EPON用單纖三向模塊的設(shè)計(jì)

（武漢光迅科技股份有限公司，武漢  430074）

一  引言
    自光纖通信出現(xiàn)起，F(xiàn)TTH便被人認(rèn)為接入網(wǎng)今后發(fā)展的必然方向，是寬帶接入的終極解決方案。而在FTTH眾多方案中，其中PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）又備受關(guān)注，成為了目前主流的光接入方式。我們知道PON技術(shù)在幾年內(nèi)經(jīng)歷了APON、BPON到目前的EPON、GPON。且隨著以太網(wǎng)技術(shù)在城域網(wǎng)中的普及以及寬帶接入技術(shù)的發(fā)展，人們更多關(guān)注1Gbit/s以上的寬帶PON技術(shù)，即EPON、GPON。GPON是由ITU進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1Gbit/s以上的接入速率。GPON 的幀結(jié)構(gòu)是不基于任何指定類型的格式,而是一種基于各種用戶信號(hào)原有格式的封裝,所以GPON在帶寬利用率、業(yè)務(wù)支持方面有比較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且GPON系統(tǒng)對(duì)器件的要求比較嚴(yán)格，所以其系統(tǒng)的成本比較高。EPON就是把簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的以太技術(shù)與PON的傳輸結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，它采用單一的以太網(wǎng)幀來(lái)傳輸各種業(yè)務(wù)，這使得簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的EPON技術(shù)很受歡迎。并且EPON具有同時(shí)傳輸TDM、IP數(shù)據(jù)和視頻廣播的能力，其中對(duì)于視頻廣播，是通過(guò)擴(kuò)展第三波長(zhǎng)（1550nm）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，稱為RF overlay。為了節(jié)省光纖資源，降低ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）用戶端的成本，通常采用單纖三向傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種綜合業(yè)務(wù)的傳輸，這就是所謂的Triplex。同時(shí)用戶端可實(shí)現(xiàn)模擬接收及數(shù)字收發(fā)的三向模塊也就成為FTTH系統(tǒng)需要的一種關(guān)鍵模塊。本文就是介紹這種模塊的研制。

二 RF overlay EPON介紹
    EPON系統(tǒng)由OLT（Optical Line Termination）、ONU（Optical Network Unit）和光纖配線單元組成，系統(tǒng)使用以太網(wǎng)協(xié)議。光纖配線單元中的無(wú)源光分路器件將OLT的光信號(hào)分到各個(gè)ONU，一個(gè)EPON系統(tǒng)可以擁有一個(gè)OLT和16～32個(gè)ONU。我們稱從OLT到ONU的信號(hào)為下行信號(hào)，ONU到OLT的信號(hào)為上行信號(hào)，PON上/下行信號(hào)一般都采用TDMA/TDM技術(shù)，下行信號(hào)采用TDM廣播工作方式，OLT將時(shí)分復(fù)用的比特流發(fā)送到一根饋線光纖里，經(jīng)光分路器進(jìn)行功率分路，廣播至所有的ONU，每個(gè)ONU只能取出屬于本ONU 的特定時(shí)隙里的信息。而在上行方向?yàn)槎帱c(diǎn)到一點(diǎn)，傳輸過(guò)程較為復(fù)雜，它采用時(shí)分多址接入（TDMA）由無(wú)源光分路器將各個(gè)ONU的信息耦合到饋線光纖并傳輸至OLT，這使得其上行接入方式為突發(fā)式的。這就帶來(lái)一系列問(wèn)題，比如光信號(hào)的突發(fā)發(fā)射、突發(fā)接收、突發(fā)同步、系統(tǒng)測(cè)距、動(dòng)態(tài)帶寬分配等問(wèn)題。

    而所謂RF overlay EPON，就是關(guān)于以太接入網(wǎng)（EAN）的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ah采用G.983.3協(xié)議對(duì)工作波長(zhǎng)的規(guī)定，其數(shù)據(jù)通道工作于1490±10nm（下行）和1310±50nm（上行）波長(zhǎng)，而CATV通道工作于1555±5nm波長(zhǎng)。即在原有的EPON系統(tǒng)中，通過(guò)增加一個(gè)波長(zhǎng)來(lái)傳輸CATV射頻信號(hào)。PON下行信號(hào)廣播的工作方式同時(shí)也是傳輸CATV信號(hào)的最佳方式，所以在EPON中通過(guò)增加一個(gè)波長(zhǎng)來(lái)傳輸CATV信號(hào)也是最經(jīng)濟(jì)有效的視頻接入技術(shù)。但由于CATV模擬接收機(jī)對(duì)光功率要求比較高（要求范圍一般為-8dBm～+2dBm），而EPON系統(tǒng)的鏈路損耗為26dB，所以需要在局端增加EDFA把CATV光信號(hào)放大到17dBm以上，這就使光纖中受激布里淵散射（SBS）、自相位調(diào)制（SPM）和受激拉曼散射（SRS）等非線性效應(yīng)都可能發(fā)生[1],從而造成系統(tǒng)性能指標(biāo)的惡化。但FTTH的光路分析以及系統(tǒng)測(cè)試表明，對(duì)于三向無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)而言，合適的光路設(shè)計(jì)方案能夠以最小開(kāi)銷達(dá)到系統(tǒng)性能最優(yōu)化的，它可以在20KM傳輸距離且分光比為1:32的BPON、EPON、GPON系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三重播放（Triple Play）業(yè)務(wù)[2]。RF overlay PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在用戶端，一個(gè)三向模塊即可以實(shí)現(xiàn)ONU側(cè)所有的光電轉(zhuǎn)換。

三 RF overlay EPON對(duì)三向模塊的性能要求
   由上述介紹可知，PON的下行方向?yàn)檫B續(xù)的，上行接入方式為突發(fā)式的，所以EPON系統(tǒng)對(duì)三向模塊性能要求如下：
1）PON上行方向?yàn)辄c(diǎn)到多點(diǎn)的TDMA方式，即當(dāng)其中一個(gè)用戶工作時(shí)，其它用戶處于關(guān)斷狀態(tài)，但此時(shí)仍有一定的光功率輸出，這個(gè)光功率稱為漏光功率。漏光功率的存在將會(huì)對(duì)局端OLT產(chǎn)生干擾，為了減少這個(gè)干擾，首先要求漏光功率盡可能的小，同時(shí)也要求上行光發(fā)射機(jī)的消光比要高。EPON系統(tǒng)對(duì)漏光功率的要求要小于-45dBm，消光比大于9dB。
2）為了提高上行帶寬利用率，PON對(duì)突發(fā)式光發(fā)射模塊的開(kāi)啟/關(guān)閉所需的時(shí)間均做了規(guī)定。EPON協(xié)議規(guī)定模塊的開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間不大于512ns。
3）對(duì)于CATV視頻信號(hào)，國(guó)家廣電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：有線電視系統(tǒng)的載噪比（C/N）≥43dB、組合二次差拍比（C/CSO）≥54dB、組合三次差拍比（C/CTB）≥54dB[4]。這個(gè)指標(biāo)要在系統(tǒng)的各個(gè)部分分配，所以對(duì)CATV光接收的性能要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值。一般情況下，要求光接收機(jī)C/N≥50 dB，非線性指標(biāo)C/CSO≥60 dB 、C/CTB≥65 dB。
4）EPON系統(tǒng)對(duì)用戶段數(shù)字接收機(jī)靈敏度要求高于-26dBm。
5）由于三向模塊位于用戶端，工作環(huán)境可能很惡劣，所以三向模塊要價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，可靠性高。

四 三向模塊的設(shè)計(jì)
   首先是對(duì)三向器件（Triplexer）的選用，三向器件是模塊中的核心器件，它主要完成分波/合波以及模塊所需的光電轉(zhuǎn)換。所以對(duì)三向器件有如下要求：
1）由前面的敘述可知模擬接收機(jī)的靈敏度低，為-8dBm～-6dBm，而數(shù)字接收機(jī)的靈敏度為-26dBm，所以在光纖傳輸?shù)南滦泄庵校?550nm的光波功率要比1490nm光波功率大20dB以上，如果三向器件中分波器的隔離度不高，就容易引起1550nm光波對(duì)1490nm光波的串?dāng)_，一般要求1490/1550隔離度要大于40dB[1]。
2）由前面分析可知，CATV系統(tǒng)有對(duì)光接收模塊有載噪比C/N和非線性指標(biāo)C/CSO、C/CTB的要求。而在光接收模塊中，其載噪比主要有輸入光功率、PIN的響應(yīng)度、PIN的量子噪聲、PIN的暗電流以及前置放大器的噪聲決定。所以要使接收機(jī)有較高的載噪比，除了選擇合適輸入光功率外，還需要對(duì)PIN的響應(yīng)度和暗電流有一定的要求，一般要求其響應(yīng)度大于0.9A/W，暗電流小于0.5nA。光接收模塊的的非線性主要由PIN的非線性和前置放大器的非線性引起的。所以為了保證模塊的非線性指標(biāo)，必須對(duì)PIN及前置放大器的C/CSO、C/CTB有所要求，一情況下要求PIN的C/CSO≥70 dB、C/CTB≥75 dB。
3）三向模塊位于用戶端，所以要選用價(jià)格便宜的PD-LD，要求波長(zhǎng)范圍1260～1360nm ，RMS譜寬最大不超過(guò)3.5nm。
4）數(shù)字接收機(jī)的靈敏度主要由PIN-TIA的靈敏度決定，除此之外還和接收信號(hào)回路的信號(hào)完整性、限幅放大器的信噪比等因素有關(guān)。所以在選擇三向器件時(shí)，其靈敏度要優(yōu)于系統(tǒng)對(duì)數(shù)字接收機(jī)要求的靈敏度。

光迅公司研制的三向器件均滿足以上要求，現(xiàn)已投入生產(chǎn)，其詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)可參考文獻(xiàn)[3]。

    三向模塊中的光發(fā)射機(jī)工作在突發(fā)模式下，所以PON系統(tǒng)要求光發(fā)射模塊具有快速開(kāi)啟/關(guān)閉的功能。對(duì)此除采用響應(yīng)速度快的LD外，還應(yīng)采取對(duì)LD偏置電流開(kāi)關(guān)控制的措施來(lái)減少和補(bǔ)償突發(fā)時(shí)延，所以用于突發(fā)模式下的LD驅(qū)動(dòng)芯片都有四個(gè)輸入端口（IN+、IN-、BEN+、BEN-），IN+、IN-為PON系統(tǒng)光發(fā)射模塊的差分輸入信號(hào)，BEN+、BEN-為L(zhǎng)D偏置電流控制信號(hào)。除此之外，還應(yīng)采用快速的APC設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)光功率的穩(wěn)定，目前的LD驅(qū)動(dòng)芯片都有此功能。另外模塊還需要有溫度控制電路來(lái)保證消光比的恒定。突發(fā)模式光發(fā)射電路原理圖如圖2(圖略)所示。

    對(duì)于連續(xù)工作的接收機(jī)的設(shè)計(jì)，數(shù)字部分采用成熟的PIN-TIA與限幅放大器IC技術(shù)方案，模擬部分采用PIN與模擬跨阻放大器IC技術(shù)方案，與傳統(tǒng)光接收機(jī)并沒(méi)有什么區(qū)別。但模擬電路部分工作頻率范圍為47MHz～870 MHz，屬于射頻段，對(duì)電路上的串?dāng)_和空間輻射非常敏感；同時(shí)數(shù)字部分工作速率達(dá)1.25Gbit/s，有大量的頻譜分量在這個(gè)范圍。在無(wú)CATV信號(hào)光輸入下，驅(qū)動(dòng)光發(fā)射電路，此時(shí)在模擬接收機(jī)輸出端口通過(guò)頻譜分析儀就可觀測(cè)到數(shù)字部分對(duì)它的串?dāng)_，串?dāng)_點(diǎn)離散分布，若這些串?dāng)_值落在圖象載頻點(diǎn)附近，就會(huì)惡化模擬接收機(jī)的載噪比。所以在電路板設(shè)計(jì)時(shí)，其主要工作就是減小數(shù)字部分對(duì)模擬部分的電串?dāng)_，首先我們采用多層電路板設(shè)計(jì)，把輻射源和模擬電路放在不同的電路層，以增大兩者之間的距離來(lái)減小它們間串?dāng)_；此外可以通過(guò)解決數(shù)字信號(hào)的完整性來(lái)降低數(shù)字信號(hào)的輻射能力。而在模塊中完全消除電串?dāng)_又是不可能，所以只能使其降低到一個(gè)可接受的值，即即使串?dāng)_存在，模擬接收機(jī)的載噪比仍能滿足系統(tǒng)的要求。

    我們對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，其主要性能指標(biāo)如表1（略）所示。圖3（圖略）給出了一個(gè)典型突發(fā)時(shí)序的測(cè)試結(jié)果，其突發(fā)控制信號(hào)為負(fù)電平有效，可以看出該模塊的burst-on時(shí)間為19.0ns，burst-off時(shí)間為14.3ns。

五 結(jié)論
    本文介紹了RF overlay EPON系統(tǒng)以及該系統(tǒng)對(duì)用戶端三向模塊的性能要求，分析了三向模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明以上技術(shù)指標(biāo)滿足IEEE802.3ah協(xié)議要求。我們下一步的工作，就是對(duì)該模塊進(jìn)行小批量的可靠性測(cè)試，以及在實(shí)際的EPON系統(tǒng)中對(duì)其測(cè)試。