王 磊

（江蘇奧雷光電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

在光纖通信高速發(fā)展的今天，PON 技術以其公認的高帶寬、長距離、多業(yè)務、低成本以及易維護等特點，成為當前各運營商首選的數(shù)據(jù)業(yè)務接入模式。但是，隨著用戶對帶寬需求的不斷提高，現(xiàn)有1G EPON 網(wǎng)絡成為瓶頸。同時，隨著OLT 接入能力的不斷提升，用戶數(shù)量也在飛速增長。因此，速率的大幅提升成為當前的關注熱點，而10G EPON接入技術是最好的解決方案。10G EPON 在系統(tǒng)結構上仍然延續(xù)了1G EPON 的典型拓撲結構，可以實現(xiàn)從1G EPON 到10G EPON 的平滑升級，不僅能與1G EPON 完全共用ODN 系統(tǒng)，還能夠直接與EPON ONU 互通。10G EPON OLT 既滿足原有的1G 業(yè)務，又兼顧了10G 業(yè)務，同時10GEPON 對稱OLT 光模塊也是10G EPON 非對稱OLT 光模塊的升級，直接將上行速率提升到10.312 5 Gb/s，極大地滿足了用戶對上行帶寬的需求。

1 10G EPON 對稱OLT 光模塊簡介

10G EPON 對稱OLT 光模塊采用的是上行突發(fā)接收和下行連續(xù)發(fā)射的工作模式，主要由單纖三向組件（Triplexer）、發(fā)射電路、接收電路和控制電路組成。Triplexer 由2 個發(fā)射器件和1 個接收器件組成。其中，發(fā)射器件由一個波長為1 577 nm 的10.3125G 的電吸收調制激光器（Electro-absorption Modulator Laser，EML）和一個波長為1 490 nm 的1.25G 的分布反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）組成。接收器件是由一個雪崩二極管（Avalanche Photodiode，APD）和一個兼容1G 和10G 的突發(fā)接收功能的跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）組成，接收波長分別為1 310 nm 和1 270 nm。

2 10G EPON 對稱OLT 光模塊的設計方案

2.1 10G EPON 對稱OLT 光模塊的發(fā)射原理

10G EPON 對稱OLT 光模塊的發(fā)射電路由5 個部分組成，分別是1G 激光器驅動電路、10G 激光器驅動電路、激光器、TEC 控制電路和外部電吸收調制器控制電路（Electro-Absorption Modulator，EAM）。其中：1G 和10G 激光器驅動電路的主要功能是讓兩個激光器分別發(fā)出光信號；TEC 控制電路是穩(wěn)定10G 光信號的發(fā)射波長；EA 電路主要是調制10G 光信號。差分輸入的電信號輸入到驅動芯片，經(jīng)過芯片調制后輸入到激光器，再由激光器轉變成光信號輸出[1]。10G EPON 對稱OLT 光模塊的發(fā)射結構如圖1 所示。

圖1 10G EPON 對稱OLT 光模塊發(fā)射結構

2.2 10G EPON 對稱OLT 光模塊的接收原理

10G EPON 對稱OLT 光模塊的接收電路有4 個部分組成，分別是1G 突發(fā)信號接收電路、10G 突發(fā)信號接收電路、APD 升壓電路和接收信號強度指 示（Received Signal Strength Indication，RSSI）采樣保持電路組成。由于OLT 的工作采用時分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA），在同一時間，只能出現(xiàn)一種速率的光信號[2]。所以，接收部分需要一個探測器（Avalanche Photodiode，APD）和一個可以工作在1～10 Gb/s 帶寬的TIA，把微弱光信號轉變成微弱電信號，再分別通過1G和10G 的接收電路（限幅放大器）輸出一定幅度的電信號。10G EPON 對稱OLT 光模塊的接收結構如圖2 所示。

圖2 10G EPON 對稱OLT 光模塊接收結構

3 10G EPON 對稱OLT 光模塊的電路設計

3.1 10G EPON 對稱OLT 光模塊的發(fā)射電路

10G EPON 對稱OLT 光模塊有1.25G 和10G 兩個發(fā)射，分別對應1 490 nm 和1 577 nm 兩個波長的信號，在電路設計上選擇MAX3738 和GN7151作為兩個激光器的驅動芯片。其中，1 577 nm 的波長采用EML 激光器，采用外調制方式驅動激光器發(fā)光。具體設計如圖3 和圖4 所示。

圖3 10G 發(fā)射電路

圖4 1G 發(fā)射電路

3.2 TEC 電路

為了保持10G發(fā)射波長穩(wěn)定在1 575～1 580 nm，在10G 發(fā)射電路中增加了TEC 控制電路，使10G激光器的工作溫度不會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，極大地穩(wěn)定了10G 激光器輸出波長。TEC 控制芯片選擇小封裝、驅動電流為1.5 A 的MAX8521。具體設計如圖5 所示[3]。

圖5 TEC 控制電路

3.3 10G EPON 對稱OLT 光模塊的接收電路

圖6 為突發(fā)接收的硬件設計電路。當有微弱光信號輸入時，APD 把接收到的信號轉換成電信號送入TIA。經(jīng)過TIA 的放大，再把電信號輸入到限幅放大器（Limiting Amplifier，LA）。在實際的設計中，為了達到最理想的接收靈敏度，選擇兩級PA 對1G和10G 信號進行放大處理。第一級放大電路是把TIA 的輸出信號先經(jīng)過高速的限幅放大器SY88063進行第一級放大，輸出信號再經(jīng)過第二級限幅放大器SY88903 和SY88063 分 別 輸 出1G 和10G 電 信號。在整個接收部分，TIA 的選取至關重要，既要求TIA 具有1～10 Gb/s 的帶寬，又要求TIA 在該帶寬內(nèi)具有快速的響應。具體設計如圖6 所示。

3.4 采樣保持電路

實際應用中，ONU 發(fā)出的光大小不一樣，且由于每個ONU 和OLT 的距離不一樣，導致實際到達OLT 的光功率會有一個較大的光功率范圍。這就要求OLT 可以接收不同的大光信號和小光信號，同時要采樣和上報這些接收到的光信號。在電路設計上，選擇DS3923 實現(xiàn)這一功能，具體電路如圖7所示。

3.5 升壓電路

此部分電路是提供APD 接收器件正常工作需要的高壓，以保證接收的高靈敏度要求。由于采用的是APD 型接收器，需要利用升壓電路給APD 接收器提供一個高壓偏置。升壓芯片是升壓電路正常工作的關鍵，決定了接收性能的好壞。設計中，選擇DC-DC Boost 芯片和倍壓電路實現(xiàn)升壓。具體電路如圖8 所示。

圖6 10G EPON 對稱OLT 光模塊的接收電路

圖7 10G 接收光功率的采樣保持電路

3.6 10G EPON 對稱OLT 光模塊的單片機控制電路

單片機控制電路的主要功能是實現(xiàn)對光模塊正常工作的流程控制，對相關芯片進行參數(shù)配置和ADC 與DAC 的轉換，以實現(xiàn)激光器的偏置電流（Ibias）、調制電流（Imod）、APD 升壓、TEC 工作溫度以及EA 偏置電壓的功能與控制。此外，10G EPON 對稱OLT 光模塊還需滿足SFF 8472 標準[4]，對光模塊的工作電壓、工作溫度、偏置電流、發(fā)射光功率和接收光功率進行實時監(jiān)控和上報。具體設計如圖9 所示。

圖8 升壓電路

圖9 10G EPON 對稱OLT 光模塊的控制電路

4 測試結果及分析

根據(jù)IEEE 802.3av 協(xié)議的要求，1.25 Gb/s 發(fā)射光功率在2～7 dBm，且突發(fā)接收靈敏度在誤碼率為10-12的條件下必須＜-29.78 dBm；而10.312 5 Gb/s發(fā)射光功率在2～5 dBm，且突發(fā)接收靈敏度在誤碼率為10-3的條件下必須＜-28.0 dBm[5]。對于10G EPON 對稱OLT 光模塊，可以從發(fā)射眼圖、10G 發(fā)射波長、突發(fā)接收靈敏度等方面來評估光模塊的主要性能，具體測試如下。

4.1 發(fā)射的主要指標

在0～70 ℃的工作溫度下，1G 的發(fā)射眼圖、10G 的發(fā)射眼圖和波長分別如圖10、圖11 和圖12所示，發(fā)射參數(shù)如表1 和表2 所示。

圖10 1G 激光器發(fā)射眼圖

圖11 10G 激光器發(fā)射眼圖

圖12 10G 激光器發(fā)射波長

表2 10G 激光器發(fā)射性能

實驗數(shù)據(jù)表明，在0～70 ℃的工作溫度下，1G 和10G 的發(fā)射眼圖分別滿足IEEE 802.3ah 和IEEE 802.3av 標準中的模板要求，且光功率變化較小，10G 發(fā)射波長在規(guī)定要求內(nèi)。

4.2 接收靈敏度

1.25G 接收采用PRBS 27-1 碼型進行突發(fā)接收測試，誤碼率為10-12；10.3125G 接收采用PRBS 231-1 碼型進行突發(fā)接收測試，誤碼率為10-3。接收靈敏度如表3 所示。

表3 接收靈敏度

以上測試結果顯示，1G 和10G 接收靈敏度均在標準范圍內(nèi)，且全工作溫度范圍內(nèi)變化較小，滿足要求。

5 結語

本文介紹了PON 網(wǎng)絡中的10G EPON 對稱OLT光模塊，重點介紹了10G EPON 對稱OLT 光模塊硬件電路的設計。從實驗結果看，各性能指標都能達到標準要求。