的難點所在。

如圖4所示，目前主要有兩種實現(xiàn)方式：可以將接收到的雙速率突發(fā)信號在光域中分離或是在電域中分離［8］。在光域中［圖4（a）］，首先光分光器對接收到的光信號分路，再引入各自的探測器進行光電轉(zhuǎn)換，其后可接一個寬帶優(yōu)化的濾波器，提高接收機的靈敏度。可是由于使用了分光器，進而引入3dB的損耗，對整個系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的影響。因此在設(shè)計的時候，現(xiàn)更多的是將信號在電域中進行分離［圖4（b）］，只需使用一個光探測器和一個前置放大器，大大簡化了OLT接收端的復(fù)雜度。然而光電探測器和前置放大器要具備快速處理兩種速率信號的能力，并針對1Gbit／s和10Gbit／s兩種速率能進行頻繁的切換，還要求在400ns內(nèi)完成對突發(fā)光信號的轉(zhuǎn)換，這對器件的要求就大大提高。目前器件供應(yīng)商Mindspeed公司已經(jīng)研制出了適用于雙速率下的前置放大器（M02138），其特征是可以在1Gbit／s和10Gbit／s的雙速率條件下工作［9］，該公司還研制出了10G速率的限幅放大器芯片（M02142）。

圖4 雙速率接收方式Fig.4 Two ways of dual－rate receiving method

同時，設(shè)計時還要考慮接收端具有AGC和ATC的功能。AGC電路允許對不同幅值、不同功率的信號都能以合適的增益放大，方便后級電路進行處理；ATC電路要求用合適的閾值電平對信號進行整形和再生成。此外，突發(fā)模式的時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的功能是對光突發(fā)式接收電路傳來的經(jīng)整形后的具有隨機相位的光信號進行再定時，有利于提取正確的信號。

3 ONU端突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設(shè)計

圖5為10G－EPON ONU端的突發(fā)模式光收發(fā)一體模塊的結(jié)構(gòu)框圖。ONU端光收發(fā)模塊設(shè)計成尺寸為78.0mm×18.3mm×8.5mm的XFP封裝，且功耗控制在2.8W以內(nèi)（＋3.3V和＋5.5V電源供電）。主要由3部分構(gòu)成：單纖雙向組件、直流耦合的突發(fā)式LD驅(qū)動電路和連續(xù)式接收電路。單纖雙向組件是由TOSA（光發(fā)射次模塊，將發(fā)射1 270nm波長的EML激光器和背光檢測二極管封裝成TO結(jié)構(gòu)）、ROSA（光接收次模塊，高靈敏度的APD－TIA構(gòu)成）和濾光片（波分復(fù)用濾光片）所構(gòu)成。

為了滿足應(yīng)用于10G－EPON的要求，在發(fā)射模塊中額外設(shè)計了一個預(yù)偏置電流產(chǎn)生電路，其主要功能是保證在ONU指定的發(fā)射時隙內(nèi)快速數(shù)據(jù)調(diào)制并輸出光信號。在閾值電流以下，激光器沒有信號輸出。一旦驅(qū)動電流達到閾值電流后，激光器就能輸出信號，且輸出信號的強度和驅(qū)動電流成正比。因此，激光器輸出帶有調(diào)制信號的激光都需要一定的等待時間，而10G－EPON系統(tǒng)中需要器件都能快速響應(yīng)，因此這是一個需要解決的問題?，F(xiàn)設(shè)計了激光器預(yù)偏置電流產(chǎn)生電路，在兩個數(shù)據(jù)幀之間保護時隙的末端，對激光器進行預(yù)偏置，使驅(qū)動電流稍低于閾值電流。這樣，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，就能很快開啟激光器，輸出帶有調(diào)制信息的光信號，這種方式有效地減少了激光器的響應(yīng)時間。另外，由于激光器很容易受到溫度的影響，故在發(fā)射電路中需加上自動功率控制和自動溫度控制電路，使激光器輸出功率有比較恒定的值，并且在工作期間也不會引起溫度的過高變化，避免惡化激光器的輸出信號。

圖5 10G－EPON ONU端突發(fā)模式光收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of burst－mode transceiver for 10G－EPON ONU

4 結(jié) 論

隨著三網(wǎng)融合的具體實施，面對不斷增長的帶寬需求，EPON和GPON在一兩年后將難以滿足，而10G－EPON則能提供足夠的帶寬?？梢灶A(yù)計從明年開始10G－EPON將會大規(guī)模商用［10］，將逐漸完成升級并最終成為主流。

作為10G－EPON系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，突發(fā)模式光收發(fā)一體模塊對于其發(fā)展和推進起著重要的作用。文中分別針對OLT端和ONU端的突發(fā)模式光收發(fā)模塊的特點和難點展開研究，并進行了理論分析和原理設(shè)計。在OLT端，對其整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，主要包括連續(xù)模式的1G／10G信號的調(diào)制和發(fā)射、雙速率突發(fā)模式信號的接收和高速的時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，重點分析了其難點技術(shù)——雙速率接收方式，提出了可行的解決方法。在ONU端，為了節(jié)約制備成本，選用了單纖雙向組件，并結(jié)合突發(fā)式激光驅(qū)動電路和連續(xù)式接收電路構(gòu)成整體的設(shè)計，通過增加產(chǎn)生預(yù)偏置電流的電路，優(yōu)化了激光器的快速響應(yīng)時間，提高了系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)。相關(guān)設(shè)計對于今后10G－EPON突發(fā)模式光收發(fā)一體模塊的研究和制備，有著重要的指導(dǎo)意義。

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