用于无源光网络(PON)的突发式光模块

1、用于无源光网络（PON）的突发式光模块,陈伦裕 2006年2月,主要内容,无源光网络（PON）的概念 PON的分类和标准 突发式光模块的工作原理、特点 突发式发射、突发式接收的技术特性 OLT、ONU收发一体光模块调试方法要点,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（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、BPO

2、N、GPON EPON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,PON的发展历程,1982年英国电信实验室发明PON（Passive Optical Network） 1987年在英国进行了早期试验 1993年在德国电信在东德安装PON 1998年日本NTT开始安装PON 1998年国际电信联盟（ITU）公布APON标准：ITU-T G.983 1999年美国Bellsouth完成400户PON试验设备的安装测试 2003年国际电信联盟（ITU）

3、公布GPON标准：ITU-T G.984 2000年IEEE 成立EFM研究组（Ethernet in First Mile Study Group）专门研究EPON标准 2004年IEEE公布EPON标准：IEEE Std 802.3ah-2004 WTD在1998年就已开展PON模块的研发工作,术 语,PON （Passive Optical Network）无源光网络 ATM （Asynchronous Transfer Mode）异步转移模式 APON （ATM Passive Optical Network）基于ATM的无源光网络 BPON （Broadband Passive Op

4、tical Network ） 宽带无源光网络 GPON （Gigabit-capable passive optical networks ） 千兆无源光网络 EPON （Ethernet Passive Optical Network ） 基于千兆以太网的无源光网络,在日本、韩国又称GEPON OLT （Optical Line Termination）光线路终端,有时又叫局端 ONU（Optical Network Unit）光网络单元,有时称做远端或用户端,术 语,突发模式信号（Burst Mode Signal） 初始相位和幅度各不相同的数据包（信元）信号 防护时间（Guard Ti

5、me） 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（CIDConsecutive Identical Digit）,APON的结构,上行光信号,PON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 (Time Division Multiplexing ) 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O

6、LT 的上行信号的传输采用TDMA (Time Division Multiple Access)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10dB,传统接入技术（点对点）与PON接入技术对比,APON/BPON,APON是基于ATM的PON

7、其标准是G.983.1 工作速率为155Mbps 622Mbps 上行光波长为1310nm 下行光波长为1550nm G.983.1AMD下行速率可达到1.25Gbps BPON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72bit,BPON 622Mbit/s下行方向光接口技术参数,BPON 622Mbit/s上行方向光接口技术参数,GPON,

8、GPON（ Gigabit-capable passive optical networks ）千兆无源光网络 支持全方位服务包括话音（TDM、PDH和SONET/SDH）、Ethernet（10/100 Base T）、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码，CID抗

9、扰度大于72bit ITU已经公布GPON标准 G.984.1 G.984.2,1.25Gbit/s GPON下行方向光接口技术参数,1.25Gbit/s GPON上行方向光接口技术参数,EPON(GEPON),无源光以太网（Ethernet PON - 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、Aura Networks CDT/Mo

10、hawk、Cisco、DomiNet Systems、Intel、WorldCom和World Wide Packets等69家公司加入了这个研究组(IEEE 802.3ah EFM Study Group ) EP0N的标准：IEEE Std 802.3ah-2004 EPON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EPON,EPON技术参数,EPON技术参数,各种PON的工作速率和波长分配,PON的时序要求,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

11、开销中包括防护时间、前置码和定界符；防护时间为410bits GPON开销时间分配：,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Ton Toff512ns 接收建立时间（Settling time）Tlr400ns 防护时间Tg=5001500ns,传统模式光发送机,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、Toff12ns 传统的光发送机采用平均值监测APC，在此处不能用

12、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 (Bias Enable) ，开启（或停止）偏流Ibias,突发式光信号,突发模式光接收机,CPA Clock Phase Alignment,突发式光接收机特点,在APON、BPON、GPON中OLT接收用的PD不能有光电流拖尾现象出现 突发式TIA不能用传统方式的AGC，它只能是线性（跨阻）放大器或采同自动阈值控制（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

13、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只能采用直流耦合,ATC技术,ATC技术（1）,ATC- Automatic Threshold Control 它是原贝尔实验室Yusuke Ota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,ATC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

14、Reset脉冲使峰值保持电容在防护时间内放电,EPON OLT突发式光接收机,EPON的传输码型是8B/l0B，具有很长的防护时间，所以EPON接收机电路可以采用电容耦合 EPON前置放大器仍然要采用突发式TIA EPON限幅放大器可以采用通用的限幅放大器 但是有EPON专用的限幅放大器，采用直流耦合，性能更好，在包间隔时间内可以避免出现大幅度的噪声,用于PON的收发一体光模块,为了降低系统成本、提升设备的竞争力，现在国内外推出的所有PON光模块，都是做成单纤双向收发一体的 单纤双向收发一体的光模块，会产生一些新问题，如：串扰引起的噪声干扰、外壳结构、模块调试,单纤双向光组件（BOSA）,BOSA是收发一体光模块中的重要部件， 它是光模块对外连接的“咽喉”，它的技术性能 和成本直接影响光模块的技术性能和成本,BOSA结构图,ONU收发一体光模块(3R),ONU收发一体光模块(2R),OLT收发一体光模块(3R),OLT收发一体光模块(2R),PON收发一体光模块调试,下行方向信号传输，即OLT发送和ONU接收的都是连续信号，它们的调试与传统的光接收发送模块没有区别 ONU发送部分可以让BEN设置在常开，按连续式光发送电路同样方法调整 OLT的接收部分是突发式接收，其灵敏度、过载光功率、动态范围等参数都要用突发式光