用于宽带接入网的光模块工作原理-陈伦裕

用于宽带接入网的光模块工作原理2/5/20231内容摘要光模块在光通信设备中的作用光发射组件和光发射模块基本原理光接收组件和光接收模块基本原理单纤双向(收发一体)光模块基本原理用于PON的突发式光模块光模块发展趋势光模块常见失效模式2/5/20232光模块在通信设备中的作用光模块的作用：完成光电转换和电光转换信号通过光模块实现传输媒体的转换(光纤←→铜线)2/5/20233光发射模块光发射模块是由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成右图是光发射模块的示意图2/5/20234光发射器件(FP-LD、DFB-LD)法布里-帕罗型激光二极管(FP-LD)和分布反馈激光二极管(DFB-LD)是光通信设备中最常用的半导体光发射器件,与其他激光器相比,LD具有体积小、重量轻、低功率驱动、输出光功率大、调制方便、寿命长和易于集成等一系列优点,这两种LD是目前在接入网光模块中用得最多的光发射器件2/5/20235激光二极管的特性激光二极管（LD—Laserdiode）是一个电流器件，只在它通过的正向电流超过阈值电流Ith（Threholdcurrent）时它发出激光为了使LD高速开关工作，必须对它加上略大于阈值电流的直流偏置电流IBIASLD的两个主要参数：阈值电流Ith和斜效率S（Slopeefficiency）是温度的函数，且具有较大的离散性2/5/20236LD的温度特性LD是半导体器件，它的特性与半导体二极管类似温度升高

阈值电流Ith增大

斜效率S降低为了保持输出平均光功率和消光比不变,在温度上升时要增大IBIAS和IMOD

2/5/20237光发射组件(TOSA)光发射组件是光发射模块的主要部件,其中光源(半导体发光二极管或激光二极管)是核心将LD芯片和监测光电二极管(MD)加上其他元件封装在一个紧密结构中(TO同轴封装或蝶形封装),就构成光发射组件(TOSA)2/5/20238激光二极管驱动电路驱动电路实质上就是一个高速电流开关2/5/20239驱动电路原理电路LD调制电流输出电路原理图LD直流耦合接口电路原理图2/5/202310激光器驱动电路原理图2/5/202311驱动电路结构一个典型的激光器驱动电路包括下列部分：差分电流开关电路—向LD输出调制电流偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流自动功率控制(APC)电路—在不同温度和LD老化的情况下,改变IBIAS,保持PAVG不变故障告警、保护电路调制电流、偏置电流监控电路输入端整形电路(D触发器)2/5/202312消光比消光比(re)的定义:

re=P1/P0

其中:P1是‘1’码的光功率值

P0是‘0’码的光功率值

用对数表示:

EX=10lg(P1/P2)消光比是光发射机的一个非常重要的指标,因为它反映了光信号的相对幅度2/5/202313光眼图将光发射模块输出的(NRZ码)光信号送入取样示波器,就可以观察到光信号波形的“眼图”光脉冲信号的质量都可以在光眼图上观察到光脉冲波形的上升时间、下降时间、过冲和下冲应加以控制,以免降低接收灵敏度光脉冲形状特性由眼图模板给出,眼图模板在光通信系统的标准中都已做了具体的规定2/5/202314眼图模板

155.52Mbps622.08Mbps1244.16Mbps2488.32Mbpsx1/x40.15/0.850.25/0.750.28/0.72--x2/x30.36/0.650.40/0.600.40/0.60--x3－x2------0.2/0.8y1/y20.20/0.800.20/0.800.20/0.800.25/0.75右图是ITU-TG.983.1G.984.2规定的上行光信号的眼图模板2/5/202315光眼图实例2/5/202316光接收模块光接收模块的作用是把经过传输后的微弱光信号转换为电信号,并放大、整形恢复为原输入的电信号；光接收模块的原理框图如下2/5/202317光接收器件光接收器件是利用光电效应把通信中光信号转换为电信号的光电检测器光纤通信中常用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)PIN的响应度通常为

0.65～0.97A/W(λ=0.9～1.7μm)APD是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度光电检测器,它可以使接收灵敏度提高6～10dB2/5/202318前置(跨阻)放大器经光电探测器产生的微弱信号电流,由前置放大器转换成有足够幅度的信号电压输出为适应高速率应用,前置放大器由跨阻放大器(TIA—TranimpedanceAmplifier)构成跨阻放大器就是一个I-V变换器TIA中还有AGC功能电路，以保证足够的信号动态范围跨阻放大器原理图2/5/202319光接收组件(ROSA)在高速率光模块中,通常都是将PIN(或者APD)光电二极管TIA组装在一个密封的金属外壳内,这就构成了光接收组件(ROSA)2/5/202320限幅放大器TIA输出的是模拟信号,要把它转换成数字信号才能被信号处理电路识别限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号限幅放大器LimitingAmplifier

主放大器PostAmplifier

量化器Quantizer2/5/202321限幅放大器工作原理和典型电路限幅放大器主要由三部分组成：

直流耦合多级放大器

直流漂移补偿(自动调零)电路

光功率检测告警电路(有滞回的比较器)2/5/202322接收灵敏度接收灵敏度指光接收机满足指定比特误码率(如10-10或10-12)时可接收的最小平均光功率(dBm)

这是光接收机的重要指标之一噪声是限制接收灵敏度的最主要因素右图就是误码率和信噪比的关系曲线只要知道了TIA的等效输入噪声电流,应用此曲线就可推算出接收灵敏度2/5/202323影响灵敏度的因素信号噪声比(SNR)光信号的消光比传输速率(数据比特率)抖动信号码型工作波长码间干扰2/5/202324接收机最小过载光功率最小过载光功率定义为:

接收机满足指定比特误码率(如10-10或10-12)时可接收的最大平均光功率(dBm)最小过载和灵敏度之间的差值(dB)就是接收机的动态范围接收机的过载能力主要取决于TIA的AGC性能2/5/202325误码仪(BERT)误码仪(BitErrorRatioTester)由图案发生器和误码分析仪组成它通过比较图案发生器产生的数据码和光接收机收到并转换成电信号的数据码来测试待测光接收机在不同输入光功率时的误码率2/5/202326比特误码率比特误码率(BER—BitErrorRatio)是衡量光接收机性能的最基本的参数

BER==BER的表示形式：1×10-N或者1.0E-N

(N是正整数)接收的误码比特数

被接收到的比特数在测量时间内误码数比特率×测量时间2/5/202327伪随机二进制序列(PRBS)在测试通信系统的性能时,经常使用的编码图案是不归零码(NRZ)伪随机二进制序列(PRBS—PseudoRandomBinarySequence)PRBS相当于“随机数据”(在一个序列长度内的数据‘0’和‘1’码是随机排列,且‘0’和‘1’码的数目相等),因此它的频谱特征(在有限频带内)与白噪声接近,所以它适合用于测试通信系统的性能但是这种数据的排列规则又是确定的,序列长度为

2n-1比特，每隔2n-1个比特就重复同样的一组“随机数据”,这样就为测试误码率提供了方便2/5/202328抖动抖动是数字信号的取样时刻相对于理想参考时刻位置的短时间偏离,抖动的单位是UI,即1bit码时间间隔光模块电路中的直流漂移和耦合电容都会引起输出光信号或电信号的抖动,信号的抖动会造成通信系统性能下降,因此,抖动性能也是光发射和光接收的重要指标2/5/202329抖动特性抖动传输—输出信号抖动与输入信号抖动的线性比值随频率变化的关系抖动容限—施加到接收机输入信号上引起接收灵敏度1dB代价的正弦抖动峰-峰值抖动产生—当输入无抖动信号时,输出信号产生的在规定频率范围内的抖动峰-峰值2/5/202330时钟和数据恢复(CDR)电路在数字通信系统中,码元同步是系统正常工作的必要条件时钟和数据恢复电路(ClockandDataRecovery—CDR)的作用就是在输入数据信号中提取时钟信号并找出数据和时钟正确的相位关系CDR电路大多基于锁相环(PLL)原理2/5/202331锁相环(PLL)电路基本锁相环(PLL)电路主要由三部分组成：

相位检测器(鉴相器PD)

低通滤波器(LPF)

压控振荡器(VCO)2/5/202332CDR典型电路(1)2/5/202333光收发一体模块由于微电子技术、有源和无源光器件技术的发展,将传统的分离发射、接收模块组装在同一外壳中的光收发一体模块近年来已经成为普通光模块的主流产品这种光收发一体模块的优点：

小型化—目前做到SFF、SFP封装,目前还有进一步小型化的趋势

降低成本

可靠性提高

性能提高—由于PCB缩小,寄生参数减小,高频性能提高2/5/202334光收发一体模块的构成光源（激光器）+驱动器+光电检测器 +放大器 光收发一体模块=2/5/202335单纤双向光组件(BOSA)单纤双向光组件(BOSA)是将光源(FP-LD或DFB-LD)、PIN-TIA、分光片、光纤等另部件用同轴耦合工艺全部集成于一体2/5/202336无源光网络(PON)接入有多种方式—点对点(以太网)、铜线、XDSL、无线(WLAN)、XPON等无源光网络(PON)一直被认为是光接入网中颇具应用前景的技术，它打破了传统的点到点解决方法，在解决宽带接入问题上是一种经济的、面向未来多业务的用户接入技术PON自出现以来，已经过多年的发展，形成了APON、BPON、GPONEPON等一系列概念、规范及产品序列PON作为一种点到多点的光网络，指的是信号的通道从源头到目的节点间都是通过无源器件完成的，这些无源的器件包括单模光纤光缆、无源光分束器/耦合器、连接器和接头等等2/5/202337PON技术特点PON与光模块有关的技术特点：在OLT到ONU下行方向采用TDM(TimeDivisionMultiplexing)方式,以广播方式送至每一个ONU,OLT的发送部分和ONU的接收部分都是连续工作方式ONU到OLT的上行信号的传输采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)技术;OLT的接收部分和ONU的发送部分都是突发模式工作OLT光接收机必须能够适应不同ONU信号的不同光功率,接收机需要有一个很大的动态范围,并设定判决门限,以最快的速度来判决;OLT光接收机必须能够迅速恢复从不同节点传来的每个突发信号的正确时钟,在上行信元到达OLT的前几个bits内实现快速突发比特同步ONU光发送机必须能够快速开/关;当发送机不发送时只能“泄漏”极小的光功率—比接收灵敏度低10dB2/5/202338APON/BPONAPON是基于ATM的PON其标准是G.983.1

工作速率为155Mbps622Mbps

上行光波长为1310nm

下行光波长为1550nmBPON即宽带PON是在APON基础上加上动态带宽分配(DBA)在G.983.3/.4/.5指定了标准；通常下行为622Mbps

上行为155Mbps(或622Mbps)；(G.983.1AMD下行速率可达到1.25Gbps)上行光波长为1310nm

下行光波长为1490nm

1550nm作为传输视频信号用传输码型为扰码的不归零码,CID抗扰度大于72bit2/5/202339GPONGPON(Gigabit-capablepassiveopticalnetworks)千兆无源光网络支持全方位服务－包括话音(TDM、PDH和SONET/SDH)、Ethernet(10/100BaseT)、ATM、专线等等.因此,运营商对GPON非常感兴趣物理覆盖至少20公里,逻辑支持范围60公里支持同一种协议下的多种速率模式,包括对称622Mb/s,对称1.25Gb/s，以及非对称的下行2.5Gb/s,上行1.25Gb/s及更多(将来可达到同步2.5G)

上行光波长为1310nm

下行光波长为1490nm

1550nm作为传输视频信号用传输码型为扰码的不归零(NRZ)码,CID抗扰度大于72bitITU-T已经公布GPON标准G.984.1G.984.22/5/202340EPON(GEPON)无源光以太网(EthernetPON–EPON),就是将信息封装成以太网帧进行传输的PON

传输码型是8B/10B码；

它的上、下行速率都是1.25Gbps；

上行光波长是1310nm；下行光波长是1490nm；1550nm波长作为传输视频信号用。在2000年12月,成立第一英里以太网(EFM)研究组，包括3Com、Alloptic、AuraNetworksCDT/Mohawk、Cisco、DomiNetSystems、Intel、WorldCom和WorldWidePackets等69家公司加入了这个研究组(IEEE802.3ahEFMStudyGroup)EP0N的标准：IEEEStd802.3ah-2004EPON是设备供应商所推动的,但是现在运营商已经越来越积极地推行EPON2/5/202341各种PON的工作速率和波长分配

APONBPONGPONEPON(GEPON)传输方向下行方向速率155.52Mbit/s622.08Mb/s155.52Mbit/s622.08Mb/s1244.16Mbit/s1244.16Mbit/s2488.32Mbit/s1.25Gbit/s下行方向光波长1550nm1490nm1490nm1490nm上行方向速率155.52Mbit/s155.52Mbit/s622.08Mb/s155.52Mbit/s622.08Mbit/s1244.16Mbit/s2488.32Mbit/s1.25Gbit/s上行方向光波长1310nm采用标准ITU-TG.983.11998ITU-TG.983.12003修订版ITU-TG.984.22003IEEEStd802.3ah20042/5/202342PON的时序要求2/5/202343上行数据包(信元)时间参数APON/BPON：每个信元有56字节,其中前3字节(24bits)是开销(Overhead),后53字节是净荷(Payload),3字节开销中包括防护时间、前置码和定界符;防护时间为4～10bitsGPON开销时间分配：上行速率(Mbit/s)发送使能(bits)发送关断(bits)总时间(bits)防护时间(bits)前置码时间(bits)定界符时间(bits)155.52223261016622.0888641628201244.161616963244202488.3232321926410820备注最大值最大值强制的最小值暗示的暗示的2/5/202344上行数据包(信元)时间参数EPON传输信号8B/10B码型

每8bit插入2bit,使连‘0’或连‘1’不超过5个

带宽从1000Mb变成1250Mb,带宽利用率下降发送开关时间TonToff≤512ns接收建立时间(Settlingtime)Tlr≤400ns防护时间Tg=500～1500ns2/5/202345突发模式光发送机发送关断时LD偏流Ibias=0,关断光功率输出低于灵敏度10dB

(-43～-39dBm)偏流快速开关

Ton、Toff≤12ns传统的光发送机采用平均值监测APC,在此处不能用突发式光发送机可以采用数字式峰值功率控制,或采