EPON用单纤三向模块的设计

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  一  引言
    自光纤通信出现起，FTTH便被人认为接入网今后发展的必然方向，是宽带接入的终极解决方案。
    而在FTTH众多方案中，其中PON（无源光网络）又备受关注，成为了目前主流的光接入方式。我们知道PON技术在几年内经历了APON、BPON到目前的EPON、GPON。且随着以太网技术在城域网中的普及以及宽带接入技术的发展，人们更多关注1Gbit/s以上的宽带PON技术，即EPON、GPON。GPON是由ITU进行标准化工作，主要目标是实现1Gbit/s以上的接入速率。GPON的帧结构是不基于任何指定类型的格式,而是一种基于各种用户信号原有格式的封装,所以GPON在带宽利用率、业务支持方面有比较大的优势，同时这也增加了系统的复杂性，而且GPON系统对器件的要求比较严格，所以其系统的成本比较高。EPON就是把简单经济的以太技术与PON的传输结构结合起来，它采用单一的以太网帧来传输各种业务，这使得简单经济的EPON技术很受欢迎。并且EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力，其中对于视频广播，是通过扩展第三波长（1550nm）来实现的，称为RFoverlay。为了节省光纤资源，降低ONU（光网络单元）用户端的成本，通常采用单纤三向传输技术来实现这种综合业务的传输，这就是所谓的Triplex。同时用户端可实现模拟接收及数字收发的三向模块也就成为FTTH系统需要的一种关键模块。本文就是介绍这种模块的研制。
    二  RFoverlayEPON介绍
    EPON系统由OLT（OpticalLineTermination）、ONU（OpticalNetwork Unit）和光纤配线单元组成，系统使用以太网协议。光纤配线单元中的无源光分路器件将OLT的光信号分到各个ONU，一个EPON系统可以拥有一个OLT和16～32个ONU。我们称从OLT到ONU的信号为下行信号，ONU到OLT的信号为上行信号，PON上/下行信号一般都采用TDMA/TDM技术，下行信号采用TDM广播工作方式，OLT将时分复用的比特流发送到一根馈线光纤里，经光分路器进行功率分路，广播至所有的ONU，每个ONU只能取出属于本ONU 的特定时隙里的信息。而在上行方向为多点到一点，传输过程较为复杂，它采用时分多址接入（TDMA）由无源光分路器将各个ONU的信息耦合到馈线光纤并传输至OLT，这使得其上行接入方式为突发式的。这就带来一系列问题，比如光信号的突发发射、突发接收、突发同步、系统测距、动态带宽分配等问题。
    而所谓RFoverlayEPON，就是关于以太接入网（EAN）的标准IEEE802.3ah采用G.983.3协议对工作波长的规定，其数据通道工作于1490±10nm（下行）和1310±50nm（上行）波长，而CATV通道工作于1555±5nm波长。即在原有的EPON系统中，通过增加一个波长来传输CATV射频信号。PON下行信号广播的工作方式同时也是传输CATV信号的最佳方式，所以在EPON中通过增加一个波长来传输CATV信号也是最经济有效的视频接入技术。但由于CATV模拟接收机对光功率要求比较高（要求范围一般为-8dBm～+2dBm），而EPON系统的链路损耗为26dB，所以需要在局端增加EDFA把CATV光信号放大到17dBm以上，这就使光纤中受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）和受激拉曼散射（SRS）等非线性效应都可能发生[1],从而造成系统性能指标的恶化。但FTTH的光路分析以及系统测试表明，对于三向无源光网络而言，合适的光路设计方案能够以最小开销达到系统性能最优化的，它可以在20KM传输距离且分光比为1:32的BPON、EPON、GPON系统中实现三重播放（TriplePlay）业务[2]。RF overlay PON系统结构如图1所示，在用户端，一个三向模块即可以实现ONU侧所有的光电转换。
    三  RFoverlayEPON对三向模块的性能要求
    由上述介绍可知，PON的下行方向为连续的，上行接入方式为突发式的，所以EPON系统对三向模块性能要求如下：
    1）PON上行方向为点到多点的TDMA方式，即当其中一个用户工作时，其它用户处于关断状态，但此时仍有一定的光功率输出，这个光功率称为漏光功率。漏光功率的存在将会对局端OLT产生干扰，为了减少这个干扰，首先要求漏光功率尽可能的小，同时也要求上行光发射机的消光比要高。EPON系统对漏光功率的要求要小于-45dBm，消光比大于9dB。
    2）为了提高上行带宽利用率，PON对突发式光发射模块的开启/关闭所需的时间均做了规定。EPON协议规定模块的开启/关闭时间不大于512ns。
    3）对于CATV视频信号，国家广电行业标准规定：有线电视系统的载噪比（C/N）≥43dB、组合二次差拍比（C/CSO）≥54dB、组合三次差拍比（C/CTB）≥54dB[4]。这个指标要在系统的各个部分分配，所以对CATV光接收的性能要求要远远大于这些值。一般情况下，要求光接收机C/N≥50dB，非线性指标C/CSO≥60dB、C/CTB≥65 dB。
    4）EPON系统对用户段数字接收机灵敏度要求高于-26dBm。
    5）由于三向模块位于用户端，工作环境可能很恶劣，所以三向模块要价格便宜，性能稳定，可靠性高。
    四  三向模块的设计
    首先是对三向器件（Triplexer）的选用，三向器件是模块中的核心器件，它主要完成分波/合波以及模块所需的光电转换。所以对三向器件有如下要求：
    1）由前面的叙述可知模拟接收机的灵敏度低，为-8dBm～-6dBm，而数字接收机的灵敏度为-26dBm，所以在光纤传输的下行光中，1550nm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离度不高，就容易引起1550nm光波对1490nm光波的串扰，一般要求1490/1550隔离度要大于40dB[1]。
    2）由前面分析可知，CATV系统有对光接收模块有载噪比C/N和非线性指标C/CSO、C/CTB的要求。而在光接收模块中，其载噪比主要有输入光功率、PIN的响应度、PIN的量子噪声、PIN的暗电流以及前置放大器的噪声决定。所以要使接收机有较高的载噪比，除了选择合适输入光功率外，还需要对PIN的响应度和暗电流有一定的要求，一般要求其响应度大于0.9A/W，暗电流小于0.5nA。光接收模块的的非线性主要由PIN的非线性和前置放大器的非线性引起的。所以为了保证模块的非线性指标，必须对PIN及前置放大器的C/CSO、C/CTB有所要求，一情况下要求PIN的C/CSO≥70dB、C/CTB≥75dB。
    3）三向模块位于用户端，所以要选用价格便宜的PD-LD，要求波长范围1260～1360nm，RMS谱宽最大不超过3.5nm。
    4）数字接收机的灵敏度主要由PIN-TIA的灵敏度决定，除此之外还和接收信号回路的信号完整性、限幅放大器的信噪比等因素有关。所以在选择三向器件时，其灵敏度要优于系统对数字接收机要求的灵敏度。
    光迅公司研制的三向器件均满足以上要求，现已投入生产，其详细参数指标可参考文献[3]。
    三向模块中的光发射机工作在突发模式下，所以PON系统要求光发射模块具有快速开启/关闭的功能。对此除采用响应速度快的LD外，还应采取对LD偏置电流开关控制的措施来减少和补偿突发时延，所以用于突发模式下的LD驱动芯片都有四个输入端口（IN+、IN-、BEN+、BEN-），IN+、IN-为PON系统光发射模块的差分输入信号，BEN+、BEN-为LD偏置电流控制信号。除此之外，还应采用快速的APC设计来实现光功率的稳定，目前的LD驱动芯片都有此功能。另外模块还需要有温度控制电路来保证消光比的恒定。突发模式光发射电路原理图如图2(图略)所示。
    对于连续工作的接收机的设计，数字部分采用成熟的PIN-TIA与限幅放大器IC技术方案，模拟部分采用PIN与模拟跨阻放大器IC技术方案，与传统光接收机并没有什么区别。但模拟电路部分工作频率范围为47MHz～870MHz，属于射频段，对电路上的串扰和空间辐射非常敏感；同时数字部分工作速率达1.25Gbit/s，有大量的频谱分量在这个范围。在无CATV信号光输入下，驱动光发射电路，此时在模拟接收机输出端口通过频谱分析仪就可观测到数字部分对它的串扰，串扰点离散分布，若这些串扰值落在图象载频点附近，就会恶化模拟接收机的载噪比。所以在电路板设计时，其主要工作就是减小数字部分对模拟部分的电串扰，首先我们采用多层电路板设计，把辐射源和模拟电路放在不同的电路层，以增大两者之间的距离来减小它们间串扰；此外可以通过解决数字信号的完整性来降低数字信号的辐射能力。而在模块中完全消除电串扰又是不可能，所以只能使其降低到一个可接受的值，即即使串扰存在，模拟接收机的载噪比仍能满足系统的要求。
    我们对样品进行了测试，其主要性能指标如表1（略）所示。图3（图略）给出了一个典型突发时序的测试结果，其突发控制信号为负电平有效，可以看出该模块的burst-on时间为19.0ns，burst-off时间为14.3ns。
    五  结论
    本文介绍了RFoverlayEPON系统以及该系统对用户端三向模块的性能要求，分析了三向模块的设计，并对样品进行了测试，测试结果表明以上技术指标满足IEEE802.3ah协议要求。我们下一步的工作，就是对该模块进行小批量的可靠性测试，以及在实际的EPON系统中对其测试。