10G EPON 对称OLT 光模块的设计与实现*

2020-07-19王磊

通信技术 2020年7期

王磊

（江苏奥雷光电有限公司，江苏镇江 212009）

0 引言

在光纤通信高速发展的今天，PON 技术以其公认的高带宽、长距离、多业务、低成本以及易维护等特点，成为当前各运营商首选的数据业务接入模式。但是，随着用户对带宽需求的不断提高，现有1G EPON 网络成为瓶颈。同时，随着OLT 接入能力的不断提升，用户数量也在飞速增长。因此，速率的大幅提升成为当前的关注热点，而10G EPON接入技术是最好的解决方案。10G EPON 在系统结构上仍然延续了1G EPON 的典型拓扑结构，可以实现从1G EPON 到10G EPON 的平滑升级，不仅能与1G EPON 完全共用ODN 系统，还能够直接与EPON ONU 互通。10G EPON OLT 既满足原有的1G 业务，又兼顾了10G 业务，同时10GEPON 对称OLT 光模块也是10G EPON 非对称OLT 光模块的升级，直接将上行速率提升到10.312 5 Gb/s，极大地满足了用户对上行带宽的需求。

1 10G EPON 对称OLT 光模块简介

10G EPON 对称OLT 光模块采用的是上行突发接收和下行连续发射的工作模式，主要由单纤三向组件（Triplexer）、发射电路、接收电路和控制电路组成。Triplexer 由2 个发射器件和1 个接收器件组成。其中，发射器件由一个波长为1 577 nm 的10.3125G 的电吸收调制激光器（Electro-absorption Modulator Laser，EML）和一个波长为1 490 nm 的1.25G 的分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）组成。接收器件是由一个雪崩二极管（Avalanche Photodiode，APD）和一个兼容1G 和10G 的突发接收功能的跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）组成，接收波长分别为1 310 nm 和1 270 nm。

2 10G EPON 对称OLT 光模块的设计方案

2.1 10G EPON 对称OLT 光模块的发射原理

10G EPON 对称OLT 光模块的发射电路由5 个部分组成，分别是1G 激光器驱动电路、10G 激光器驱动电路、激光器、TEC 控制电路和外部电吸收调制器控制电路（Electro-Absorption Modulator，EAM）。其中：1G 和10G 激光器驱动电路的主要功能是让两个激光器分别发出光信号；TEC 控制电路是稳定10G 光信号的发射波长；EA 电路主要是调制10G 光信号。差分输入的电信号输入到驱动芯片，经过芯片调制后输入到激光器，再由激光器转变成光信号输出[1]。10G EPON 对称OLT 光模块的发射结构如图1 所示。

图1 10G EPON 对称OLT 光模块发射结构

2.2 10G EPON 对称OLT 光模块的接收原理

10G EPON 对称OLT 光模块的接收电路有4 个部分组成，分别是1G 突发信号接收电路、10G 突发信号接收电路、APD 升压电路和接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）采样保持电路组成。由于OLT 的工作采用时分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA），在同一时间，只能出现一种速率的光信号[2]。所以，接收部分需要一个探测器（Avalanche Photodiode，APD）和一个可以工作在1～10 Gb/s 带宽的TIA，把微弱光信号转变成微弱电信号，再分别通过1G和10G 的接收电路（限幅放大器）输出一定幅度的电信号。10G EPON 对称OLT 光模块的接收结构如图2 所示。

图2 10G EPON 对称OLT 光模块接收结构

3 10G EPON 对称OLT 光模块的电路设计

3.1 10G EPON 对称OLT 光模块的发射电路

10G EPON 对称OLT 光模块有1.25G 和10G 两个发射，分别对应1 490 nm 和1 577 nm 两个波长的信号，在电路设计上选择MAX3738 和GN7151作为两个激光器的驱动芯片。其中，1 577 nm 的波长采用EML 激光器，采用外调制方式驱动激光器发光。具体设计如图3 和图4 所示。

图3 10G 发射电路

图4 1G 发射电路

3.2 TEC 电路

为了保持10G发射波长稳定在1 575～1 580 nm，在10G 发射电路中增加了TEC 控制电路，使10G激光器的工作温度不会随着环境温度的变化而变化，极大地稳定了10G 激光器输出波长。TEC 控制芯片选择小封装、驱动电流为1.5 A 的MAX8521。具体设计如图5 所示[3]。

图5 TEC 控制电路

3.3 10G EPON 对称OLT 光模块的接收电路

图6 为突发接收的硬件设计电路。当有微弱光信号输入时，APD 把接收到的信号转换成电信号送入TIA。经过TIA 的放大，再把电信号输入到限幅放大器（Limiting Amplifier，LA）。在实际的设计中，为了达到最理想的接收灵敏度，选择两级PA 对1G和10G 信号进行放大处理。第一级放大电路是把TIA 的输出信号先经过高速的限幅放大器SY88063进行第一级放大，输出信号再经过第二级限幅放大器SY88903 和SY88063 分别输出1G 和10G 电信号。在整个接收部分，TIA 的选取至关重要，既要求TIA 具有1～10 Gb/s 的带宽，又要求TIA 在该带宽内具有快速的响应。具体设计如图6 所示。

3.4 采样保持电路

实际应用中，ONU 发出的光大小不一样，且由于每个ONU 和OLT 的距离不一样，导致实际到达OLT 的光功率会有一个较大的光功率范围。这就要求OLT 可以接收不同的大光信号和小光信号，同时要采样和上报这些接收到的光信号。在电路设计上，选择DS3923 实现这一功能，具体电路如图7所示。

3.5 升压电路

此部分电路是提供APD 接收器件正常工作需要的高压，以保证接收的高灵敏度要求。由于采用的是APD 型接收器，需要利用升压电路给APD 接收器提供一个高压偏置。升压芯片是升压电路正常工作的关键，决定了接收性能的好坏。设计中，选择DC-DC Boost 芯片和倍压电路实现升压。具体电路如图8 所示。

图6 10G EPON 对称OLT 光模块的接收电路

图7 10G 接收光功率的采样保持电路

3.6 10G EPON 对称OLT 光模块的单片机控制电路

单片机控制电路的主要功能是实现对光模块正常工作的流程控制，对相关芯片进行参数配置和ADC 与DAC 的转换，以实现激光器的偏置电流（Ibias）、调制电流（Imod）、APD 升压、TEC 工作温度以及EA 偏置电压的功能与控制。此外，10G EPON 对称OLT 光模块还需满足SFF 8472 标准[4]，对光模块的工作电压、工作温度、偏置电流、发射光功率和接收光功率进行实时监控和上报。具体设计如图9 所示。

图8 升压电路

图9 10G EPON 对称OLT 光模块的控制电路

4 测试结果及分析

根据IEEE 802.3av 协议的要求，1.25 Gb/s 发射光功率在2～7 dBm，且突发接收灵敏度在误码率为10-12的条件下必须＜-29.78 dBm；而10.312 5 Gb/s发射光功率在2～5 dBm，且突发接收灵敏度在误码率为10-3的条件下必须＜-28.0 dBm[5]。对于10G EPON 对称OLT 光模块，可以从发射眼图、10G 发射波长、突发接收灵敏度等方面来评估光模块的主要性能，具体测试如下。