微型CWDM設(shè)備的收發(fā)光模塊設(shè)計探討

［梁家勝］

微型CWDM設(shè)備的收發(fā)光模塊設(shè)計探討

［梁家勝］

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）系統(tǒng)，即稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)，或稱粗波分復(fù)用技術(shù)，作為一種經(jīng)濟實用的短距離WDM傳輸系統(tǒng)，在城域網(wǎng)應(yīng)用中越來越受到大家的認可并已經(jīng)實用化。CWDM可應(yīng)用于大都市和城域接入網(wǎng)，在我國電信運營商有廣闊的應(yīng)用前景。CWDM設(shè)備中光收發(fā)模塊是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的核心器件，微型化設(shè)計是趨勢，是提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和可維護性的必然途徑。

CWDM 城域網(wǎng) 接入網(wǎng)

梁家勝

現(xiàn)任職廣州匯信特通信技術(shù)有限公司，從事光電轉(zhuǎn)換器，粗波分產(chǎn)品，光放大，光保護器等光通信產(chǎn)品研發(fā)工作，其中微型粗波分產(chǎn)品獲得國家創(chuàng)新項目獎。

引言

在我國沿海發(fā)達地區(qū)，一些市話光纜纖芯使用率已達70%～80%；過去的城域網(wǎng)以SDH網(wǎng)絡(luò)占主導地位，當時主要考慮傳輸話音，因此無論帶寬提供還是接口種類，它們都難以適應(yīng)傳輸新興業(yè)務(wù)的需要；另一方面，現(xiàn)在越來越多的用戶要求電信服務(wù)商提供端到端的波長或子波長出租業(yè)務(wù)。這些需求和現(xiàn)狀正好可以用低成本的CWDM設(shè)備加以解決，而不必新增光纜和拋棄過去的設(shè)備，避免了挖地溝、埋管道等市政建設(shè)帶來的麻煩和長時間的建設(shè)工期。在建設(shè)大城域網(wǎng)（BMAN）方面，用CWDM系統(tǒng)與高性能路由交換設(shè)備結(jié)合，可從路由交換端口直接驅(qū)動光傳輸設(shè)備，因此這種配置可方便地構(gòu)成寬帶IP城域網(wǎng)。

說明：

OTU--------光波轉(zhuǎn)換單元，Optical Transform Unit

OPM----光保護模塊，Optics ProtectionModule

CWDM---粗波分復(fù)用，Coarse Wavelength Division Multiplexing

DWDM--- 密集波分復(fù)用，Dense Wavelength Division Multiplexing

3R---------信號整型、放大、時鐘再現(xiàn)。

MCU-----微處理器，Microprocessor Control Unit

CWDM系統(tǒng)中，微型CWDM設(shè)備的關(guān)鍵光模塊有OTU發(fā)射模塊和OPM接收模塊，是CWDM設(shè)備中的重要器件，其設(shè)計方案和工藝方法是保證器件模塊的可靠性和技術(shù)性能，從而保證設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定運營。下面介紹一種微型CWDM光收發(fā)模塊的設(shè)計方案。

1　OTU模塊設(shè)計

1.1性能需求

① 實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。

② 速率滿足9.8Gbit/s到12.Gbit/s范圍內(nèi)。

③ 信號得到3R整形。

1.2 OTU模塊設(shè)計的框圖（如圖1）

圖1　OTU模塊設(shè)計的框

OTU模塊主要由CWDM光收發(fā)模塊，用戶端收發(fā)模塊，光傳輸?shù)臅r鐘，數(shù)據(jù)恢復(fù)控制電路，網(wǎng)管接口電路，指示電路，開關(guān)設(shè)置控制電路及信息狀態(tài)電路等組成。

CWDM端的光收發(fā)模塊接收來自遠端的光信號，經(jīng)CWDM端的光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)光傳輸?shù)臅r鐘，數(shù)據(jù)恢復(fù)控制電路進行信號處理和同步時鐘整形后，將信號送至用戶端的光收發(fā)模塊，用戶端的光收發(fā)模塊將處理后的電信號轉(zhuǎn)換的光信號送至用戶端，同樣，用戶端傳送過來的光信號以同樣的方式轉(zhuǎn)換后將處理后的光信號發(fā)送至遠端CWDM/DWDM系統(tǒng)。

信息狀態(tài)電路通過I2C總線的形式向網(wǎng)管提供OTU上的狀態(tài)信息，同時光傳輸控制電路和網(wǎng)管接口電路通過網(wǎng)管接口向網(wǎng)管提供模塊的工作狀態(tài)及信號處理信息。

開關(guān)設(shè)置電路是對光傳輸控制電路進行相應(yīng)的設(shè)置，以控制模塊傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)。

指示燈電路相應(yīng)指示模塊及部分電路是否正常工作。

1.3 接收信號處理和發(fā)送信號處理

接收信號處理最重要是實現(xiàn)3R，3R即為信號整型、放大、時鐘再現(xiàn)，其模塊設(shè)計框圖如圖2。

圖2　接收信號處理和發(fā)送信號處理的設(shè)計框

圖2為接收信號處理和發(fā)送信號處理的設(shè)計框圖，在接收信號處理鏈上，從光模塊接收到的光信號，被送入可編程的均衡器，均衡器作用是通過編程，保障寬帶接收，同時將輸入信號調(diào)至一個目標值，使得限幅放大器有一個穩(wěn)定的、寬帶的輸入信號。限幅放大器將信號放大之后送入CDR模塊，CDR模塊完成這樣的功能：將信號進行整形，同時從輸入信號提取信號時鐘，將時鐘再定時。CDR電路輸出有兩個信號，一個信號是時鐘信號，另一個是數(shù)字信號。時鐘信號分別送給高速數(shù)據(jù)緩沖器（FIFO）和數(shù)據(jù)鎖相環(huán)消抖電路。數(shù)據(jù)鎖相環(huán)消抖電路作用是根據(jù)當前的時鐘，自動產(chǎn)生穩(wěn)定的目標頻率的VCO信號，把VCO頻率送給FIFO電路。FIFO電路將接收到的數(shù)字信號、時鐘信號及VCO頻率信號進行重新組合，形成新串行信號，這信號經(jīng)放大器放大，送給目標設(shè)備。

在發(fā)送信號處理鏈上，發(fā)送信號的處理方法與接收信號相同，只有不同的地方是發(fā)送信號處理鏈上的數(shù)據(jù)鎖相環(huán)消抖電路，有兩個信號時鐘輸入，一個是從發(fā)送信號提取的時鐘，一個是接收信號提取的時鐘。其目的是最終的發(fā)送信號，含有與接收信號的時鐘同步。

1.4 模塊的波長轉(zhuǎn)換實現(xiàn)

波長轉(zhuǎn)換實現(xiàn)主要由CWDM光收發(fā)模塊，用戶端收發(fā)模塊組成。

CWDM端的光收發(fā)模塊接收來自遠端的光信號，經(jīng)CWDM端的光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)光傳輸?shù)臅r鐘，數(shù)據(jù)恢復(fù)控制電路進行信號處理和同步時鐘整形后，將信號送至用戶端的光收發(fā)模塊，用戶端的光收發(fā)模塊將處理后的電信號轉(zhuǎn)換的光信號送至用戶端，同樣，用戶端傳送過來的光信號以同樣的方式轉(zhuǎn)換后將處理后的光信號發(fā)送至遠端CWDM系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換的目的。

1.5 OUT模塊的作用

OUT模塊是CWDM系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊，其作用是實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，信號3R處理。CWDM系統(tǒng)中主要是在一條光纖上靠不同的波長，傳輸不同的業(yè)務(wù)。有了OTU模塊，將光波中的很多波長展開出來，傳輸更多的業(yè)務(wù)。

2　OPM模塊設(shè)計

OPM模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，如圖3。

圖3　OPM模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)

光路1+1保護：OPM模塊的發(fā)送端光路通過分光器分成兩路，送入發(fā)送的線路端。兩路接收光路通過光開關(guān)選擇，選一路送入OPM模塊，MCU根據(jù)指令或者兩路接收光信號強弱來控制光開關(guān)選擇。

光信號處理模塊：將光信號進行放大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變成開關(guān)量的數(shù)字信號。

MCU和門陣列芯片組成網(wǎng)管接口電路，為網(wǎng)管控制OPM模塊或者讀取OPM模塊數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)通道。

圖3中光信號處理模塊部分原理方框圖見圖4。

圖4　光信號處理模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)

光電流經(jīng)過對數(shù)放大器放大，送到電子開關(guān)，電子開關(guān)選擇被測的通道接入低通濾波器，再由A/D轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，數(shù)字信號送至單片機。

關(guān)鍵器件是對數(shù)放大器：ADL5310，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5：

圖5　對數(shù)放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADL5310功能、特性：

功能：ADL5310可同時對兩路光路進行對數(shù)放大，放大之后兩路獨立輸出。

特性：ADL5310輸出電壓/輸入光電流曲線圖6：

圖6　ADL5310輸出電壓/輸入光電流曲線圖

可見ADL5310對數(shù)放大器輸出電壓與輸入光電流采呈現(xiàn)線性關(guān)系。

PIN管的響應(yīng)電流和輸入光功率具有如下特性曲線圖7：

圖7　光電流-光功率曲線

由圖7光電流-光功率曲線可以看出光功率與光電流也是近似線性關(guān)系，綜合上兩種特性的線性關(guān)系，得出對數(shù)放大器輸出電壓與PIN管輸入光功率的關(guān)系，見圖8。

圖8　對數(shù)放大器輸出電壓/輸入光功率曲線

可以看到輸入光功率0-60dBm范圍內(nèi)對數(shù)放大器輸出的電壓跟輸入的光功率是近似線性關(guān)系，從而保證了OPM模塊對光功率監(jiān)測的準確性。

3　結(jié)語

城域網(wǎng)的特點是傳輸距離較短，因此，低成本、易開通、應(yīng)用靈活的CWDM為城域接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的連接提供了全新的解決方案，設(shè)備的微型化，可靠性高。易于安裝維護是CWDM設(shè)備的要求，故對CWDM的關(guān)鍵模塊的設(shè)計是CWDM設(shè)備的關(guān)鍵所在，進一步改進和探討其設(shè)計的合理性、穩(wěn)定性，可靠性對城域網(wǎng)的發(fā)展有重要意義，對運營商的經(jīng)營成本也有重要影響。

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.07.015