EPON光收发模块的性能要求

筱莜3635

EPON光收发模块的性能要求

　

　　由EPON的应用方式、技术标准和解决方案可以看出，EPON主要具有3个技术特点：（1）速率高，可达到1．25 Gbit／s，今后还可以向10 Gbit／s扩展，同时传输距离远，一般要求传输20 km；（2）使用时分多址（TDMA）的多路接入方式，即要求下行局端设备光线路终端（OLT）为连续码流发送，而上行远端设备光网络单元（ONU）的数据流为突发发送；（3）采用单纤双向，上下行方向使用不同波长（1 310 nm／1 490 nm）的光源，实现全双工的工作方式．这些技术特点，使EPON设备对光收发模块的性能和参数有一些特殊的要求，不能简单地选用一般以太网光收发器件．下面就针对EPON的几个技术特点，分别论述其对光收发器件的要求．

　　在高速光通信系统中的光发送机使用FP激光器或者DFB激光器．由图1可见，使用FP激光器作为光发射机时，其传输速率和传输距离成反比，因此传输距离是根据传输速率和实际网络的应用来权衡决定的．一般EPON多用于光纤到路边（FTTC）、光纤到家庭（FTTH）和光纤到大楼（FTTB），其中FTTC是目前使用EPON最经济的配置．考虑到这些因素，IEEE802．3ah建议EPON中承载千兆以太网帧的速率为1．25 Gbit／s，同时传输距离要求为10或者20 km．为了满足这一速率要求，就需要对光收发器件的一些参数做一定的限制．

　　当速率为1．25 Gbit／s时，每个“1”或者“0”所占据的宽度为T＝800 ps，因此需要很高的调制速率．然而在高速调制时，将发生与动态光谱展宽等效的动态波长移动（啁啾所致）［2］，这是由于载流子浓度震荡引起折射率变化而导致的波长在调制周期内的周期性移动．因而激光器的动态光谱展宽就是一个很重要的参数，图2给出了FP激光器的色散与传输速率的关系，从图中可以看出，色散越小，所能达到的最大传输速率也就越大．而DFB激光器与FP激光器相比，动态光谱展宽很小，因而适合高速调制．

高速光通信系统要求光收发器件的激光器为动态单纵模（SLM）工作，这一方面是为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生的模分配噪声；另一方面纵模的减少也是得到窄的光谱线宽所必须的，窄的线宽有利于减少高速光通信系统中光纤色散的影响．通常使用－20 dB的光谱线宽来衡量它在高速情况下抗光纤色散影响的能力［2］．

　　然而一些激光器在高速调制时会由于模分配噪声、啁啾等现象使光谱加宽、边模抑制比下降而出现多纵模，使系统性能下降．通常使用边模抑制比（即第1阶边模的功率与主模功率之比）来作为激光器单模性能的衡量标准［2］．通常对于传输速率在1 Gbit／s以上的光纤通信系统，要求激光器的边模抑制比在30 dB以上．一般的FP激光器的谐振腔中，各个纵模分量在腔内得到的反馈量是相同的．而在DFB激光器中，谐振腔具有对某一波长选择反馈的作用，因而具有较好的纵模特性［2］．由于EPON的OLT对其光收发器件的性能要求比较高，所以其中的激光器一般都选用DFB激光器．

　　对数字通信而言，还希望有较大的消光比，因为消光比越高，付出的功率代价就越小．但是在高速调制时，由于激光器有较大的张弛震荡而产生过量的啁啾［2］，所以消光比也不能过大．

　　此外，对激光器的发射波长也有一定的要求．一般当传输速率小于100 Mbit／s、传输距离小于20 km时，选择850 nm附近的波长较为合适．对于传输速率大于200 Mbit／s的长距离通信系统，则需要选择1 300～1 600 nm的工作波长．

　　InGaAs－InP光电二极管一直是1 310和1 550 nm光通信系统中光电探测器（PD）的基础．最常用的PD是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD），两者都是通过吸收光能产生电流．通信中01应用的高速光电探测器的基本要求是高灵敏度和快速响应速率．灵敏度是描述光电探测器检测光信号能力的一种重要的性能指标，它与系统要求的误码率的指标有关．高性能光纤通信系统一般要求误码率为10－12，而灵敏度就定义为接收机在误码率为10－12时所要求的最小平均接收光功率．在高速、长距离传输的系统中，色散会导致灵敏度严重劣化，因此需要选择灵敏度性能较好的光电探测器．对于1 Gbit／s的通信系统，灵敏度一般要大于－30 dB．而且还要根据传输距离的远近来选择灵敏度参数．由于APD比PIN具有更高的响应度，能够探测到更小功率的光信号，所以，在EPON系统中传输距离要求20 km时，光收发器件中的探测器一般要求使用APD．

　　无论是发送机（激光器）还是接收机（光电探测器），对反馈的光都极为敏感．在光纤通信中，由于熔接点、活动连接点和光纤末端等处的折射率不连续，必然存在一定的反射光．即使很少量的反射光也会引起半导体激光器输出附加噪声、加宽光谱线宽．同时在熔接点和活动连接点之间的多次反射会产生附加强度噪声，使接收机性能劣化．因此对于光模块的选择来说，反射光功率也是需要考虑的问题之一．

　　PON的上行多路接入的实现方案可以有波分多址（WDMA）、TDMA和码分多址（CDMA）3种．使用WDMA可以提供高带宽，实现起来也最简单．但是OLT对应每个ONU都要有发送特定波长的激光器，而且每个ONU的发送机也必须有波长特定的激光器，在添加一个新的ONU时，还需要确定OLT是否有保留的发射机．这样就会使成本增加，而且可扩展性也不好．如果使用TDMA方式，那么无论连接了多少个ONU，OLT都只需要一个发射机，但是它要求各ONU同步，所以实现起来比较复杂．使用CDMA方式可以不限制用户的数量，而且保密性好，但是随着用户数的增加，各个频段的干扰也加强了，更重要的是物理器件必须能处理比用户数据的传输速率更高的信号速率，复杂性较高．由此可见，比较而言TDMA是最佳的解决方案［3］．

　　由于采用TDMA的复用方式，每个ONU只在允许自己发送的时间段才能发送数据，因此在上行方向上，ONU的发送是突发的，OLT的接收也是突发的．而在下行采用广播方式连续发送数据流，每个ONU都能接收到OLT的信号，而不管这个信号是否是给它自己的，因此下行方向，OLT的发送是连续的，ONU的接收也是连续的．

　　虽然对于使用155或者622 Mbit／s的基于ATM技术的PON（APON）和1 Gbit／s的EPON，其复用方式都相同，但是由于速率的不同，并且其中承载的数据帧格式也不同，因此对于光收发器件突发模式的参数要求也就不同．一般对于突发模式有下列几个参数是需要注意的，如图3所示．

　　图中，Tsd为激光器的关断时间，即ONU从一个稳定发送数据的状态转变为“OFF”状态所需要的最大的时间；Tpb为激光器的预偏置时间；Tdsr为动态灵敏度恢复时间．由于各ONU传输距离不同，或者光模块不同等原因，从不同ONU来的信号电平可能不完全相同，所以OLT需要调整它的灵敏度；Tlr为电平恢复时间；Tcr为时钟恢复时间，OLT与ONU同步所需要的最大时间．

　　其中，Tpb、Tlr和Tcr之和就是ONU光模块的“Turn－ON”时间，即ONU光模块从不发送数据的状态（OFF）转变成为稳定发送数据的状态（ON）所需要的最大时间．例如某个ONU在其时隙中开始的时间．这对于动态突发模式是一个非常重要的参数．

　　对于TDM系统所使用的光模块，还需要考虑的参数是ONU处于“OFF”状态时的功率，也可以称为漏光（Leakage）的功率，此时光模块处于开的状态，但是并没有发送数据，比如处在别的ONU发送数据的时隙［5］．控制“OFF”能量主要是为了在几个、甚至所有的ONU都处于“OFF”状态时，发出的总的功率不会干扰到OLT光模块对信号的接收．

　　同时还要考虑OLT和ONU光模块收发的孤立性［5］，这个参数可在光模块或者光纤的端面上测量．孤立性主要是为了防止来自发送信号的噪声和串扰．

　　由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用．从20世纪80年代末起，我国国家干线网上敷设的都　　11是常规单模光纤．常规单模光纤同时具有1 550和1 310 nm两个窗口，最小衰减窗口位于1 550 nm处．国际上多数商用光纤在1 310 nm窗口的衰减都为0．3～0．4 dB／km；在1 550 nm窗口的衰减为0．19～0．25 dB／km．考虑到成本和通用性等问题，在PON中，无论是APON，还是EPON，都使用G．652光纤．为了同时传送上行和下行两个方向的数据业务，一般采用单纤双向．在单纤双向系统中可使用1 550 nm／1 310 nm，1 490 nm／1 310 nm这样几种波长，在APON中光收发器件多使用1 550 nm／1 310 nm这两种波长，而在EPON中使用的光收发器件目前都倾向于使用1 490 nm／1 310 nm的波长．因此针对单纤双向的特性，在选择EPON光模块的时候，需要考虑双向WDM器件的一些参数．

　　WDM系统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光信号，各个通路的信号波长不同，而且对中心频率偏移有严格规定．两个通路如果波长偏移过大，就会造成通路间的串扰过大，产生误码．

　　使用双向WDM技术的光模块时，必须考虑WDM器件的多通路干扰（MPI）和光反射的影响，另外还需考虑串音（串音是由于波分复用／解复用器不完善带来的串扰）、两个方向传输功率电平数值、光监控通路（OSC）传输和自动功率关断等一系列问题．

　　目前的光通信市场竞争越来越激烈，要求通信设备的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高，这就要求光器件高度集成，封装更小．而如果光模块支持热插拔，那么网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响．同时热插拔性也可以简化总的维护工作．因而在选择EPON系统中使用的光收发器件时，除了要对上面所介绍的参数做出选择以外，还需要注意光器件的封装、功耗和热插拔等性能．同时由于平面波导技术具有适于批量生产、重复性好、尺寸小、可以在光掩膜过程中实现复杂的光路和与光纤的对准容易等等优点，许多光器件厂家在研制高速光收发模块方面都逐渐倾向于使用平面波导技术．

　　据悉，目前业界仅有两家公司宣称开发出了E－PON光模块，即日本的OKI公司和Broadlight公司，但是两家公司都没有大规模生产．在国内有“八六三”上海光电基地（博为公司）准备研发EPON光模块，预计将在2003年底推出产品．

　　EPON设备所使用的光模块主要由以下几部分组成：波分复用器、激光器、光电探测器、自动门限控制电路（ATC）、时钟数据恢复电路（CDR）等．图4和5分别为Broadlight公司和OKI公司的OLT端光模块的原理框图，由原理图可知OKI公司的光模块没有CDR电路，同时OKI公司的光模块还需要外加ATC复位信号，那么在EPON系统的局端单盘上需要增加CDR电路，并需要根据此光模块的要求在电路上实现ATC复位．而Broadlight公司的光模块具有CDR电路，在局端设备的OLT单盘中就不需要外加CDR电路，给设备制造提供了方便．但是两者的光模块都需要外加的伺服信号，比如CDR和ATC的复位信号等，这样使得光模块对外部电路有一定依赖性，对系统的适应性和独立性不是很好．显然，具有CDR功能，同时又不需要伺服信号的突发光模块是业界努力的方向．