ATM-PON中突发模式光发射机是如何设计的

1、ATM-PON中突发模式光发射机是如何设计的摘要：本文介绍了ATM-PON系统是一个粗波分复用系统，对突发模式光发射机而言，频率的啁啾不是系统的主要限制因素，消光比和关断光功率是其主要考虑的设计影响因素，光发射机一般采用光源直接调制的方式。对于ATM-PON系统，针对上行传输速率为155Mb/s时，对突发模式光发射机作了电路设计。在电路设计中采用锁相环频率合成器产生155MHz时钟源系统。通过驱动光发射模块NTR-2632，产生光信号，测定出突发光发射机的输出参数：消光比为10dB，发射光功率为-10.5dBm。关键词：ATM-PON；消光比；突发模式光发射机Abstract:In the p

2、aper,ATM-PON system is a system of the CWDM (crude wavelength division multiplex),in the design of the burst-mode optical transmitter,extinction ratio and light-off optical power is considered the main factor to design and the chirp of the frequency is not the main factor of the confine.We use the s

3、tyle of directly modulation of the optical source.Aiming at the 155Mb/s up-stream velocity of ATM-PON system,we design the circuit of the burst-mode optical transmitter. In the circuit design 155MHz system clock source is generated by PLL Frequency Synthesizer.Through optical transmitter module by d

4、riving NTR-2632,producing optical signals, output parameters of a burst-mode optical transmitter can be measured:the extinction ratio of 10dB, launched optical power of-10.5dBm.Keywords:ATM-PON;Extinction ratio;Burst-mode optical transmitter目前的ITU-T G.983建议规定：ATM-PON中数字信号的标称比特率是8kHz的整倍数。标称线路速率有三种：一种

5、是上行和下行均为155.52Mb/s；另一种是下行为622.08Mb/s、上行为155.52Mb/s；再一种是下行和上行均为622.08Mb/s的对称速率。双向传输方法主要有两种：第一种采用单纤波分复用方式，即采用粗波分复用(CWDM)，以降低成本，即两个波长分别工作在1310nm和1550nm；第二种方式采用单向双纤空分复用，工作在1310nm波段，以便充分利用低成本的光源。APON采用点到多点的拓扑结构，主要由局端设备OLT(光线路终端)，远端设备ONU(光网络单元)组成。由无源光分路器将OLT的光信号分到树形网络的各个ONU。一个APON系统可以拥有一个OLT和8-32个ONU，ONU的

6、数目最多可达64个。1-3APON系统利用无源单星/双星结构及特殊的点对多点的多址协议使得多个光网络单元共享一个光线路终端。APON的点对多点的网络结构和时分多址(TDMA)的工作方式决定了其上行信号是以突发模式工作的。光突发发送电路要求能够迅速地开启和关断，迅速建立信号，在指定的时间区间内完成光信号的发送，以免与其他信号发生冲突。对于APON系统而言，由于其传输一般采用单纤双向传输，在上下行方向采用不同的波长进行传输，其为一种粗波分复用(CWDM)系统，频率啁啾对系统而言是不是主要的影响因素，而且传输速率较低(155Mb/s或622Mb/s)，故一般采用直接调制方式。 4-6一、突发式发射机

7、重要技术指标突发式光发射机应用在系统远端设备ONU中，数量多、工作环境差，一般在室外放置，所以对它的要求比较苛刻，即要具有高的电气性能、高可靠性、低成本等特点。突发式光发射电路与普通(连续)光发射电路工作方式有很大的区别。（一）突发式光发射电路是多路指令发射，当其中一路发射时，其它多路指令都处于关断状态，所以突发式光发射电路的工作空度比很大。因此，APC电路就不能采用平均功率控制，而必须采用峰值功率控制。（二）在APON系统上行工作过程中，因为是多点对一点的TDMA的工作方式，所以在其中一个远端的ONU设备处于发射信号的时隙时，其它远端的ONU设备应该处于“关断”状态，但是总会有一定的光功率漏

8、出。由于一个APON系统局端设备(OLT)可能对接多台远端设备(ONU)，所以多路ONU设备造成的背景光叠加影响信号的传输。因此要求发射模块有较小的关断光功率。（三）APON系统时点对多点的光通信系统，对上行光发射口消光比要求比较高，因为在APON系统中多路光信号的幅度不一致，大小光信号幅度相差比较大，因此希望逻辑0电平尽量的小，以避免与小信号幅度太接近。二、消光比控制所谓消光比，定义为全“1”码时的平均输出光功率P1与全“0”码时平均输出光功率P0之比。即：ER=10lg(P1/P0) (1)ER取决于LD的P-I特性，预偏置电流和数字信号调制特性。不同的LD，在预偏置电流和调制电流相同时，

9、其ER和LD微分效率(斜率效率)，一般是不同的。LD预偏置下的光是一种无用信号，它的存在降低了信噪比。因此，ER的大小在一定程度上反映了光发射信号信噪比。根据数字信号误码率特性分析，信噪比越小，则误码率越大。发射模块需要有稳定的输出，这就要求消光比也是恒定的。但通常目前提高突发式光发射模块的消光比往往和输出功率的稳定相矛盾。要获得较大的消光比，就需要给激光器设置合适的偏置电流，并且通过控制偏置电流的大小来保持输出光信号的恒定7。对于突发式光发射模块，保持恒定的输出是很重要的。设置一个合适的LD偏置电流对于减少激光器的开关延时，减小振荡是必要的。对于很多激光器而言，仅仅在一个很小的偏置电流的范围

10、和调制电流范围内才能获得理想的输出。随着温度的升高激光器的阈值增大以及斜度效率下降，这样驱动器就需要提供一个合适的偏置电流和调制电流的增量来保持输出光功率的稳定。补偿激光器这种阈值和斜度效率随温度变化的特性的一种方法是用自动功率控制环和温度探测器。驱动器根据温度设置一个调制电流的预定值。光探测器上的电流与平均输出光功率是成线性关系的，这样自动功率控制(APC)环路根据探测器上的光电流来确定偏置电流。三、自动光功率控制和自动温度控制为了稳定激光器的输出功率，需要在发射机中具有自动功率控制(APC)电路。APC电路一般利用一只与LD封装在一起的PIN二极管检测LD后向输出的光信号，根据PIN输出的

11、大小而自动地改变LD的偏置电流，使其输出功率保持恒定。可能引起激光器输出功率变化的两个因素是芯片温度的变化和激光器的老化效应。LD的P-I特性随温度变化，温度变化主要影响激光器阈值电流，LD的阈值电流Ith随温度呈指数变化8，如式(2)所示：Ith(T)=I0exp(T/T0) (2)式中I0为常数，是T=T0时阈值电流的1/e。T为LD的绝对温度(K)，T0为特征温度，与构成有源区的材料、结构有关，其大小表征LD对温度的敏感程度，如果随着激光器表面温度的变化自动地调整其阈值电流Ith，调整的方法是依据式(2)使光发射机的偏置电流Ib与LD的阈值电流Ith总是为一常数，即Ib- Ith常数，不

12、随温度变化，这样基本上可以满足突发光发射机的设计要求。至于激光器的老化引起的光功率衰减，由于影响不大，且是长期效果，不影响一帧内信号幅度的稳定，一般可以不考虑。激光器的射频特性与器件的偏置电流关系很大。当偏置电流超过阈值时，光功率会线性增加，而且会使消光比减小。激光器的频率特性(如噪声、频响、失真)与光功率的平方根(或超过阈值的偏置电流)成比例。光发射机中激光器的光输出功率必须非常稳定，否则必然会影响到传输网络的稳定性。而激光器的阈值电流、偏置电流和光输出功率都与激光器的工作温度有密切的关系。激光器的内部发热都将使其性能大大降低。因此需要采用自动温度控制(ATC)。四、突发式发射机驱动电路设计

13、对于155Mb/s上行的突发模式光发射机，采用直接调制光发射机。对于直接调制光发射机，光源注入偏置电流和调制电流，就能发射光信号，光源接上驱动电路就构成了光发射机的主体部分。在电路设计中采用锁相环频率合成器产生155MHz时钟源系统。通过驱动光发射模块NTR-2632，产生光信号，测定出突发发射机的输出参数：消光比为10dB，发射光功率为-10.5dBm。对于激光二极管的驱动电路，设计时考虑重点在于：LD必须进行偏置，偏置电流Ib大小与阈值电流Ith接近，这样可以减小电光延迟时间也张驰振荡；驱动脉冲电流IP的峰值的取值使IP+Ib=(1.21.3) Ith，以避免结发热及码型效应9。ECL差分

14、驱动电路中，晶体管T1和T4管构成两个射极跟随器，主要起隔离缓冲作用。晶体管T5构成一个恒流源，用以对LD提供调制电流。晶体管T2和T3构成对LD调制电流的开关电路。射极耦合逻辑ECL(Emitter-Coupled Logical)电路的逻辑电平为(采用负电源VEE-5.2V)：高电平为-0.9V，低电平为-1.7V。该电路的工作原理如下：当ECL输入为高电平：T1管的基极偏置电压为VbT1-1.7V，T1，D1管的电平位移为1.4V，T2管的基极偏置电压为VbT2-3.1V；T4管的基极偏置电压为VbT4-0.9V，T4，D2管的电平位移为1.4V，T3管的基极偏置电压为VbT3-2.3V

15、，VbT3VbT2，T2截至，T3导通。电流源通过T3驱动LD输出光功率P1。当ECL输入为低电平：T1管的基极偏置电压为VbT1-0.9V，T1，D1管的电平位移为1.4V，T2管的基极偏置电压为VbT2-2.3V；T4管的基极偏置电压为VbT4-1.7V，T4，D2管的电平位移为1.4V，T3管的基极偏置电压为VbT3-3.1V，VbT2VbT3，T3截至，T2导通。T5电流源通过T2接到地。五、结束语本文分析了突发式发射机重要技术指标，对消光比进行了计算和分析。对于155Mb/s上行的突发模式光发射机，采用直接调制光发射机。设计了射极耦合逻辑ECL(Emitter-Coupled Logical)驱动电路，该驱动电路具有如下的特点：T2和T3工作在非饱和开关状态，满足高速要求；电流源供电，稳定时对电源无影响；消光比高，可以加偏置提高速率。参考文献：1原荣.宽带光接入网.北京:电子工业出版社,19992梁继高,张晓颖等.无