［梁家勝］

微型CWDM設(shè)備的收發(fā)光模塊設(shè)計(jì)探討

［梁家勝］

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）系統(tǒng)，即稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)，或稱粗波分復(fù)用技術(shù)，作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的短距離WDM傳輸系統(tǒng)，在城域網(wǎng)應(yīng)用中越來(lái)越受到大家的認(rèn)可并已經(jīng)實(shí)用化。CWDM可應(yīng)用于大都市和城域接入網(wǎng)，在我國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商有廣闊的應(yīng)用前景。CWDM設(shè)備中光收發(fā)模塊是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的核心器件，微型化設(shè)計(jì)是趨勢(shì)，是提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和可維護(hù)性的必然途徑。

CWDM 城域網(wǎng) 接入網(wǎng)

梁家勝

現(xiàn)任職廣州匯信特通信技術(shù)有限公司，從事光電轉(zhuǎn)換器，粗波分產(chǎn)品，光放大，光保護(hù)器等光通信產(chǎn)品研發(fā)工作，其中微型粗波分產(chǎn)品獲得國(guó)家創(chuàng)新項(xiàng)目獎(jiǎng)。

引言

在我國(guó)沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，一些市話光纜纖芯使用率已達(dá)70%～80%；過(guò)去的城域網(wǎng)以SDH網(wǎng)絡(luò)占主導(dǎo)地位，當(dāng)時(shí)主要考慮傳輸話音，因此無(wú)論帶寬提供還是接口種類，它們都難以適應(yīng)傳輸新興業(yè)務(wù)的需要；另一方面，現(xiàn)在越來(lái)越多的用戶要求電信服務(wù)商提供端到端的波長(zhǎng)或子波長(zhǎng)出租業(yè)務(wù)。這些需求和現(xiàn)狀正好可以用低成本的CWDM設(shè)備加以解決，而不必新增光纜和拋棄過(guò)去的設(shè)備，避免了挖地溝、埋管道等市政建設(shè)帶來(lái)的麻煩和長(zhǎng)時(shí)間的建設(shè)工期。在建設(shè)大城域網(wǎng)（BMAN）方面，用CWDM系統(tǒng)與高性能路由交換設(shè)備結(jié)合，可從路由交換端口直接驅(qū)動(dòng)光傳輸設(shè)備，因此這種配置可方便地構(gòu)成寬帶IP城域網(wǎng)。

說(shuō)明：

OTU--------光波轉(zhuǎn)換單元，Optical Transform Unit

OPM----光保護(hù)模塊，Optics ProtectionModule

CWDM---粗波分復(fù)用，Coarse Wavelength Division Multiplexing

DWDM--- 密集波分復(fù)用，Dense Wavelength Division Multiplexing

3R---------信號(hào)整型、放大、時(shí)鐘再現(xiàn)。

MCU-----微處理器，Microprocessor Control Unit

CWDM系統(tǒng)中，微型CWDM設(shè)備的關(guān)鍵光模塊有OTU發(fā)射模塊和OPM接收模塊，是CWDM設(shè)備中的重要器件，其設(shè)計(jì)方案和工藝方法是保證器件模塊的可靠性和技術(shù)性能，從而保證設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。下面介紹一種微型CWDM光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)方案。

1　OTU模塊設(shè)計(jì)

1.1性能需求

① 實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

② 速率滿足9.8Gbit/s到12.Gbit/s范圍內(nèi)。

③ 信號(hào)得到3R整形。

1.2 OTU模塊設(shè)計(jì)的框圖（如圖1）

圖1　OTU模塊設(shè)計(jì)的框

OTU模塊主要由CWDM光收發(fā)模塊，用戶端收發(fā)模塊，光傳輸?shù)臅r(shí)鐘，數(shù)據(jù)恢復(fù)控制電路，網(wǎng)管接口電路，指示電路，開(kāi)關(guān)設(shè)置控制電路及信息狀態(tài)電路等組成。

CWDM端的光收發(fā)模塊接收來(lái)自遠(yuǎn)端的光信號(hào)，經(jīng)CWDM端的光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)光傳輸?shù)臅r(shí)鐘，數(shù)據(jù)恢復(fù)控制電路進(jìn)行信號(hào)處理和同步時(shí)鐘整形后，將信號(hào)送至用戶端的光收發(fā)模塊，用戶端的光收發(fā)模塊將處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換的光信號(hào)送至用戶端，同樣，用戶端傳送過(guò)來(lái)的光信號(hào)以同樣的方式轉(zhuǎn)換后將處理后的光信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)端CWDM/DWDM系統(tǒng)。

信息狀態(tài)電路通過(guò)I2C總線的形式向網(wǎng)管提供OTU上的狀態(tài)信息，同時(shí)光傳輸控制電路和網(wǎng)管接口電路通過(guò)網(wǎng)管接口向網(wǎng)管提供模塊的工作狀態(tài)及信號(hào)處理信息。

開(kāi)關(guān)設(shè)置電路是對(duì)光傳輸控制電路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，以控制模塊傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)。

指示燈電路相應(yīng)指示模塊及部分電路是否正常工作。

1.3 接收信號(hào)處理和發(fā)送信號(hào)處理

接收信號(hào)處理最重要是實(shí)現(xiàn)3R，3R即為信號(hào)整型、放大、時(shí)鐘再現(xiàn)，其模塊設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2　接收信號(hào)處理和發(fā)送信號(hào)處理的設(shè)計(jì)框

圖2為接收信號(hào)處理和發(fā)送信號(hào)處理的設(shè)計(jì)框圖，在接收信號(hào)處理鏈上，從光模塊接收到的光信號(hào)，被送入可編程的均衡器，均衡器作用是通過(guò)編程，保障寬帶接收，同時(shí)將輸入信號(hào)調(diào)至一個(gè)目標(biāo)值，使得限幅放大器有一個(gè)穩(wěn)定的、寬帶的輸入信號(hào)。限幅放大器將信號(hào)放大之后送入CDR模塊，CDR模塊完成這樣的功能：將信號(hào)進(jìn)行整形，同時(shí)從輸入信號(hào)提取信號(hào)時(shí)鐘，將時(shí)鐘再定時(shí)。CDR電路輸出有兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)信號(hào)是時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)是數(shù)字信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)分別送給高速數(shù)據(jù)緩沖器（FIFO）和數(shù)據(jù)鎖相環(huán)消抖電路。數(shù)據(jù)鎖相環(huán)消抖電路作用是根據(jù)當(dāng)前的時(shí)鐘，自動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的目標(biāo)頻率的VCO信號(hào)，把VCO頻率送給FIFO電路。FIFO電路將接收到的數(shù)字信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)及VCO頻率信號(hào)進(jìn)行重新組合，形成新串行信號(hào)，這信號(hào)經(jīng)放大器放大，送給目標(biāo)設(shè)備。

在發(fā)送信號(hào)處理鏈上，發(fā)送信號(hào)的處理方法與接收信號(hào)相同，只有不同的地方是發(fā)送信號(hào)處理鏈上的數(shù)據(jù)鎖相環(huán)消抖電路，有兩個(gè)信號(hào)時(shí)鐘輸入，一個(gè)是從發(fā)送信號(hào)提取的時(shí)鐘，一個(gè)是接收信號(hào)提取的時(shí)鐘。其目的是最終的發(fā)送信號(hào)，含有與接收信號(hào)的時(shí)鐘同步。

1.4 模塊的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)主要由CWDM光收發(fā)模塊，用戶端收發(fā)模塊組成。

CWDM端的光收發(fā)模塊接收來(lái)自遠(yuǎn)端的光信號(hào)，經(jīng)CWDM端的光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)光傳輸?shù)臅r(shí)鐘，數(shù)據(jù)恢復(fù)控制電路進(jìn)行信號(hào)處理和同步時(shí)鐘整形后，將信號(hào)送至用戶端的光收發(fā)模塊，用戶端的光收發(fā)模塊將處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換的光信號(hào)送至用戶端，同樣，用戶端傳送過(guò)來(lái)的光信號(hào)以同樣的方式轉(zhuǎn)換后將處理后的光信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)端CWDM系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的目的。

1.5 OUT模塊的作用

OUT模塊是CWDM系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊，其作用是實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，信號(hào)3R處理。CWDM系統(tǒng)中主要是在一條光纖上靠不同的波長(zhǎng)，傳輸不同的業(yè)務(wù)。有了OTU模塊，將光波中的很多波長(zhǎng)展開(kāi)出來(lái)，傳輸更多的業(yè)務(wù)。

2　OPM模塊設(shè)計(jì)

OPM模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，如圖3。

圖3　OPM模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

光路1+1保護(hù)：OPM模塊的發(fā)送端光路通過(guò)分光器分成兩路，送入發(fā)送的線路端。兩路接收光路通過(guò)光開(kāi)關(guān)選擇，選一路送入OPM模塊，MCU根據(jù)指令或者兩路接收光信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)控制光開(kāi)關(guān)選擇。

光信號(hào)處理模塊：將光信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變成開(kāi)關(guān)量的數(shù)字信號(hào)。

MCU和門(mén)陣列芯片組成網(wǎng)管接口電路，為網(wǎng)管控制OPM模塊或者讀取OPM模塊數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)通道。

圖3中光信號(hào)處理模塊部分原理方框圖見(jiàn)圖4。

圖4　光信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

光電流經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)放大器放大，送到電子開(kāi)關(guān)，電子開(kāi)關(guān)選擇被測(cè)的通道接入低通濾波器，再由A/D轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)。

關(guān)鍵器件是對(duì)數(shù)放大器：ADL5310，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5：

圖5　對(duì)數(shù)放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADL5310功能、特性：

功能：ADL5310可同時(shí)對(duì)兩路光路進(jìn)行對(duì)數(shù)放大，放大之后兩路獨(dú)立輸出。

特性：ADL5310輸出電壓/輸入光電流曲線圖6：

圖6　ADL5310輸出電壓/輸入光電流曲線圖

可見(jiàn)ADL5310對(duì)數(shù)放大器輸出電壓與輸入光電流采呈現(xiàn)線性關(guān)系。

PIN管的響應(yīng)電流和輸入光功率具有如下特性曲線圖7：

圖7　光電流-光功率曲線

由圖7光電流-光功率曲線可以看出光功率與光電流也是近似線性關(guān)系，綜合上兩種特性的線性關(guān)系，得出對(duì)數(shù)放大器輸出電壓與PIN管輸入光功率的關(guān)系，見(jiàn)圖8。

圖8　對(duì)數(shù)放大器輸出電壓/輸入光功率曲線

可以看到輸入光功率0-60dBm范圍內(nèi)對(duì)數(shù)放大器輸出的電壓跟輸入的光功率是近似線性關(guān)系，從而保證了OPM模塊對(duì)光功率監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)語(yǔ)

城域網(wǎng)的特點(diǎn)是傳輸距離較短，因此，低成本、易開(kāi)通、應(yīng)用靈活的CWDM為城域接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的連接提供了全新的解決方案，設(shè)備的微型化，可靠性高。易于安裝維護(hù)是CWDM設(shè)備的要求，故對(duì)CWDM的關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)是CWDM設(shè)備的關(guān)鍵所在，進(jìn)一步改進(jìn)和探討其設(shè)計(jì)的合理性、穩(wěn)定性，可靠性對(duì)城域網(wǎng)的發(fā)展有重要意義，對(duì)運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)營(yíng)成本也有重要影響。

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.07.015