上海貝爾股份有限公司 鄭偉峰

1.引言

隨著寬帶光網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)成為全球光纖接入FTTx（Fiber-to-the-x）用戶最多的國(guó)家，現(xiàn)網(wǎng)無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)PON（Passive Optical Network）的應(yīng)用規(guī)模已超過(guò)1億線。雖然我國(guó)FTTx建設(shè)取得了一定成績(jī)，但與期望目標(biāo)還有差距，F(xiàn)TTx的部署成本問(wèn)題在一定程度上延緩了FTTx的大規(guī)模部署進(jìn)度。因此，對(duì)降低終端成本的要求越來(lái)越高。

在FTTx接入網(wǎng)的終端成本中，光模塊占20-30%，電芯片部分成本下降空間相對(duì)較小，而光模塊的成本降低將有效促進(jìn)整個(gè)FTTx接入網(wǎng)的成本降低，從而加速FTTx的大規(guī)模部署。

可見(jiàn)，降低光模塊成本變得非常重要。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光部分成本的降低，提出并設(shè)計(jì)了一種雙向光組件貼的設(shè)計(jì)方案。

2.硬件部分設(shè)計(jì)

相關(guān)領(lǐng)域現(xiàn)有雙向光組件在板設(shè)計(jì)方案跟普通光模塊比可以降低一些成本，其中包括省掉原來(lái)模塊里的處理器（代之以主芯片進(jìn)行控制和生產(chǎn)測(cè)試校準(zhǔn)）；省掉光模塊的20腳連接器。不過(guò)，在板生產(chǎn)較為復(fù)雜；設(shè)備投資較大；對(duì)光組件供應(yīng)商一致性要求高；只能做成尾纖型，很難做成插拔型；由于需要返回工廠校準(zhǔn)，很難當(dāng)場(chǎng)修理更換。

雙向光組件貼是把在板方案做到獨(dú)立小板上，優(yōu)點(diǎn)有：采用FP（Fabry-perot）法布里-珀羅代替DFB（Distribute Feedback）分布反饋式激光器應(yīng)用于10公里降低成本；采用PIN/Super TIA（Transimpedance Amplifier跨 阻放大器）光電二極管代替APD（Avalanche Photo Diode）雪崩光電二極管降低光接收器成本；省去APD的升壓電路器件；小板可以開(kāi)個(gè)口焊光組件，跟在板方案必須把激光器4個(gè)發(fā)送腳彎起比，降低了高頻損耗發(fā)送信號(hào)質(zhì)量更好，省去彎腳夾具方便生產(chǎn)；器件成本跟在板相似；可以叫現(xiàn)有模塊供應(yīng)商生產(chǎn)，不需要投資大型測(cè)試設(shè)備；小板已經(jīng)在工廠調(diào)試好，放到終端上減少測(cè)試時(shí)間和降低測(cè)試難度；終端生產(chǎn)更換光器件部分省時(shí)省力；可以做成插拔型；可以當(dāng)場(chǎng)修理更換。

硬件部分主要由激光驅(qū)動(dòng)器和限幅放大器組合芯片、雙向光組件、存儲(chǔ)器等組成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由兩部分組成：發(fā)射部分和接收部分。發(fā)送部分由低擺幅差分接收配合突發(fā)模式的激光驅(qū)動(dòng)器組成。信號(hào)通過(guò)低擺幅差分接收傳輸?shù)酵话l(fā)模式的激光驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)激光二極管TOSA，并同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)視實(shí)際輸出的發(fā)光功率。接收部分由連續(xù)模式跨阻放大器TIA、限幅放大器和低擺幅差分接收組成。從光探測(cè)器ROSA來(lái)的微弱電流信號(hào)經(jīng)連續(xù)模式的跨阻放大器TIA放大為微弱的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)限幅放大器 放大為較大的電壓信號(hào)，最后經(jīng)低擺幅差分接收輸出。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.1 信號(hào)定義

在SFF對(duì)外接口設(shè)計(jì)中，通常是使用SFF MSA[1]作為對(duì)外接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)按照引腳不同分為2x5/2x6和2x10兩種形式，后者增加了許多自動(dòng)檢測(cè)的引腳，不過(guò)也增加了引腳成本。本文利用2x5重復(fù)的地和電源用作監(jiān)控（SDA IIC數(shù)據(jù)線，SCL IIC時(shí)鐘線）既智能化又不會(huì)增加成本。

2.2 光組件選擇

為了降低成本，考慮到中國(guó)市場(chǎng)往往是小區(qū)比較集中，很多還是在10公里以內(nèi)，可以采用FP/PIN Super TIA支持EPON[2]/GPON兩種模式10公里應(yīng)用。PIN的應(yīng)用省去了APD升壓元器件成本。支持2種模式，使用戶從EPON升級(jí)到GPON時(shí)不必更換終端，運(yùn)營(yíng)商可以任意運(yùn)用終端，這樣會(huì)有很大靈活性和大幅降低庫(kù)存成本。

現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有成熟的Super TIA跨阻放大器推出，如Nanotech公司的NT25L59，它在誤碼率10E-10時(shí)靈敏度達(dá)到-30.5dBm，內(nèi)部有AGC（自動(dòng)增益控制），動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到33dB。成熟光組件廠商靈敏度常溫可以做到-29dBm，全溫范圍靈敏度可以做到-27.5dBm，能達(dá)到GPON標(biāo)準(zhǔn)[3]-27dBm要求。

2.3 激光驅(qū)動(dòng)器和限幅放大器組合芯片的選擇

為了方便生產(chǎn)調(diào)試，雙閉環(huán)控制組合芯片是比較好的選擇，目前市場(chǎng)上這類芯片供應(yīng)商主要有敏迅和美信等。敏迅推出的M02098[4]，是使用雙閉環(huán)控制，整個(gè)工作溫度范圍都可以保持消光比穩(wěn)定，不需要收集很多光組件的數(shù)據(jù)（在不同溫度下）制作查找表進(jìn)行調(diào)制電流校準(zhǔn)。美信的MAX3710也有雙閉環(huán)控制，不過(guò)內(nèi)部無(wú)溫度傳感器；接口采用3線（并非比較常用的IIC）；推出時(shí)間也晚一些。另外這類芯片還要SEMTECH公司的GN25L95也是一個(gè)選擇。本文介紹選用的是敏迅產(chǎn)品M02098。

2.4 敏迅方案布板注意事項(xiàng)

組合芯片靠近激光器放置，越近越好，差分線減少走線長(zhǎng)度，并且不要在走線中放置過(guò)孔。差分信號(hào)走線長(zhǎng)度要相等。

光板要求阻抗控制，接收為100歐姆線對(duì)，組合芯片到光組件微帶線阻抗控制在25～30歐姆，這個(gè)有些特殊，經(jīng)過(guò)工具計(jì)算得出線寬為1.0毫米，間距為0.2毫米，生產(chǎn)時(shí)要求阻抗控制。

過(guò)高速信號(hào)的磁珠最好選用0402封裝，并且直流阻抗小于1歐姆。

電源濾除高頻噪聲用的磁珠必須能夠承受300毫安的電流，直流阻抗小于1歐姆。

光組件目前基本上都是人工焊接，焊盤(pán)大小要考慮人工焊接的方便性，考慮焊錫沾著的安全間距。

光組件發(fā)熱厲害，光板頂層和底層鋪地平面可以降低溫升。

3.軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分分為配制單元和監(jiān)控單元，流程圖如圖2所示。上電后組合芯片從存儲(chǔ)器AT24C08獲取基本配置數(shù)據(jù)，然后被終端主芯片控制。配制單元上電后對(duì)組合芯片基本寄存器進(jìn)行檢查設(shè)置；進(jìn)行溫度傳感器校準(zhǔn)；進(jìn)行流氓ONU檢測(cè)等。監(jiān)控單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器的溫度、供電電壓、激光偏置電流、發(fā)射和接收光功率[5]。這些參數(shù)的測(cè)量，可以幫助終端在需要的時(shí)候找出光纖鏈路中發(fā)生故障的位置[6]，簡(jiǎn)化維護(hù)工作，提高系統(tǒng)的可靠性；這個(gè)單元還可以進(jìn)行報(bào)警和警告工作。

3.1 溫度傳感器校準(zhǔn)

由于溫度傳感器在組合芯片內(nèi)部，芯片的溫升，散熱，其他發(fā)熱源傳遞熱量都會(huì)影響這個(gè)傳感器精度，所以溫度傳感器需要校準(zhǔn)。在終端實(shí)際部署后，如果發(fā)現(xiàn)故障，有時(shí)需要檢查光部分狀況，這時(shí)準(zhǔn)確的溫度可以用來(lái)判斷光組件是否超出正常工作范圍[7]。

光組件是板子上最熱的器件，溫度一般校準(zhǔn)到光組件表面溫度。光組件表面溫度Y由下列方程式給出：Y=KX+B。K 是斜率，B是偏移量。X是組合芯片內(nèi)部傳感器AD轉(zhuǎn)換值。

Y用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量得到，熱電偶直接貼在光組件上方最熱位置是最準(zhǔn)的，方程里K，B為未知數(shù)，可以讀兩組Y和X值，比如商業(yè)級(jí)讀60度，70度（一般關(guān)注高溫，低溫因?yàn)榘遄颖旧戆l(fā)熱不容易出現(xiàn)問(wèn)題），然后列兩個(gè)等式就可以求出K，B2個(gè)未知數(shù)。

3.2 流氓終端檢測(cè)

正常終端是在指定時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后關(guān)閉激光器，等待下一次發(fā)送時(shí)間。流氓終端是指：當(dāng)某個(gè)終端在沒(méi)有被分配的時(shí)間戳里發(fā)光，就會(huì)與其它 終端的發(fā)光信號(hào)發(fā)生沖突，這樣會(huì)影響到其它某個(gè)終端或者所有終端的正常通訊，這種不按照分配的時(shí)間戳發(fā)送光信號(hào)的終端叫流氓終端。如果流氓終端隨機(jī)或者一直發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)造成其它終端丟包或者掉線。因此流氓終端檢測(cè)是光部分的重要功能[8]。

流氓終端一般是光部分異常，激光器不能正常關(guān)斷造成的。雙向光組件貼檢測(cè)流氓終端的原理是：如果TX_BRST突發(fā)控制信號(hào)使激光器關(guān)斷，但實(shí)際激光器的檢測(cè)電壓還有，邏輯不一致就能判斷為流氓終端。TX_BRST突發(fā)控制信號(hào)關(guān)斷期間如果檢測(cè)到激光器動(dòng)作，M02098芯片會(huì)把故障腳拉高報(bào)告流氓終端問(wèn)題。通過(guò)軟件輪詢寄存器就可以發(fā)現(xiàn)流氓終端問(wèn)題，方法是把流氓終端開(kāi)關(guān)寄存器第4位先設(shè)1（關(guān)閉流氓終端報(bào)告功能），然后把該位設(shè)0（打開(kāi)流氓終端報(bào)告功能），接著讀故障標(biāo)志寄存器第0位為1就判斷為流氓ONU。

另外，輔助流氓終端控制手段有：有時(shí)需要關(guān)閉和打開(kāi)發(fā)光判斷是否真是流氓終端，該組合芯片TX_BRST突發(fā)控制寄存器可以關(guān)閉和打開(kāi)發(fā)光；有時(shí)需要復(fù)位整個(gè)組合芯片就可以恢復(fù)正常工作，該組合芯片復(fù)位寄存器就可以進(jìn)行整個(gè)芯片的軟件復(fù)位。

4.結(jié)論

該設(shè)計(jì)采用高集成度多功能組合芯片，達(dá)到終端要求的光部分的功能；生產(chǎn)上測(cè)試時(shí)間短，適合批量生產(chǎn)。實(shí)際測(cè)試表明該設(shè)計(jì)比光模塊降低了成本，也便于當(dāng)場(chǎng)修理更換，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]SFF MSA標(biāo)準(zhǔn)Rev 20[S].2010(7):7-9.

[2]IEEE EPON標(biāo)準(zhǔn)802.3ah-2004[S]:307-309.

[3]ITU-T GPON標(biāo)準(zhǔn)G.984.2-2003[S]:1-2.

[4]敏迅公司產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)MINDSPEED datasheet[EB/OL].2009:34-35.www.mindspeed.com

[5]SFF-8472光模塊標(biāo)準(zhǔn)Rev 10.4[S].2009(1):7-8.

[6]王妮,侯韶華.基于SFP光模塊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].光通信技術(shù),2010(9):36-38.