（微电子学与固体电子学专业论文）125gbps突发模式bicmos激光驱动器的设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆邮电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：2 沁奶 一签字日期： 枷矿年占月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庞由电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重麽整电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：l b 叼 导师签名： 豫亨 签字日期：，咭年月 阳 签字日期： 摊6 月- i l 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 高速光纤传输系统主要包括光发射机、一条光纤信道、一个光接收机。在光 发射机中，低速的数据信号在时钟信号的作用下被复接成一路高速信号，然后用 一个光发射器件，例如激光器及其驱动器，把这个高速数据信号调制到一路光波 上。载有信号的光波通过光纤信道传输到光接收机。激光器及其驱动器是光纤光 纤通信系统重要的组成部分，因此研究激光器及其驱动器具有非常重要的意义。 本文介绍了突发模式p o n 系统的历史、发展、意义；阐述了激光器的分类、 特性及其模型；分析了激光驱动器的原理，并根据它们的原理和特性设计了 1 2 5 g b p s 激光驱动器；介绍了所设计电路的各个模块电路。包括输入阻抗匹配接 口模块、基准电路、偏置电路、主信号通道电路、自动功率控制( a p c ) 电路、 温度补偿电路、突发模式、数字诊断电路、静电保护( e s d ) 电路、激光器和其驱 动器的接口电路；介绍了版图设计的技巧和提高版图性能的方法，提出了如避免 闩锁效应等寄生效应的有效方法；阐述了版图验证工具和后仿真。 电路设计采用特性半导体o 3 5 啪s i g eb i c m o s 工艺，使用的设计工具都是 c a d e n c e 公司提供的i c 设计平台：仿真工具s p e c t r e 、版图编辑工具v i n u o s o 、和 验证工具d i v a 。通过电路仿真验证了设计的准确性，达到预期的设计指标，各项 指标取得很好的效果，符合设计要求，并经过m p w 流片验证。 关键词：激光驱动器基准电压自动功率控制版图设计眼图 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t h i 曲s p e e do p t i c a l 舶e rs y s t e mc o i n p o s e so f a 仃锄s m i t t e r 、af i b e ra n dar e c e i v e r a l o ws p e e ds t r e 锄o fd a _ t at u 】瞪l st 0l l i 曲o n et op r 0 v i d e dt o 仃a l i l s m i n e r b ya m u l t i p l e x e ri n ac l o c ks i g n a l t h e nt l l el l i 曲s p e e ds 缸e 锄o fd a 诅i s 仃a n s m i t t e dt oar e c e i v e rb ya t m s m i t t e rd e v i c ew l l i c hc a nb el d ( 1 a s e rd i o d e ) 跚l dl dd r i v e r 也r o u g haf i b e r l da n d l d 嘶v e ra r ei n l p o r t a n ti 1 1o p t i c a ls y s t 锄1 k r e f o r es t u d 姐n go nl da 1 1 dl dd r i v e ri s v e 巧i i i 】【p o n a n t t h e 址s t o r ) r 、t h ed e v e l o p m e n t 锄dm e 劬c t i o no f b u r s tm o d ep o ns y s t e mw e r e i m r o d u c e d s o m ec l a l s s i f i c a t i o n 、c h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 dm o d e lo fl dw e r ed e p i c t e d n 圮 p r i n c i p l eo fl dw a sa 1 1 a l y z e d ， a n dt h e n1 2 5 g b p sl d dw 舔d e s i 弘e db a s i n go ni t s 研n c i p l ea l 】l dc h a r a c t e r i s t i c s s o m e b l o c k so fc i r c u i tw e r ea n a l y z e d s u c h 嬲i n p m i m e m i c es y 玎1 b o lc i r c u i t 、b a i l 姑印、b i 嬲、d r vc n u i t 、a u 幻m a t i cp o 、e rc o m p e i l s a t i o n c i r c u i t 、t e m p e r a _ t u r ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t 、b u r s tm o d e 、s a f el o g i cc i r c u i t 、e s d 、t 1 1 e i n t e r f a c eo fl da i l dl d “v e r 1 1 1 et e c m q u e so fl a y o u tw e r ed e s 嘶b e d 1 1 1 ea c t i v e 、a y sa b o u ta v o i d a n c eo fa u t o e c i o u se 彘c tw e r e 觚a l y z e d ， s u c ha sl a t c hu pa i l ds oo n t h es o f t v 哪eo fl a y o u tv e r i f i c a t i o na i l dp o s ts i 姗1 a t i o nw e r ei 蛐0 d u c e d 1 kd e s i 印b a s e do nc h r t o 3 5 u ms i g eb i c m o sp r o c e s s 1 h ee d at o o l su s e di n t h ed e s 咖i n c l u d e dm ec a d e n c es i m u l a t i o nt o o l - s p e c 仃e 、v i n u o s oc u s t o md e s i 印 p l a t f 0 眦a n dt h cv e r i f i c a t i o nt o o l - d a 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt 1 1 ed e s i g i l h a dag o o dp e r f o m a n c ea i l dm e e t l ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h ed e s i g n 、a sv e r i f i e db y m p w k e yw o r d s ：l d “v e rb 觚d g a p a p cl a y o u t e y ed i a 伊锄 1 1 引言1 1 2 国内外发展动态2 1 3 项目研究的目的和意义2 1 4 论文主要内容2 第二章p o n 系统4 2 1p o n 系统的原理与分类4 2 1 1p o n 系统的原理4 2 1 - 2e p o n 和g p o n 系统5 2 2 光发射模块1o 2 3 激光器。11 2 3 1 激光器的分类。1 1 2 3 2 半导体激光器的特性。1 1 2 3 3 激光器的信号模型。1 2 第三章1 2 5 g b p s 带突发模式激光驱动器设计1 4 3 1 模拟集成电路设计流程和环境1 4 3 1 1 模拟集成电路设计流程概述1 4 3 1 2 电路设计环境15 3 2 电路设计。1 6 3 2 1 输入阻抗匹配控制l8 3 2 2 基准电路( b a i l d g a p ) 1 9 3 2 3 电流偏置2 3 3 2 4 主信号通道电路2 4 3 2 5 自动功率控制( a p c ) 电路2 5 3 2 6 温度补偿电路j 2 7 3 2 7 突发模式控制。2 8 3 2 8 静电保护。2 9 3 2 9 激光驱动器与激光器的接口3 0 i h 致谢5 0 参考文献5 1 附录5 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在新型宽带应用不断涌现的情况下，接入网的压力将不断增大。现在，以高 速互联网业务、图像文件处理、网上音乐、动画下载、在线游戏、网上教育等为 代表的宽带业务发展都很迅速，带宽成为制约互联网性能的瓶颈。 高速激光驱动器广泛应用于光纤接入、消费类产品、s f p 模块、以太网等领域。 在传输高速的局域网中可在千兆以太网、a t m 局域网以及光纤信道中的光发射机 中。 随着光接入技术的推广，无源光接入( p o n ) 系统的广泛应用，突发模式高 速激光驱动器的研究变得越来越重要。 接入网a n ( a c c e s sn e t w o r k ) 是通信网演变过程中的一个新概念。电信网主要 由用户传输线路、交换系统及中继传输线路构成。接入网定义为本地交换机与用 户之间的传输网络系统，它完全或部分代替本地线分配网。引入接入网这一概念 的目的是为了用标准化的有限个接口，结合多种传输媒体( 同轴电缆、金属线对、 光纤、无线等) 来支持混合的不同类型业务的接入。常见的接入网主要有：铜线接 入、同轴电缆接入、无线接入和光纤接入。 由于光纤具有比金属传输线有许多好处的传输特性，将能给用户提供双向带 宽信号，便于用户从高速信息网中获取各类宽带信息，进行宽带的信息交换，能 使话音、数据、图像、计算机通信紧密的结合起来。 光纤接入网是指在接入网中用光纤作为主要传输媒质来实现信息传送的网络 形式。它不是传统意义上的光纤传输系统，而是针对接入网环境所设计的特殊光 纤传输网络。光纤接入网的主要特点是： 1 ) 可以传输宽带业务，传输质量佳，保密性强，抗电波干扰，可靠性高； 2 ) 网径一般较小，可不用中继器，仅在用户较多、需要分配的光功率较大时， 采用光纤放大器进行功率补偿； 3 ) 市场前景良好，应用范围广； 4 ) 投资成本高，网络管理较为复杂，远端供电较难等 根据o n u 离用户位置的远近，光接入可分为若干传输结构，主要包括：光纤 到路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t c ) 、光纤到小区( f t t z ) 、光纤到户( f t t h ) 和光纤 到办公室( f t t o ) 等。需要强调的是，f t t c 、f 1 限、f t t z 和f 1 v r h 等不是具体的 接入技术，而是建设光纤接入网的实施策略。把o n u 移至用户家中是接入网的最 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 终解决方案，即从本地局一直到用户全部都采用光纤线路，中间没有任何铜线， 也没有有源电子设备，是一种全透明的网络，可为用户提供交互式宽带业务。由 于经济上的原因、业务需求的发展和投资上的考虑等诸多因素，f t t h 这一目标不 会马上实现。但随着技术的进步，成本逐渐下降，光纤最终将进入家庭。 1 2 国内外发展动态 目前，国外有一些公司已经开发了各种高速激光器。其中最为知名的为美国 m a x i m 公司各种应用的高速激光器：主要有6 2 2 m b p s 的m a x 3 2 6 3 、1 2 5 g b p s 的m a x 3 7 3 5 等：其他的还有台湾的i c r e a t 公司推出了1 7 0 7 0 系列芯片，英国的 p h y 、o r k s 也推出了几种高速激光驱动器芯片。 国内已推出了几款高速激光驱动器芯片，如：6 2 2 m b p s 的u x 2 2 0 8 、1 2 5 g b p s 的u x 2 2 2 2 等。凭借很大的成本优势，国产的芯片获得很好的市场推广。 但突发模式高速激光器目前还不够成熟，市场上还没有销售。随着p o n 系统 的推广，国内外都在加快研究和开发符合p o n 系统要求的突发模式高速激光驱动 器芯片。 1 3 项目研究的目的和意义 由于新型宽带应用和需求的增多，发展迅速，带宽逐渐成为制约d s l 用户宽 带网性能的关键，采用p o n 系统可以解决此关键。 突发模式高速光发射模块是p o n 系统的重要组成部分，而激光驱动器是光发 射模块的核心组成部分。因此研究和开发高性能的突发模式高速激光器具有非常 重要的意义。显然，研究和设计出高速率高性能的激光驱动器是必然的发展趋势。 项目设计了1 2 5 g b p s 带突发模式的高速激光驱动器，并完成了m p w 流片，对开 发具有自主技术产权的突发模式高速激光驱动器芯片具有重要的意义。 1 4 论文主要内容 论文介绍了突发模式p o n 系统，分析了s i g eb i c m o s 工艺及其特点，描述 了光发射器的组成和原理。然后分析了1 2 5 g b p ss i g eb i c m o s 高速激光驱动器芯 片各个模块，设计了各个模块电路和版图，并作了相应的仿真和验证。经过m p w 流片验证和测试以后，对电路的性能进行优化。 第一章简要介绍了激光驱动器国内外的发展状况，课题的研究意义和论文的 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 主要内容。 第二章描述了突发模式p o n 系统的组成和原理；分析了激光器的大信号和小 信号模型。 第三章详细分析了项目设计的原理和各个模块电路，分析了偏置电路、基准 电压( b a i | d g 印) 电路，主信号通道、自动功率控制电路、温度补偿电路、突发模 式、数字诊断等模块电路，并在c a d e n c e 平台仿真了所设计的电路；介绍了c a d e n c e 版图编辑器和d i v a 验证平台，进行了版图设计和后仿真，分析了激光驱动器电路 在典型情况和最坏情况下的工作状态，验证了电路的准确性，根据验证结果对电 路进行优化。 第四章介绍了芯片的应用，并对m p w 样片进行了测试，主要测试了芯片的 调制电流( i i l l o d ) 、偏置电流、温度补偿、数字诊断时序、输出眼图、e s d 和l a t c h - u p 等各项指标，进一步验证了设计的准确性。 第五章作了最后总结，分析了设计过程中遇到的难点，并解释了如何解决这 些问题的方法，阐述了达到的结果；提出了有待解决的一些问题；最后提出了项 目研究领域的展望。 光纤接入网可分为两类：有源光网络( a o n ) 和有源光网络( p o n ) ，前者采用有 源的电复用器分路，后者采用无源的光功率分配器分路，把信息送至各用户。 本章将对p o n 系统、光发射模块、光发射器件激光器做简要的介绍。 2 1p o n 系统的原理与分类 2 1 1p o n 系统的原理 随着全球范围的i p 业务的迅猛增长，光纤骨干网的速率迅速增加，对传送网 带宽和交换系统容量的需求正以前所未有的速度增加。光纤接入网已成为光纤通 信领域的一个发展重点。p o n 以其高带宽、高可靠性和低维护费用的突出优点成 为宽带接入技术的首选方案。 p o n 系统主要由p o n 控制器、光收发模块和一些光学组件组成。 图2 1p o n 系统结构图 p o n 采用点到多点的拓扑结构，主要由局端设备o l t ( 光线路终端) ，远端设备 o n u ( 光网络单元即光网络用户) 组成由无源光分路器件将o l t 的光信号分到树形 网络的各个o n u ，一个p o n 系统可以拥有一个o l t 和8 3 2 个伪州，o n u 的数目 最多可达6 4 个。p o n 的结构图2 1 所示。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章p o n 系统 2 1 2e p o n 和g p o n 系统 p o n 主要有a p o n ( a t mp o n ) 、b p o n 、e p o n 、g p o n 几种结构这些结构其 物理层光纤传输的核心都是上行突发模式传输和下行广播传输，上行突发模式的 性能将影响网络的速率和带宽利用率。下面主要分析两种得到广泛应用的p o n 系 统：即e p o n 系统和g p o n 系统。 e p o n 技术 e p o n 技术由i e e e8 0 2 3e f m 工作组进行标准化。2 0 0 4 年6 月，i e e e 8 0 2 3 e f m 工作组发布了e p o n 标准i e e e8 0 2 3 a l l ( 2 0 0 5 年并入m e e 8 0 2 3 2 0 0 5 标准) 。在该标准中将以太网和p o n 技术相结合，在无源光网络体系 架构的基础上，定义了一种新的、应用于e p o n 系统的物理层( 主要是光接口) 规范和扩展的以太网数据链路层协议，以实现在点到多点的p o n 中以太网帧的 t d m 接入。此外，e p o n 还定义了一种运行、维护和管理机制，以实现必要的运 行管理和维护功能。 相对于b p o n 和g p o n ，e p o n 协议简单，对光收发模块技术指标要求低， 因此系统成本较低。另外，它继承了以太网的可扩展性强、对i p 数据业务适配效 率高等优点，同时支持高速i n t e m e t 接入、语音、p t v 、t d m 专线甚至c a = i v 等 多种业务综合接入，并具有很好的q o s 保证和组播业务支持能力，是目前建设高 质量接入网的重要备选技术之一。 目前，e p o n 技术已经成熟，主要体现在以下方面：经过各标准化组织、设备 和芯片制造商、运营商的共同努力，e p o n 商用芯片和光模块已经成熟，在中国电 信的主导下，已经实现了e p o n 芯片级和系统级的互通测试；e p o n 产业链也在 进一步成熟，形成了良性的市场竞争格局，设备成本进一步下降，已达到规模商 用水平。 综合考虑e p o n 的技术特点、成熟度、投资成本、业务需求、市场竞争等多 方面的因素，基于e p o n 的f m ( 系统近期主要应用于以下场景： 1 ) 公众客户综合接入 对于公众用户来说，可以采用f t t h 和f t t b c c a b 等应用模式。 2 ) 大客户、商业客户综合接入 对于商业用户，可以根据业务需求和用户规模的不同，采取不同的实施模式， 如f 1 t o 、f t t b 或f t t c 。 3 ) “全球眼”等高带宽接入 “全球眼”等对带宽( 特别是上行带宽) 要求比较高的应用可以采用e p o n 作 为接入手段 5 重庆邮电大学硕士论文第二章p o n 系统 4 ) 村村通接入 在光纤资源短缺的情况下，如村村通工程中，可采用多级分光且分光功率不 等的光分路器方案，即在只有一芯或几芯光缆资源的情况下采用功率不等光分路 器逐点汇聚。 我国e p o n 的市场驱动力主要来源于4 个方面。 1 ) 业务需求的驱动。高带宽和以p 为主导的业务应用是e p o n 主要的市场 驱动力，如高端客户的超高速上网，i p t 、，h p l e p l a y 互动流媒体业务，高质量视 频监控业务( 如治安监控、交通监控等) ，长距离宽带接入( 如村通工程、专网应 用等) 等，而且n g n 的发展使通过i p 接入提供语音业务成为趋势。预计未来三 年家庭用户的带宽需求有望增至2 0 3 0m b i 讹。 2 ) 是市场竞争的驱动。我国电信市场的竞争日趋激烈，在市场竞争过程中， 缺乏传统铜缆接入资源的运营商可以利用光接入这一有力武器向客户提供差异化 服务，而且通过光纤占领接入网市场可以占据未来竞争的制高点。随着“用户驻地 网线缆资源归属房地产”这一政策的出台，与房地产商合作部署光接入线路将成为 运营商推动“光进铜退”的重要契机。 3 ) 是降低成本的驱动。随着铜缆价格的攀升和被盗现象的频发，对于运营商 来说，光缆取代铜缆有着越来越大的吸引力，而且p o n 的应用能有效降低运维成 本，降低电耗，节省管道与设备空间。 4 ) 是政策的推动。我国部分地方政府希望借推进f 删来带动本地的光电子 产业，进而助力经济发展。此外，2 0 0 8 年奥运会和2 0 1 0 年世博会对光接入在我国 的发展也将起到积极的促进作用。 e p o n 主要有以下几方面关键技术： 1 ) 快速突发同步技术 o l t 接收从o n u 发送来的脉冲数据流，这些数据流的比特相位彼此各不相同， 而且从每个o n u 发来的短脉冲数据流的比特相位是未知的。o l t 处的比特同步必 须在每个上行o n u 短脉冲数据流期间建立，快速比特同步电路在几个比特周期内 与输入数据同步，从而把每个饼州发送的信号正确恢复出来。确定信号的某个未 知参数的最有效方法是相关，即用具有未知参数各种数值的预期信号对混入噪声 的输入信号进行相关处理。对于只需要相位恢复的情况，预期信号经过一定时延 后的所得信号和混入噪声的输入信号的互相关可以用来确定输入信号的相位。快 速比特同步电路的实现原理为：用高速时钟经过m 分相产生m 个相位不同的主时 钟，用这m 个主时钟对输入信号进行采样，然后把采样的m 组信号送到相关矩阵 进行相关运算。在相关矩阵中存储了用n 个不同相位主时钟读取的上行同步码的 样值，把采样的m 组信号与n 个存储样值进行相关运算，计算出每组信号的相关 6 重庆邮电人学硕士论文第二章p o n 系统 系数，相关系数最大的那一组信号就作为最后的输出数据。如果有一组以上信号 的相关系数相同，则取相位位于中间的那一组信号。 2 ) 测距技术 由于各个o n u 距离o l t 的光纤路径的不同和各个o n u 元器件的不一致性， 这将会造成o l t 与各个o n u 间的环路时延不同。同时由于环境温度的变化和器 件老化等原因，环路延时也会发生不断的变化。因此必须引入测距技术对上述原 因引发的时延差异进行补偿，以确保不同o n u 所发出的信号能够在o l t 处准确 地按时隙复用在一起。测距包括静态测距和动态测距，前者主要是在新的o n u 安 装调试阶段或者是停机的研叮u 重新投入运行时进行测距，以补偿各o n u 与o l l 之间的光纤长度和器件特性不同引起的延时差异；而后者是在系统运行过程中进行 测距，以补偿由于温度、光电器件老化等因素对时延特性的影响，从而能够及时 调整各个o n u 上行时隙的到达相位。 3 ) 动态带宽分配算法 所谓动态带宽分配算法就是实时地( m s 量级) 改变p o n 的各0 n u 上行带宽的 机制。目前一般p o n 系统各o n u 的带宽是像s d h 系统一样进行静态指配的。对 数据通信这样的变速率业务很不适应，如按峰值速率静态分配带宽则整个系统带 宽很快就会被耗尽，带宽利用率很低，而动态带宽分配算法( d b a ) 可使系统带宽利 用率大幅度提高。根据统计大多数用户只有1 0 的时间是在线的，通过d b a 可使 在线用户得到1 0 倍于静态分配的带宽，因此使p o n 的性价比更高。p o n 是接入 网环境下的应用系统，不同于l 悄，各o n u 之间没有( 或很少有) 通信要求，因此 p o n 的动态带宽分配算法作为系统的数据链路层协议有其自身的特点。 4 ) 复用技术 在下行方向上( 从o l t 到0 n u ) ，p o n 可看作一个点到多点的网络，o l t 可以 利用整个下行带宽。在上行方向上，p o n 是一个多点到单点的网络，即多个o n u 的数据全部都传向一个o l t 。个无源分路器连接器具有一定的方向属性，从而 使一个o n u 的传输不会被其他卟i u 监视。然而，从同一时刻不同的o n u 传输的 数据流仍然可能产生冲突。因此，在上游方向( 从用户到网络) ，p o n 应该使用一些 信道隔离机制来避免数据冲突并且公平地共享光纤信道容量和资源。 p o n 系统的复用技术主要有波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 等，在接入网 中，t d m 是光信道共享的首选方法，因为它在一个o l t 中只需采用一个上游波长， 一个收发器，这将大大节约设备成本。 对比w d m 复用技术，t d m 表现出更多优势。在一个) m 的p o n 中，从几 个0 1 州同时发送来的数据到达合成器时将会产生冲突。为了避免数据冲突，每个 0 n u 必须在自己的传输窗( 时隙) 内传输数据。采用t d m 复用技术的p o n 系统的 7 重庆邮电大学硕士论文第二二章p o n 系统 主要特点之一就是所有的0 1 w 可以工作在同一波长上，并且这些采用的是同样的 结构，同时o l t 也只需要一个接收器。根据t d m 复用技术的特性，可以在p o n 系统中通过改变分配给不同o m ，的时隙大小来改变其分配带宽，从而实现对p o n 中有限带宽的充分利用。 g p o n 技术 g p c n ( g i g a b i t c a p a b l ep o n ) 技术是基于i t u t g 9 8 4 x 标准的最新一代宽带无 源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优 点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。 基于g p o n 技术的设备基本结构与已有的p o n 类似，也是由局端的o l t ，用户 端的o n t o n u ，连接前两种设备由单模光纤和无源分光器组成的o d n ( 光分配网 络) 以及网管系统组成。相对其他p o n 系统，g p o n 主要有以下几个特点： 1 ) 支持全业务的设计 g p o n 标准的设计以支持全业务( 语音、数据和视频等) 为出发点，对t d m 类业务支持有天然优势，而且g e m 封装简单、开销低，满足了高效传输变长数据 包的要求。g p o n 不但能支持现有t d m ( 时分复用模式) 、以太网数据等业务，而 且可以满足未来新业务的传输要求。 2 ) 网管系统更完善 在网管系统方面，g p o n 标准的o a m 功能规范完善，而e p o n 标准的o a m 功 能简单，似乎g p o n 设备肯定比e p o n 设备复杂无疑。如果要满足网络运营要求， e p o n 厂商则必须在设备上扩展，实现更多的o a m 功能，结果会与g p o n 设备的 o a m 系统类似，但是e p o n 设备的很多o a m 功能却会是非标准的。 3 ) 可提供较高带宽和较远的覆盖距离 可提供较高带宽和较远的覆盖距离。g p o n 系统可以提供下2 4 8 8 g h z ，上行 1 2 4 4 g h z 的带宽。此外，g p o n 系统中一个o l t 可以支持6 4 个o n u 并支持2 0 k m 传 输。 4 ) 带宽分配灵活，有服务质量保证 g p o n 系统中采用的d b a 算法可以灵活调用带宽，能够保证各种不同类型和等 级业务的服务质量。 5 ) 故障点少，便于维护 g p o n 系统在光传输过程中不需要电源，没有电子部件，因此容易铺设，并避 免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，简化了供电，在很 大程度上节省了运营成本和管理成本。 6 ) 节约主干光缆 p o n 可以采用级联的o d n 结构，即多个光分路器可以进行级联，大大节约了 8 重庆邮电人学硕士论文第二章p o n 系统 主干光缆。 7 ) 系统扩展容易，便于升级 p o n 系统模块化程度高，对局端资源占用很少，树型拓扑结构使系统扩展容 易。 g p o n 在设备互通、网络规模部署和运营等方面具有更多优势，随着应用规模 的增大，g p c i n 设备的成本将会下降得更快。e p o n 和g p o n 一些标准参数的比较 如表2 1 所示： 表2 1e p o n 和g p o n 标准参数比较 g p o ne p o n i e e e8 0 2 3 a j l 工作组 相关标准组织i t u t g 9 8 4 标准组( e f m 工作组) 下行1 2 5g b i t s 或2 5 g b i 以上下行对称 上行1 5 5m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、 1 2 5g b i t s 支持的速率等级1 2 5g b i t s 或2 5g b i t s 支持的o d n 等 级 c 1 a s sa ，c 1 a s sb ，c l a s scc l a s sa ，c l a s sb 协议和封装格式a t m 或g f p 封装格式以8 0 2 3 协议为基础 同步方式每1 2 5 s 下行同步标志时钟标签法 测距方式数字开窗法时钟标签法 e t h e m e t ，t d m 业务能力e t h e m e t ，a t m ，t d m ( 比较困难) q o s 保证 容易 难 虽然e p o n 比g p o n 的起步早，也是我国目前p o n 应用的主流技术，但g p o n 正在奋起直追，发展前景也被看好。e p o n 在日本得到了最广泛的应用，而g p o n 得到了北美运营商的大力支持，近年来很多电信设备商投入到g p o n 设备的开发 行列，g p o n 的设备开发和技术成熟已呈加速趋势。现阶段e p o n 与g p o n 在我 国有可能并存，在进行实际网络部署时，需要对具体应用环境、设备性能和成本 等因素综合评估后进行选择。e p o n 与g p o n 间的技术竞争还会继续，两者都需 要在实践中不断完善、发展，随着技术的发展和互相借鉴，两者在产品形态、性 能、功能等方面可能会越来越靠近并最终走向统一。对于用户而言并不关心技术 本身，所需要的只是更合适的设备与更优质的服务。追求技术的适用性比追求技 术的完美性更有价值，业界应该将更多的精力放在推动“光进铜退”和解决f t t k 发 展中的实际问题方面，现阶段不必过度拘泥于细枝末节的技术之争。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章p o n 系统 2 2 光发射模块 随着信息化建设的突飞猛进，人们对于数据、语音、图像等多媒体通信的需 求日益旺盛，以太网宽带接入方式因此被提到了越来越重要的位置。但是传统的5 类线电缆只能将以太网电信号传输l o o 米，在传输距离和覆盖范围方面已不能适 应实际网络环境的需要。与此同时，光纤通信以其信息容量大、保密性好、重量 轻、体积小、无中继、传输距离长等优点在广域网等大型网络中得到了广泛的应 用。在一些规模较大的企业，网络建设时直接使用光纤为传输介质建立骨干网， 而内部局域网的传输介质一般为铜线，如何实现局域网同光纤主干网相连呢? 这 就需要在不同端口、不同线形、不同光纤间进行转换并保证链接质量。光纤收发 器的出现，将双绞线电信号和光信号进行相互转换，确保了数据包在两个网络间 顺畅传输。 光通信系统的基本构成和l d d ( 激光驱动器) 在系统中的位置如图2 2 所 示。其中主要组成包括光纤、光发送器、光接收器、光中继器以及适当的接口设 备等。其中，光发送器的功能是将来自用户端的电信号转换为光信号，然后入射 到光纤内传输。光接收器的功能是将光纤传送过来的光信号转换成电信号，然后 送往用户端。光中继器是用来增大光的传输距离，它将经过光纤传输后有较大衰 减和畸变的光信号变成没有衰减和畸变的光信号，在继续输入光纤内传输。实际 中，光发送器和光接收器安放在同一机架中，合称为光纤传输终端设备，又称光 端机。 o 州c f i b e r0 p t i c f i b e o 接收 图2 2 光纤通信系统 在发射端，由多路复接器把多路并行的数字信号复接成一路高速的数据 l o 重庆邮电大学硕士论文 7 第二章p o n 系统 流( 如1 2 5 g b p s ) 。数据流通过激光驱动器变成高电流和低电流，驱动激光器产 生不同强度的光信号，使信号通过光纤到达接收端。因为激光器输出光功率具有 负温度系数，为了得到精确的驱动电流，该驱动器芯片必须要具有温度补偿功能。 设计一个高性能的激光驱动器对提高整个光纤通信系统的性能有着至关重要的作 用。 2 3 激光器 2 3 1 激光器的分类 目前使用的主要有三种不同类型激光器眩1 ：法比f p 激光器，分布反馈式 d f b 激光器和垂直腔面发射激光器v c s e l ，三个波长范围( 8 5 0 衄，1 3 0 0 呦，和 1 5 5 0 i n ) ，两种光纤类型( 单模和多模) ，四种不同的传输技术( 串行、并行、d w d m 和c w d m ) 。 f p 激光比起d f b 更容易制造，但是由于具有相对较大的线宽( 大于1 l l i l l ) 和 温度造成的波长漂移( 0 5 m n ) ，不适合于高速或远距离应用。而d f b 激光具有线 宽较窄( 小于0 0 4 n m ) ，波长随温度变化的漂移较小( o 1 n i i l ) 的优势，完全适合于 高性能通信应用。但是，d f b 激光也有局限。第一，工作于1 5 5 0 衄波段的激光 通常需要一个外部调制器( 这种限制在1 3 0 0 姗波段时并不特别明显) 。第二，生产 d f b 激光比起f p 激光或v c s e l 更加困难。v c s e l 有相对较窄的线宽( 0 3 5 n m ) 和 非常低的波长漂移( 0 0 6 彻) ，低电流阈值( 1 i n a ) 比f p 和d f b 激光在输出同样功 率时效能更高，而且没有d f b 激光那样高的啁啾声。因此，v c s e l 甚至在1 0 g b s 时都可直接调制。最后，比起其它激光，制造和调整准直v c s e l 都比较容易，这 样就能够生产低成本基于v c s e l 的收发器。 2 3 2 半导体激光器的特性 半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、 调谐方便，是光纤通信系统理想的光源。 半导体激光器是电流驱动发光器件，只有当偏置电流大于其阈值电流i t h 时， 激光器才能发光。激光器是一个温度敏感器件，其阈值电流i t h 会随温度的升高 而增大。同时，激光器的调制效率1 1 ( 单位调制电流下激光器的出光纤纤功率， m w m a ) 会随温度的升高而减小。 图2 3 给出了激光器的p i 曲线随温度变化的情况。激光器的阈值电流还随器 重庆邮电大学硕士论文第 二章p o n 系统 件的老化而变大，使用时间越久其阈值越大。 常用的f p 、d f b 、v c s e l 三种类型激光器的阈值电流i t h 、i t h 的温度系数、 调制效率1 1 、”的温度系数都有很大的不同。激光驱动器要尽量同时满足这三种激 光器的应用要求，项目设计的激光驱动器可以同时满足f p 、d f b 、v c s e l 的应 用要求。 就是同一类型的激光器，不同厂家的产品，或者同一厂家的不同批次产品， 其p i 曲线及其温度特性也有很大的不同口1 。甚至同一批次的激光器，其产品 的差异性也是比较大的。基于激光器的敏感性和差异性，为了获得一致性好、稳 定性好的光信号，需要一个高性能的激光驱动器，对激光器的差异进行补偿。 | 、l ： 麓嗡 疋 o ，i? ， l 伽i l 绷i； i：1 戤。一。” 1 ，暇嗣 。i l 鞲 图2 3 激光器的p i 曲线随温度变化 2 3 3 激光器的信号模型 电路仿真光眼图需要建立激光器的等效电路模型h 1 ，激光器完整大信号等效 电路模型框图如图2 4 所示。包含六部分：1 ) 外部等效电路，包含外部焊盘电容、 连线电感和电阻；2 ) 电子部分，包含p n 结及寄生参数；3 ) 光电部分，包含电流、 载流子、光子或光波之间的相互作用；4 ) 光强度调制部分，处理光信号强度；5 ) 调频部分的频率和啁啾效应：6 ) 强度调制输出部分，处理输出端波的反射。采用 这个模型，可同时得到强度调制信号和调频信号，使分析通道的信号传输成为可 能。 1 2 1 3 3 1 1 模拟集成电路设计流程概述 系统规格定义 这个阶段系统工程师把整个系统和其子系统看成是一个只有输入输出关系的 “黑盒子”，不仅要对其中每一个系统进行功能定义，而且还要提出诸如功耗、时序、 面积、有关性能参数等指标的范围要求。 电路设计 根据设计要求，首先选择合适的工艺，然后选择合理的架构系统，由于模拟 集成电路的复杂性和变化多样性，目前还没有e d a 厂商能够提供完全解决模拟集 成电路设计自动化的工具。这个环节主要通过手工计算来完成。 电路仿真 设计工程师必须确认设计是正确的，为此要基于晶体管模型，借助e d a 工具 进行电路性能的评估和分析。在这个阶段要根据电路仿真结果来调整晶体管参数； 根据工艺参数的变化来确定电路的区间和限制；验证环境因素的变化对电路性能 的影响；最后还要通过电路仿真结果指导下一步的版图实现，例如版图对称性要 求、电源线的宽度等。 版图实现 电路的设计及模拟决定电路的组成和相关参数，设计工程师还要根据电路提 供集成电路的物理几何描述，即版图。在版图设计过程中需要考虑版图设计规则、 匹配、串扰、寄生效应、闩锁效应等对电路性能和可制造性的影响。 版图验证 版图的设计是否满足晶圆代工厂的制造可靠性需求，从电路到版图是否引入 新的错误。版图验证通过设计规则检查( d r c ) 和版图网表与电路原理图的比对 ( l v s ) 解决上述一些问题。 1 4 参数提取后仿真 在版图完成之前的电路仿真都是比较理想的仿真，没有考虑来自版图中的寄 生效应参数，被称为“前仿真：加入版图中的寄生效应参数进行的仿真被称为“后 仿真”。前仿真的结果满足设计要求并不代表后仿真就能满足要求。当后仿真结果 不能满足要求时，需要修改相应晶体管的参数，甚至某些地方分结构。对于高性 能的设计，这个过程需要进行多次反复，直至后仿真结果满足系统的设计要求。 3 1 2 电路设计环境 工作站环境 项目设计是在s u n 的u n 工作站环境下完成。由于e d a 软件的运行和数 据的保存需要稳定的计算机环境，集成电路设计通常采用u n 工作站环境，现 在集成电路设计都是团队协作完成的，甚至工程师在不同地点进行远程协作设计。 e d a 软件、工作站系统的资源合理配置和数据库的有效管理将是集成电路设计得 以完成的重要保障。工作站系统如图3 1 所示： g 籼a y q 簇 二、 、 、 、 i 、 、 t、 图3 1 工作站系统 p c i u r d mp g m 伺服器 c a d e n c e 软件介绍 c a d e n c e 所包含的工具涉及到e d a 的各个方面，c a d e n c ei c 是c a d e n c e 公司针 对i c 设计开发的一种软件，它包括电路图设计工具s c h e m a t i cc o m p o s e r ，电路模 拟仿真工具a n a l o ga n i s t ，版图设计工具r t u o s ol a y o u te d i t o r 。系统提供的主 要模型有c d s p i c e 、h s p i c e s 、s p e c 仃e 等，项目设计使用s p e c 慨进行电路仿真，s p e c 仃e 主要提供瞬态( t r a n s ) 、直流( d c ) 、交流小信号( a c ) 等分析。c a d e n c e 的登陆 1 5 窗口、c a d e n c e 的仿真窗口分别如图3 2 和图3 3 所示： 髟鬟l ；c 他一h g ：庇x p o 彬h o 协e ，h a n c o s 1 嗨7 鼬触o p t 啪僦岫g y 髓h e i pl 轴e tf o r 铺a t 瑚1 2