10G－EPON突发模式光收发模块的设计＊

沈雨剪，李 毅，2，李 榴，郑秋心，黄毅泽

（1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093）

引 言

随着全球数字化的快速推进，大容量、高速率的网络已成为必然趋势，网络用户对于视频点播、交互式网络电视、高清晰度电视等宽带服务的需求度越来越高。据统计，每位用户的带宽需求预计将以每3年一个数量级的趋势增长，从运营商未来的长期发展趋势分析，每位用户的带宽需求将会在50～100Mbit／s之间［1］。传统的以太网无源光网络（ethernet passive optical network，EPON）、吉比特无源光网络（gigabit－capable passive optical network，GPON）技术很难满足未来宽带业务的需求，因此迫切需要开展对下一代接入网技术的研究。目前讨论的下一代接入网技术有：万兆以太网无源光网络（10G－EPON），波分复用无源光网络以及无源光网络／光载无线通信融合网络等［2］。其中10G－EPON网络最具发展前景，因为它不仅能提供足够的带宽，而且是现有EPON的自然升级，具有很高的性价比。

从2005年开始，IEEE（美国电气和电子工程师协会）标准化工作组就着手进行10G－EPON技术的研究和标准化工作。2009年9月，相关标准正式发布（标准号为IEEE 802.3av）。IEEE 802.3av规定了包括10Gbit／s下行和1Gbit／s上行的非对称模式和10Gbit／s上／下行对称模式两种速率模式［3］。由此可以看出，10G－EPON在继承现有EPON特点的基础上，又提升了传输速率和上下行带宽等性能指标，已经走在了下一代接入网技术的前列。

文中首先依据IEEE 802.3av标准，分析了10G－EPON的系统结构和工作原理，重点介绍了10G－EPON与现有的EPON之间所存在的差异点。然后针对10G－EPON突发模式光收发一体模块的关键技术进行研究，特别是OLT端突发式接收和ONU端突发式发射所涉及的关键技术，提出了相应的设计方案。

1 10G－EPON系统结构及其对突发模式光收发模块的要求

1.1 10G－EPON的网络结构

如图1所示，10G－EPON的物理结构主要由光网络单元（optical network unit，ONU）、光线路终端（optical line terminal，OLT）和1∶N的光分配网络（optical distribution network，ODN）以及光纤组成。网络结构采用树形拓扑结构，多个ONU共享一条光纤通路和光分路器，这样能较好地节省安装和维护的成本。由OLT到ONU的数据传输称为下行传输，采用广播方式，各个ONU都会接收到来自OLT发送的数据，通过核对物理地址来确定是否接收；相同地，由ONU到OLT的数据传输称为上行传输，采用时分多址接入方式，每个ONU端只有在分配到的指定时隙内发送数据，因此要求10G－EPON的ONU端有支持突发式发射、OLT端有支持突发式接收的光电子器件。

10G－EPON有对称和非对称两种结构形式，非对称10G－EPON是指下行速率达到了10Gbit／s，而上行传输维持1Gbit／s速率，这主要是因为考虑到技术上的难度、用户的需求和成本等因素［4］。不过非对称结构只是一个过渡，最终要实现的是上下行对称的10Gbit／s的传输。图2是10G－EPON和现有EPON共存的网络结构示意图。

1.2 10G－EPON与1G－EPON的对比［5］

和现有EPON技术相比，10G－EPON在带宽、传输速率、分路比和平滑升级等方面具有其优势之处，主要表现在如下几个方面：

（1）10G－EPON的带宽能力是现有EPON的10倍，使得运营商提供诸如高清电视和3DIPTV等高带宽服务成为可能。

（2）10G－EPON规定了更高的光功率预算，使其能够支持更远的传输距离和更大的分路比，能够降低光纤到户的部署成本。

（3）10G－EPON标准充分考虑到了与现有EPON的共存，充分利用现有的ODN网络，逐步实现EPON向10G－EPON的平滑升级。因此，在未来的应用中，10G－EPON具有广阔的应用前景。

1.3 10G－EPON对突发模式光收发模块的要求

正是由于EPON的上行传输采用了时分多址接入方式，ONU必须使用具有突发式光发射功能的模块，OLT则要具备突发式接收数据的能力。从1G升级到10G的难点之一主要集中在光突发器件上，其性能要求因速率的提升而大大增加。突发器件的研制需要解决突发发射、突发接收和快速同步等问题。因为速率达到了10.312 5Gbit／s，要在非常短的时间内实现ONU激光器的正常发光和关断，以及在OLT接收端的快速功率适应和同步，故对半导体器件性能要求进一步提高。目前业界已经有川崎微电子、Vitesse和MindSpeed公司可以提供10G－EPON突发模式收发器件。

为了实现现有EPON和10G－EPON的兼容共用，同时由于在波长分配方面的特殊性，因此对所要制备的突发模式光收发模块也提出了不一样的要求。根据IEEE 802.3av标准，10G－EPON网络下行传输使用的波段是1 575～1 580nm，而现有EPON网络的下行波长的范围是1 480～1 500nm，因此ONU端可以采用波分复用的方式接收不同速率的信号。然而，在上行方向上，10G－EPON使用的波段为1 260～1 280nm，EPON的上行波长范围在1 260～1 360nm之间，因两者出现了重叠，不能简单地通过波分复用的方式进行区分，需要采用双速率的时分多址接入方式。因此对OLT端的接收机提出了更高的要求，要能够正确快速地接收1G／10G两种传输速率的数据。

2 OLT端双速率突发模式光收发模块的设计

2.1 整体结构设计

针对上述分析的情况，设计了应用于10G－EPON网络中OLT端的双速率突发模式光收发模块，图3为该模块原理结构框图。该模块主要由两大部分组成：传统的突发模式光收发模块以及过采样速率达82.5GS／s的突发式时钟和数据恢复电路［6］。传统的突发式光收发模块包括带有快速自动增益控制／自动阈值控制（AGC／ATC）功能的双速率突发式光接收电路以及10G／1G的光发射电路，通过一个三向模块，将它们集成封装在XFP管壳内。突发式时钟和数据恢复电路由82.5GS／s的过采样速率的时钟数据恢复专用IC芯片和基于数据选择逻辑电路的现场可编程门阵列（field－programmable gate array，FPGA）两部分构成。

图3 10G－EPON OLT端双速率突发模式光收发模块原理框图Fig.3 Block diagram of the dual－rate burst－mode transceiver for 10G－EPON OLT

在发送端，考虑到有些ONU用户只能接收1Gbit／s的广播信号，所以在设计的时候仍保留现有EPON OLT发射端的电路。并在此基础上进行升级，增加了对10G信号的驱动调制输出电路，从激光器响应速度等方面考虑，选用了将电吸收调制器与激光器封装在一起的高功率电吸收调制激光器输出10G光信号［7］，通过光纤和光放大器进行传输。

2.2 双速率数据接收

在10G－EPON系统中，OLT端接收到的上行信号中包含有1Gbit／s和10Gbit／s两种速率的数据，要求OLT能对这两种速率的数据信号进行快速检测并分离，这是OLT端突发式光收发一体模块设计的难点所在。

如图4所示，目前主要有两种实现方式：可以将接收到的双速率突发信号在光域中分离或是在电域中分离［8］。在光域中［图4（a）］，首先光分光器对接收到的光信号分路，再引入各自的探测器进行光电转换，其后可接一个宽带优化的滤波器，提高接收机的灵敏度。可是由于使用了分光器，进而引入3dB的损耗，对整个系统会产生一定的影响。因此在设计的时候，现更多的是将信号在电域中进行分离［图4（b）］，只需使用一个光探测器和一个前置放大器，大大简化了OLT接收端的复杂度。然而光电探测器和前置放大器要具备快速处理两种速率信号的能力，并针对1Gbit／s和10Gbit／s两种速率能进行频繁的切换，还要求在400ns内完成对突发光信号的转换，这对器件的要求就大大提高。目前器件供应商Mindspeed公司已经研制出了适用于双速率下的前置放大器（M02138），其特征是可以在1Gbit／s和10Gbit／s的双速率条件下工作［9］，该公司还研制出了10G速率的限幅放大器芯片（M02142）。

图4 双速率接收方式Fig.4 Two ways of dual－rate receiving method

同时，设计时还要考虑接收端具有AGC和ATC的功能。AGC电路允许对不同幅值、不同功率的信号都能以合适的增益放大，方便后级电路进行处理；ATC电路要求用合适的阈值电平对信号进行整形和再生成。此外，突发模式的时钟和数据恢复电路的功能是对光突发式接收电路传来的经整形后的具有随机相位的光信号进行再定时，有利于提取正确的信号。

3 ONU端突发模式光收发模块的设计

图5为10G－EPON ONU端的突发模式光收发一体模块的结构框图。ONU端光收发模块设计成尺寸为78.0mm×18.3mm×8.5mm的XFP封装，且功耗控制在2.8W以内（＋3.3V和＋5.5V电源供电）。主要由3部分构成：单纤双向组件、直流耦合的突发式LD驱动电路和连续式接收电路。单纤双向组件是由TOSA（光发射次模块，将发射1 270nm波长的EML激光器和背光检测二极管封装成TO结构）、ROSA（光接收次模块，高灵敏度的APD－TIA构成）和滤光片（波分复用滤光片）所构成。

为了满足应用于10G－EPON的要求，在发射模块中额外设计了一个预偏置电流产生电路，其主要功能是保证在ONU指定的发射时隙内快速数据调制并输出光信号。在阈值电流以下，激光器没有信号输出。一旦驱动电流达到阈值电流后，激光器就能输出信号，且输出信号的强度和驱动电流成正比。因此，激光器输出带有调制信号的激光都需要一定的等待时间，而10G－EPON系统中需要器件都能快速响应，因此这是一个需要解决的问题。现设计了激光器预偏置电流产生电路，在两个数据帧之间保护时隙的末端，对激光器进行预偏置，使驱动电流稍低于阈值电流。这样，在需要发送数据的时候，就能很快开启激光器，输出带有调制信息的光信号，这种方式有效地减少了激光器的响应时间。另外，由于激光器很容易受到温度的影响，故在发射电路中需加上自动功率控制和自动温度控制电路，使激光器输出功率有比较恒定的值，并且在工作期间也不会引起温度的过高变化，避免恶化激光器的输出信号。

图5 10G－EPON ONU端突发模式光收发模块结构框图Fig.5 Block diagram of burst－mode transceiver for 10G－EPON ONU

4 结 论

随着三网融合的具体实施，面对不断增长的带宽需求，EPON和GPON在一两年后将难以满足，而10G－EPON则能提供足够的带宽。可以预计从明年开始10G－EPON将会大规模商用［10］，将逐渐完成升级并最终成为主流。

作为10G－EPON系统的关键部分，突发模式光收发一体模块对于其发展和推进起着重要的作用。文中分别针对OLT端和ONU端的突发模式光收发模块的特点和难点展开研究，并进行了理论分析和原理设计。在OLT端，对其整体结构进行了设计，主要包括连续模式的1G／10G信号的调制和发射、双速率突发模式信号的接收和高速的时钟和数据恢复电路，重点分析了其难点技术——双速率接收方式，提出了可行的解决方法。在ONU端，为了节约制备成本，选用了单纤双向组件，并结合突发式激光驱动电路和连续式接收电路构成整体的设计，通过增加产生预偏置电流的电路，优化了激光器的快速响应时间，提高了系统的整体性能指标。相关设计对于今后10G－EPON突发模式光收发一体模块的研究和制备，有着重要的指导意义。

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