用于无源光网络(PON)的突发模式光模块

用于无源光网络（PON）的

突发式光模块无源光网络（PON)通信网络中从共享网络分配到到最终用户端的网络叫做接入网接入有多种方式—点对点（以太网）、铜线、xDSL、无线（WLAN）、xPON等无源光网络（PassiveOpticalNetwork─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、GPON、EPON等一系列概念、规范及产品系列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2023/11/202术语PON（PassiveOpticalNetwork）无源光网络ATM（AsynchronousTransferMode）异步转移模式APON（ATMPassiveOpticalNetwork）基于ATM的无源光网络BPON（BroadbandPassiveOpticalNetwork）宽带无源光网络GPON（Gigabit-capablepassiveopticalnetworks）千兆无源光网络EPON（EthernetPassiveOpticalNetwork）基于千兆以太网的无源光网络(在日本、韩国又称GEPON)OLT（OpticalLineTermination）光线路终端,有时又叫局端ONU（OpticalNetworkUnit）光网络单元,有时称做远端或用户端2023/11/203术语突发模式信号（Burst-ModeSignal）初始相位和幅度各不相同的数据包（信元）信号防护时间（GuardTime）为避免信元冲突，在两个连续信元之间提供的时间间隔前置码（Preamble）为方便提取相位以获得比特同步和接收信号幅度恢复，在信元前部加入前置码‘101010……’定界符（Delimiter）一种用于指示信元开始的特殊码型，它可用于执行字节同步连续相同数字（CID－ConsecutiveIdenticalDigit）2023/11/204PON的结构2023/11/205上行光信号2023/11/206PON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bit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10dB2023/11/207APON/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1550nmG.983.1AMD下行速率可达到1.25GbpsBPON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）；

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72bit2023/11/208BPON622Mbit/s下行方向光接口技术参数2023/11/209

ItemsUnitSpecificationsOLT发送NominalbitrateMbit/s622.08Operatingwavelengthnm1480～1500Linecode

ScrambledNRZMaskofthetransmittereyediagram

SeeFigure6/G.983.1MinimumORLofODNdB＞32ODNClass

ClassAClassBClassCMeanlaunchedpowerdBm-5.5～-3-0.5～+4-0.5～+4ExtinctionratiodB＞10SLMLaserMaximum-20dBwidthnm1ONU接收Biterrorratio-10E-10MinimumsensitivitydBm-26.5-26.5-31.5MinimumoverloaddBm-6-6-11Consecutiveidenticaldigitimmunitybit＞72Jittertolerance

SeeG.983.1TolerancetothereflectedopticalpowerdB＜10BPON622Mbit/s上行方向光接口技术参数2023/11/2010

ItemsUnitSpecificationsONU发送NominalbitrateMbit/s155.52Operatingwavelengthnm1260～1360Linecode

ScrambledNRZMaskofthetransmittereyediagram

SeeFigure7/G.983.1MinimumORLofODNdB＞32ODNClass

ClassAClassBClassCMeanlaunchedpowerdBm-7.5～-3-2.5～+2-0.5～+4LaunchedopticalpowerwithoutinputtothetransmitterdBmlessthanMinsensitivity-10ExtinctionratiodB＞10MLMLaser–MaximumRMSwidthnm5.8Jittertransfer

SeeG.983.1Jittergenerationfrom0.5kHz～1.3MHzUIp-p0.2OLT接收Biterrorratio-10E-10MinimumsensitivitydBm-28.5-28.5-31.5MinimumoverloaddBm-8-8-11ConsecutiveidenticaldigitimmunityBit＞72Jittertolerance

SeeG.983.1TolerancetothereflectedopticalpowerdB＜10GPON的传输速率GPON的传输速率可以有多种当前，默认GPON就是

1244.16Mbit/s(UP)

2488.32Mbit/s(DOWN)现在也有公司推出2488.32Mbit/s对称传输速率的光模块传输方向额定比特率下行1244.16Mbit/s2488.32Mbit/s上行155.52Mbit/s622.08Mbit/s1244.16Mbit/s2488.32Mbit/s2023/11/20111.25Gbit/sGPON上行方向光接口技术参数2023/11/2012ONU发送NominalbitrateMbit/s1244.16Operatingwavelengthnm1260～1360Linecode

ScrambledNRZMaskofthetransmittereyediagram

Figure3MinimumORLofODNdB＞32ODNClass

ABCMeanlaunchedpowerMINdBm-3-2+2MeanlaunchedpowerMAXdBm+2+3+7LaunchedopticalpowerwithoutinputtothetransmitterdBmLessthanMinsensitivity-10MaximumTxEnableBit16MaximumTxDisableBit16SLMLaserMaximum-20dBwidthnm1Jittertransfer–SeeG.984.2Jittergenerationfrom4.0kHzto10.0MHzUIp-p0.33OLT接收Biterrorratio

＜10E-10MinimumsensitivitydBm-24-28-29MinimumoverloaddBm-3-7-8ConsecutiveidenticaldigitimmunityBit＞72TolerancetothereflectedopticalpowerdB＜1010GGPON由于对带宽的需求日益增长，近年来开始出现下行速率达10Gbps的GPON系统2010年10月ITU-T制定了10GGPON的标准：G.987，其与光模块有关的部分是G.987.2─10-Gigabit-capablepassiveopticalnetworks(XG-PON):Physicalmediadependent(PMD)layerspecification标准中规定了下行速率为9.95328Gbit/s

下行光波长为1575～1580nm

上行速率为2.48832Gbit/s

上行光波长为1260～1280nm目前在G.987中只规定了非对称10GGPON系统，所以把这种系统命名为XG-PON12023/11/2013XG-PON1下行方向光接口要求2023/11/2014XG-PON1上行方向光接口要求2023/11/2015XG-PON1上行方向光接口要求(续)2023/11/2016EPON(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、AuraNetworks

CDT/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EPON2023/11/2017EPON技术参数2023/11/20181000BASE-PX20-D（下行）和1000BASE-PX20-U（上行）发送部分技术特性Description1000BASE-PX20-D1000BASE-PX20-UUnitNominaltransmittertypeLongwaveLaserLongwaveLaser

Signalingspeed(range)1.25±100ppm1.25±100ppmGbit/sWavelength(range)1480～15001260～1360nmRMSspectralwidth(max)见表60-7nmAveragelaunchpower(max)+7+4dBmAveragelaunchpower(min)+2-1dBmExtinctionratio(min)66dBRIN15OMA(max)-115-115dB/HzTransmittereyemaskdefinition{X1,X2,Y1,Y2,Y3｛0.22,0.375,0.20,0.20,0.30｝UITon(max)N.A.512nsToff(max)N.A.512nsOpticalreturnlosstolerance(max)15dBTransmitterreflectance(max)-10dB2023/11/20191000BASE-PX20-D（下行）和1000BASE-PX20-U（上行）接收部分技术特性Description1000BASE-PX20-D1000BASE-PX20-UUnitSignalingspeed(range)1.25±100ppm1.25±100ppmGbit/sWavelength(range)1260～13601480～1500nmBiterrorratio(max)10E-12

Averagereceivepower(max)-6-3dBmReceivesensitivity(max)-27-24dBmReceiverreflectance(max)-12dBTreceiver_settling(max)400N.A.nsStressedeyejitter(min)0.280.25UIpk-pkJittercornerfrequency637637KHz10GEPONIEEE制定了10GEPON的标准：IEEE802.3av-2009它的传输速率：

非对称式─下行10.3125Gbit/s，连续模式，上行1.25Gbit/s突发模式

对称式─下行10.3125Gbit/s，连续模式，上行10.3125Gbit/s突发模式

双速率（共存）非对称式─下行10.3125GBd和1.25Gbit/s共存，连续模式，上行1.25Gbit/s，突发模式

双速率（共存）对称式─下行10.3125Gbit/s和1.25Gbit/s共存，连续模式，上行1.25Gbit/s和10.3125Gbit/sTDMA共存，突发模式10G速率的信号偏码方式为64B/66B2023/11/202010GEPONOLT发射端光接口要求2023/11/2021参数名称单位规范值10GBASE–PR–D1,10GBASE–PR–D3,10/1GBASE–PRX–D1,10/1GBASE–PRX–D310GBASE–PR–D2,10/1GBASE–PRX–D2传输速率Gbit/s10.312510.3125波长范围nm1575～15801575～1580边模抑制比adB≥30≥30平均输出光功率bdBm2～55～9关断时平均输出光功率dBm≤-39≤-39消光比dB≥6≥6眼图模板定义UI发射波段光反射dB≤-10≤-10-20dB光谱宽度nm≤1≤1a

仅对单纵模激光器。10GEPONOLT对称式突发接收端光接口要求2023/11/2022参数名称单位规范值10GBASE–PR–D1,10GBASE–PR–D2,10GBASE–PR–D3传输速率Gbit/s10.312510.3125波长范围nm1260～12801260～1280比特差错率-10-310-3过载光功率dBm≥-1≥-6光功率损伤阈值adBm≥0≥-5接收灵敏度adBm≤-24≤-28信号检测阈值dBm≥-45≥-45接收波段光反射dB≤-12≤-12接收建立时间cns≤800≤800a速率10.3125，NRZ码，PRBS231-1，λ=1310nm，消光比6dB，比特差错率10-3，双工工作c

接收建立时间给出的是最大值，在这个范围内可获得最好的光学性能。在这个时间内，OLT通知ONU需要的调整量由同步时间参数给出。10GEPONOLT非对称式突发接收端光接口要求2023/11/2023参数名称单位规范值10/1GBASE–PRX–D110/1GBASE–PRX–D210/1GBASE–PRX–D3传输速率Gbit/s1.251.251.25接收波长nm1260～13601260～13601260～1360比特差错率-10-1210-1210-12过载光功率dBm≥-1≥-6≥-9.38光功率损伤阈值dBm≥4≥4≥-5接收灵敏度adBm≤-24≤-27≤-29.78信号检测阈值dBm≥-45≥-45≥-45接收端反射dB≤-12≤-12≤-12接收建立时间cns≤400≤400≤400a

测试条件：速率1.25Gbit/s，NRZ码，PRBS27-1，λ=1310nm，消光比6dB，，比特差错率10-12，双工工作。c

接收建立时间给出的是最大值，在这个范围内可获得最好的光学性能。在这个时间内，OLT通知ONU需要的调整量由同步时间参数给出。10GEPON对称式ONU发射端光接口要求2023/11/2024参数名称单位规范值10GBASE–PR–U110GBASE–PR–U3信号传输速率GBd10.3125±100ppm10.3125±100ppm波长范围nm1260～12801260～1280边模抑制比dB≥30≥30平均输出光功率dBm-1～+44～9关断时平均输出光功率dBm≤-45≤-45消光比

dB≥6≥6眼图模板UI突发开启/关断时间ns≤512≤512发射波段光反射dB≤-10≤-1010GEPON非对称性ONU发射端光接口要求2023/11/2025参数名称单位规范值10/1GBASE–PRX–U110/1GBASE–PRX–U210/1GBASE–PRX–U3传输速率Gbit/s1.251.251.25波长范围nm1260～13601260～13601260～1360RMS谱宽anm平均输出光功率dBm-1～4-1～40.62～5.62关断时平均输出光功率dBm≤45≤45≤45消光比dBm≥9≥9≥9发射眼图UI突发开启/关断时间ns≤512≤512≤512发射波段光反射dB≤-6≤-10≤-10a

如果发射源是FP激光器，均方根光谱见表12。如发射源是DFB激光器，边模抑制比应大于30dB。10GEPONONU接收端光接口要求2023/11/2026参数名称单位规范值10GBASE–PR–U110/1GBASE–PRX–U110/1GBASE–PRX–U210GBASE–PR–U310/1GBASE–PRX–U3传输速率Gbit/s10.312510.3125波长范围nm1575～15801575～1580比特差错率-10-310-3过载光功率dBm≥0≥-10光功率损伤阈值dBm≥1≥-9接收灵敏度adBm≤-20.5≤-28.5信号检测阈值dBm≥-44≥-44接收波段光反射dB≤-12≤-12OMA压力接收灵敏度dBm(μW)≤-17.09(19.55)≤-25.09(3.10)a

测试条件：速率10.3125Gbit/s，NRZ码，PRBS231-1，λ=1575～1580nm，消光比6dB，比特差错率10-3，双工工作。各种PON的工作速率和波长分配2023/11/2027

APONBPONGPONEPON(GEPON)XG-PON110GEPON传输方向下行方向速率Mbit/s155.52622.08155.52622.081244.161244.162488.3212509953.2810312.5下行方向光波长nm15501480～15001480～15001480～15001575～15801575～1580上行方向速率Mb/s155.52155.52622.08155.52622.081244.162488.3212502488.3210312.51250上行方向光波长nm1260～13601260～12801260～12801260～1360采用标准ITU-TG.983.11998ITU-TG.983.12003修订版ITU-TG.984.22003IEEE802.3ah2004ITU-TG.987.22010IEEE802.3av2009PON的时序要求2023/11/2028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GPON开销时间分配：2023/11/2029上行速率(Mbit/s)

发送使能(bit)发送关断(bit)总时间(bit)

防护时间(bit)

前置码时间(bit)

定界符时间(bit)

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XG-PON1开销时间分配发送使能(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)

最差要求32322048128185664目标323225664160322023/11/2030EPON上行数据包（信元）时间参数传输信号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10GEPON为64B/66B码型，带宽从10Gb变成10.3125G发送开关时间TonToff≤512ns接收判决阈值电平建立时间（Settlingtime）Tlr≤400ns防护时间Tg=500～1500ns2023/11/2031传统模式光发送机2023/11/2032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，或采用开环功率控制突发式光发送机有两个输入信号：

数据信号Data

突发使能信号BEN(BiasEnable)，开启（或停止）偏流Ibias2023/11/2033突发式光信号2023/11/2034突发接收上行信号的特点与普通的连续模式接收的传输信号比较，突发接收上行信号有这样一些特点：从不同距离ONU发送的上行信号幅度变化在15dB以上，最大可能达23dB～29dB上行信号平均(直流)分量有快速的跳变，所以上行信号的频率特性可以从很低频率(接近直流)到很高频率(脉冲边沿)从各ONU发送来的信号码元相位也是各不相同的2023/11/20352023/11/2036SoftestLoudestGuard+Preamble

(68.8nsat2.5Gbps)CID(ones)(72bitsor28.8nsat2.5Gbps)突发式光接收机特点突发式TIA不能用传统方式的AGC，它只能是线性（跨阻）放大器或采用自动阈值控制（ATC）方式突发式TIA要有足够的动态范围—大于21dB在APON、BPON、GPON中，由于防护时间很短，不同ONU来的信元的直流电平是高速跳变的，大耦合电容的充放电时间常数远大于Tg，所以前放和限放之间要采用直流耦合在GPON中，采用交流耦合方式时，选取RC时间常数遭遇Tg和CID之间的矛盾，必须采取相应的措施来解决2023/11/2037在GPON系统下，要求解决这样一对矛盾：CID的持续时间长度大于保护时间间隔．如果采用传统AC耦合方式就必须加入一些辅助信号，比如在保护间隔加入复位信号使得耦合电容迅速放电，为下一时隙信号接收做好准备，但即使是这样，每个时隙的判决门限恢复到零线的时间（响应时间）仍然较大．如果采用的是DC耦合方式，各个时隙信号判决门限不同，所以自适应门限调整还是需要一定的时间．2023/11/2038突发式TIA突发式跨阻放大器（BM-TIA）的电路结构：低噪声、宽动态范围的线性放大器（固定增益）自动阈值控制（ATC）方式的跨阻放大器快速响应锁定增益的跨阻放大器

用于GPON—响应时间＜10bits，需要Reset信号复位

用于EPON—响应时间＜100ns，可以自动恢复具有快速消直流电路的跨阻放大器—仅适用于EPON2023/11/2039ATC技术（1）ATC---AutomaticThreshold

Control它是原贝尔实验室YusukeOta在1991年的发明专利右图是采用ATC方式的突发式前置放大器原理图A2、Tx、CpD组成峰值检波器，它们取出前放输出电压峰值的1/2，作为判决电平CpD是一个小电容（几pF），在每个信元结束后要加入复位（Reset）脉冲，使它放电，以准备接收下一个信元噪声会引起判决电平的不稳定，产生突发式的代价2023/11/2040具有快速消直流电路的BM-TIA2023/11/2041VariableZTCircuitBit-by-bit&

AGC2023/11/2042PMCBurstTIA-PAS7351Thegainisvariableandselectedaccordingtothepowerlevelofthepowerdetector.WhentheLOCKinputsignalishigh,thegainisforcedtothehighvalueandthepowerdetectcircuitdeterminesthesignallevel.Onthefallingedgeofthelocksignal,thegainissettothevaluedecidedbythepowerdetectcircuitandstayslockedtoituntiltheLOCKsignalisre-assertedhigh.2023/11/2043突发模式限幅放大器（BM-LA）对于线性放大器方式的TIA，BM-LA要处理TIA输出信号快速变化的直流电平，电路比较复杂（如采用ATC方式）如果采用ATC方式（GPON）或快速消直流方式（EPON）的TIA，LA电路就不需要处理TIA输出信号快速变化的直流电平，就可以采用普通LA需要指出的是用于突发接收的限幅放大器其自动稳零电路必须被禁止，因为突发模式信号所带有的平均电平会有很大幅度的跳动，这会引起自动稳零电路在放大器输入端产生一个反向的波动电压，从而使灵敏度下降2023/11/2044ATC技术（2）右图是ATC作用在限放输入端的原理图前放必须无AGC同样需要Reset脉冲使峰值保持电容在防护时间内放电2023/11/2045TIA输出AC耦合波形2023/11/2046AC耦合方式突发式光接收电路方案Reset脉冲到来，开关（SPST）闭合,充/放电时间常数变为ronCron是开关的导通电阻,ron<<R2023/11/2047AC耦合方案波形图2023/11/20482.5Gbps突发接收方案探讨上述AC耦合方案不适合用于2.5Gbps的突发接收，主要原因是电子开关的Con/Coff都太大，严重影响接收灵敏度根据G.987中对时序的“最差要求”，防护时间可以大于72bitCID，前导码时间也很长，这就有可能采用EPON的突发接收方案，即采用较大的耦合电容，以适当的RC时间常数满足时序要求目前2.5G、10G的突发前放都已向世，如果有与之配套的突发限放，那么可以采用直耦方式(系统给出Rest)，就可满足“目标”时序要求2023/11/2049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)

最差要求32322048128185664目标32322566416032影响突发模式光接收灵敏度测试的因素包间隔时间（Tg）长短相邻包的光功率差，光功率差小于4dB时可以认为对灵敏度没有影响RESET信号脉冲宽度及时序位置前置码（Preamble）的长度和容许丢失的前置码长度(对应于OLT接收机的Tsettlingtime即时序要求的Tlr)2023/11/2050