EPON中的ONU用收发一体模块设计

1.前言

随着信息社会的快速发展，人们对信息的依赖程度越来越高，对信息量的需求越来越大。Internet业务的普及和发展为人们提供了一种优良的信息获取和交流的平台；此外，随着人们对以高清晰度电视为代表的高带宽信息的需求越来越大，新型的宽带传输技术将越来越多的替代传统的窄带传输技术。在这些新技术中，由于传输带宽宽、对业务透明、易于维护和管理、升级便利、成本较低等优点使得结合了成熟的以太网技术和无源光网络技术的EPON（以太网无源光网络）系统成为一种很好的光纤宽带接入技术方案。

EPON系统由OLT（光线路终端-Optical Line Termination）、ONU（光网络单元-Optical Network Unit）和光纤配线单元组成，系统使用以太网协议。我们称从OLT经过1：N光无源分路器到ONU的为下行信号，从ONU到OLT的为上行信号。EPON系统的数据通过不定长的数据包传输，数据包长度依照IEEE802.3以太网协议，最长为1518字节。下行信息采用广播方式从OLT发给多个ONU。每个包携带的信头唯一地标识数据所要到达的特定ONU，此外有一些包发给所有的ONU，称为广播包，还有一些包是发给一组ONU的，称为多播包。数据流通过光分路器后分为N路独立的信号，每路信号都含有发给所有特定ONU的数据包。当ONU接收到数据流时，只提取发给自己的数据包，将发给其他ONU的数据包丢弃。从各个ONU到OLT的上行数据通过时分多址（TDMA）方式共享信道进行传输，OLT为每个ONU都分配一个传输时隙。这些时隙是同步的，因此当数据包耦合到一根光纤中时，不同ONU的数据包之间不会产生碰撞。上行技术是EPON的核心技术，对于采用TDMA上行技术方案的EPON系统的主要技术包括：定时与往返延时补偿技术、TDMA复用技术、带宽动态分配技术、初始测距和即插即用技术。

本文介绍用于EPON系统中的上行信号传输的突发式光发射和用于下行的连续模式光接收的ONU光收发一体模块。

2.EPON对光电模块的技术要求

由上述的介绍可知，EPON的下行是个典型的点对多点的系统，上行是多个ONU到OLT的TDMA系统。即下行可以使用传统的连续模式光传输技术即可，而上行则必须使用突发模式光传输技术才能满足系统的要求。所以，EPON对光电模块的技术有如下的要求：

a)由于使用了无源光分路器使得光纤线路损耗增加许多，下行信号的发射光功率要足够的大、接收灵敏度要足够的高，以满足20Km的传输距离。

b)上行线路的OLT处将汇集各个ONU的光信号，为保证很低的误码率和一定的传输距离，要求该处有较高的消光比；IEEE802.3ah要求各个ONU在没有向OLT传输数据时关闭该激光器并使得此时的输出光功率小于-45dbm。

c)由于EPON的速率为GB/S，为充分利用发射时隙，要求上行的ONU的突发式光发射模块的开启/关闭时间小于512ns。

d)由于各个ONU的位置不同、距离不同、光线路状态不同，到达OLT的各个ONU光信号幅度不一，要求OLT的接收部分为突发式、高动态范围。

e)由于ONU放置在用户端，所以要求ONU光电一体模块高可靠、低功耗、低成本。

3.ONU光收发一体模块设计

a)结构设计

为满足上述要求，ONU光收发一体模块的结构采用带尾纤的2*6 PIN的SFF（Small Form Factor ,小外型因数）结构，光接口为LC。

b)BiDi组件设计

BiDi（Bi-direction，单纤双向LD/PIN-TIA组件）是ONU光收发一体模块中的核心器件。有如下要求，其一为为满足低成本要求，选择FP-LD，其中心波长为1310nm，光谱宽度不大于3nm，工作温度范围在-45℃~+85℃，速率大于1.25Gb/S；其二为背探光探测器的响应速度较高，使LD器件适合突发模式工作；其三为PIN-TIA组件的速率达到1.25Gb/S，接收灵敏度高于-24dbm；其四为小尺寸、低成本、高可靠。我们研制的样品通过了可靠性考核完全满足上述要求。

c)突发式光发射电路设计

与连续模式LD驱动电路不同，突发模式的LD驱动电路除了对驱动电流快速调制外，对LD的偏置电流也需要开关控制，因此LD的驱动单元共有4个驱动口。如图3所示。TD+、TD-为EPON系统ONU单元发给突发模式驱动电路的差分输入信号，EN+、EN-为系统控制LD的开关信号。即在需要该ONU发射光信号时，系统控制部分给EN+、EN-发来打开信号使LD的偏置处于阈值电流以上，此时，该ONU向OLT发出正常的调制光信号；当系统控制部分给EN+、EN-发来关闭信号时，此时，该ONU不再向OLT发出光信号。此外，为保证输出光信号的稳定电路设计中还应考虑快速APC的设计。目前，已有IC供应商提供CMOS工艺的集成方案。

d)接收电路设计

由于该部分是传统的连续模式光接收方式，采用成熟的PIN-TIA器件和集成的限幅放大器IC技术方案，在此不再累述。

e)测试结果

所有样品使用Agilent 86100A示波器、MP1605误码仪和SDA6020串行数据分析仪进行了测试。

4.结论

目前该模块已经通过小批量可靠性考核；经过仪器测试和在EPON系统上的实际使用，证明该模块指标满足IEEE802.3ah的建议要求，主要技术指标达到了国外同时期同类产品水平，而且，模块体积更小，结构符合SFF协议，给用户的使用带来方便。