張 特，張勁松，彭 丹，黃繼文

(1.光纖通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074;2.武漢群茂科技有限公司，湖北 武漢 430074)

責(zé)任編輯:許 盈

當(dāng)今時(shí)代，光纖通信技術(shù)的發(fā)展日新月異。作為光纖通信系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換的核心模塊，光模塊有著舉足輕重的作用。隨著光纖到戶的日益普及，運(yùn)營(yíng)商開始越來(lái)越重視能與以太網(wǎng)較好兼容的EPON系統(tǒng)。因此，基于EPON技術(shù)的光模塊有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間［1］。各大光器件公司也瞄準(zhǔn)這一趨勢(shì)，紛紛推出自己的光模塊，但在眾多EPON光模塊的設(shè)計(jì)案例中，很多光模塊廠商采用了限幅度放大芯片、激光器驅(qū)動(dòng)芯片和MCU模式，較多的芯片往往會(huì)帶來(lái)較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)以及成本的增加。本文提出了一種基于世紀(jì)民生CS6716主芯片的1.25 Gbit/s EPON光模塊設(shè)計(jì)方案。該方案僅采用CS6716和AT24C64(E2PROM)兩個(gè)芯片，因而方案能有效簡(jiǎn)化模塊設(shè)計(jì)電路，降低模塊生產(chǎn)成本，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 EPON技術(shù)簡(jiǎn)介

EPON無(wú)源光以太網(wǎng)，就是將信息封裝成以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸?shù)腜ON。其結(jié)構(gòu)主要包括局端的光線路終端(OLT)、終端光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)以及光配線網(wǎng)(ODN)。其標(biāo)準(zhǔn)為IEEE Std 802.3ah-2004，傳輸碼型是8B/10B碼;上行光波長(zhǎng)是1310 nm;下行光波長(zhǎng)是1490 nm;1550 nm波長(zhǎng)作為傳輸視頻信號(hào)用。由于其將以太網(wǎng)技術(shù)與PON技術(shù)完美結(jié)合，因此非常適合IP業(yè)務(wù)的寬帶接入。

通信過(guò)程中，EPON下行采用廣播技術(shù)，上行采用時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiple Access，TDMA)技術(shù)［2］，原理如下:EPON下行傳輸過(guò)程如圖1a所示，OLT將數(shù)據(jù)以廣播方式通過(guò)分光器發(fā)送至每個(gè)ONU，每個(gè)OUN只選擇屬于自己的數(shù)據(jù)，OLT的發(fā)送模塊和ONU的接收模塊都是連續(xù)工作方式。

EPON上行傳輸過(guò)程如圖1b所示，上行信號(hào)的傳輸采用TDMA技術(shù)把光纖的占用按一定時(shí)間長(zhǎng)度分成時(shí)段，在每一個(gè)時(shí)段，只有一臺(tái)ONU能夠占用光纖向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)，其余ONU則關(guān)閉激光器。OLT的接收模塊和ONU的發(fā)送模塊都是突發(fā)模式工作。

圖1 EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 EPON光模塊設(shè)計(jì)

本方案是圍繞世紀(jì)民生的CS6716主芯片展開的。與眾多光模塊采用獨(dú)立的限放、驅(qū)動(dòng)、控制芯片不同，世紀(jì)民生的CS6716光模塊芯片是一個(gè)集1.25G后級(jí)限幅的放大器(PA)，1.25G連續(xù)/突發(fā)模式激光器驅(qū)動(dòng)(LD)和8位監(jiān)控單元(MCU)于一體的智能芯片，該芯片可用于SONET/SDH，F(xiàn)TTH，BPON，EPON(GEPON)等網(wǎng)絡(luò)中。方案采用SFP封裝標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)主要由光信號(hào)接收、發(fā)送、控制3個(gè)部分組成。其中，信號(hào)接收部分由光電探測(cè)器、前置放大器和限幅度放大器組成;發(fā)射部分由基于VCSEL工藝的激光器、背光電流二極管PD和激光器驅(qū)動(dòng)LD組成;控制部分由MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)模塊的監(jiān)控功能。在模塊接收與發(fā)送前端，現(xiàn)有的封裝技術(shù)已將探測(cè)器和前置放大器、背光二極管和激光器進(jìn)行TO-CAN封裝成ROSA與TOSA。

2.1 信號(hào)接收部分

信號(hào)接收部分的工作原理是將經(jīng)過(guò)光纖傳輸后衰減變形的微弱光信號(hào)通過(guò)ROSA的光電轉(zhuǎn)換和前放，放大成光模塊主芯片可以探測(cè)到的電平(約幾毫伏到幾十毫伏)，然后PA將該信號(hào)放大成合適的電平輸出。信號(hào)接收結(jié)構(gòu)原理如圖2a所示。

圖2 信號(hào)接收結(jié)構(gòu)圖

光電探測(cè)器本質(zhì)是一個(gè)光電二極管，本方案選用的是PIN光電二極管。信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，在前置放大器中初步放大并送入芯片進(jìn)行后級(jí)放大，由于CS6716的后級(jí)限幅放大器增益較高(可達(dá)50 dB)，芯片集成了偏移消除回路以防止可導(dǎo)致增益飽和的偏移出現(xiàn)。此外，該偏移消除回路還通過(guò)片內(nèi)10 kΩ電阻為輸入RXIP和RXIN差分信號(hào)提供DC偏置。由于這一偏置的原因，在模塊設(shè)計(jì)的過(guò)程中，ROSA輸出的差分信號(hào)應(yīng)加上AC耦合電容，以過(guò)濾掉信號(hào)中的低頻信號(hào)。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖2b所示，C3，C7為相應(yīng)濾波電容，本設(shè)計(jì)中，接收光功率也由ADCIN2參考確定，該路的C8和L3起濾波的作用。在信號(hào)的輸出端，MCU對(duì)比設(shè)定與實(shí)際輸入光功率來(lái)判決信號(hào)是否丟失，最終，經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)以CML或PECL(可通過(guò)MCU相應(yīng)寄存器配置)電平輸出。

2.2 信號(hào)發(fā)送部分

光信號(hào)發(fā)送過(guò)程主要是將輸入的電信號(hào)調(diào)制成適合光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)募す馄黩?qū)動(dòng)信號(hào)(由偏置電流Ibias和調(diào)制電流Imod組成)，驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)［3］。CS6716的LD驅(qū)動(dòng)主要包括差分信號(hào)調(diào)制輸出和DC偏置控制輸出兩個(gè)過(guò)程。信號(hào)發(fā)送部分具體實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 信號(hào)發(fā)送結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)調(diào)制的過(guò)程中，LD接收發(fā)送給芯片TXIP和TXIN管腳上的PECL差分電平信號(hào)，并送入PECL緩存器中，緩存器再將信號(hào)送入發(fā)送驅(qū)動(dòng)中并進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換后由LASERP和LASERN輸出，最后通過(guò)AC或DC耦合的方式驅(qū)動(dòng)激光器。本方案選用的是AC耦合的方式。鑒于EPON技術(shù)的特點(diǎn)，光信號(hào)發(fā)送也受突發(fā)使能端控制，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)芯片上的BEN和BEP兩個(gè)引腳控制光信號(hào)的發(fā)送。緩沖器前端PECL偏置回路的作用是使開關(guān)切換能夠較快地實(shí)現(xiàn)，當(dāng)突發(fā)模式被激活時(shí)，LASERP和LASERN完全由TXINP和TXINN信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)突發(fā)模式關(guān)閉時(shí)，此時(shí)LASERP被拉低，LASERN被空置。LD的輸出光功率的控制由芯片內(nèi)自動(dòng)功率控制(APC)回路控制，LD激光器通過(guò)PD將轉(zhuǎn)化后的電流送給芯片的MPD引腳，通過(guò)比較輸入的電流值和有MPDDAC的設(shè)定值，APC進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷，并通過(guò)激光器DC偏置電流對(duì)激光器的輸出光功率進(jìn)行控制。

2.3 MCU控制部分

控制部分主要作用是通過(guò)模塊中小封裝的MCU芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理光模塊的發(fā)射和接收光功率、模塊的溫度、偏置電流、電壓等參數(shù)。其工作原理為相應(yīng)的采集電路對(duì)各參數(shù)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信號(hào)存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中。并通過(guò)串行接口與主控單元通信。

CS6716的集成MCU采用了RISC CPU-12.5 MHz，它包括了2 kbyte的Boot ROM、2 kbyte的SRAM、看門狗電路、低壓重啟功能、I2C、8通道的12位ADC、10位的R2R DAC、溫度傳感器等。MCU結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 MCU結(jié)構(gòu)原理圖

光模塊系統(tǒng)重啟后，MCU開始執(zhí)行Boot ROM中的程序。MCU中的SRAM實(shí)際上是一個(gè)兩端口結(jié)構(gòu)，CPU可以通過(guò)特殊功能寄存器和數(shù)據(jù)端口對(duì)其進(jìn)行寫操作和配置。通過(guò)這些特性Boot ROM可以從外部E2PROM將程序加載到SRAM中，并由CPU完成應(yīng)用程序的執(zhí)行。同時(shí)，在重啟和程序加載的過(guò)程，程序計(jì)數(shù)器全部清零。在進(jìn)行模塊的調(diào)試時(shí)，要先通過(guò)對(duì)芯片引腳上的CFIL和PREF對(duì)芯片進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 模塊的測(cè)試

本方案對(duì)所設(shè)計(jì)的光模塊進(jìn)行了較為全面的測(cè)試，在這里，將選取以下幾個(gè)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行介紹，即突發(fā)模式光開關(guān)時(shí)間，接收靈敏度，發(fā)射眼圖。

根據(jù)IEEE Std 802.3相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，突發(fā)模式下光模塊的LD的光開關(guān)時(shí)間應(yīng)小于512 ns，本方案做了一系列測(cè)試，得到的突發(fā)開啟時(shí)間為30.4 ns，關(guān)斷時(shí)間為10.7 ns，結(jié)果符合國(guó)際要求。

對(duì)接收的靈敏度進(jìn)行測(cè)試得到其接收靈敏度范圍為(-27.7±1)dBm。符合小于-24 dBm的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)眼圖的測(cè)試在這里只列出-40℃，25℃，85℃的眼圖，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖可知發(fā)射眼圖的質(zhì)量滿足IEEE Std 802.3av［4］標(biāo)準(zhǔn)中模板的要求。其中發(fā)送光功率和消光比的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

EPON系統(tǒng)中1.25G光模塊發(fā)射光功率應(yīng)該為-1～+4 dBm，消光比應(yīng)該大于10 dB。由圖可知均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值，且在全溫度范圍內(nèi)指標(biāo)變化較小。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 測(cè)試眼圖

表1 測(cè)試結(jié)果

本文提出了一種基于CS6716光模塊主芯片的1.25G EPON光模塊的設(shè)計(jì)方案，CS6716芯片集PA、LD驅(qū)動(dòng)、MCU于一體。所以本方案相對(duì)于其他方案體積更小，器件更少，成本更低，可靠性更好。對(duì)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，結(jié)果表明其性能較好，因此對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

［1］程漢嬰.EPON技術(shù)在有線電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2011，35(6):57-58.

［2］王余浩.基于10 G EPON的IPTV可控組播的實(shí)現(xiàn)方式研究［J］.電視技術(shù)，2011，35(3):85-88.

［3］JOHNSON H，GRAHAM M.High-speed signal propagation:advanced black magic［M］.［S.l.］:Prentice Hall PTR，2003.

［4］IEEE Std.802.3av-2009，IEEE standard for information technology telecommunications and information exchange between systems local and metropolitan area network specific requirements［S］.2009.