（光学工程专业论文）epon用小型封装光模块的研究与设计.pdf

摘要 摘要 接入网已成为现代通信网发展的瓶颈，其宽带化趋势不可避免。接入方式按 传输媒质可分为x d s l , h f cc a b l em o d e m 、无线和光纤接入等。光纤接入是最符 合未来网络发展的接入手段，其中无源光网络又被视为其中最有发展潜力的技术， 而实现光电、电光转换的光收发合一模块是实现p o n 正常运行的关键部件，p o n 网络的精髓就物理层来说体现在与传统光模块的差异。 由于p o n 系统中下行传输是采用广播方式进行，对局端设备的发射端和用户 端设备的接收端来说，工作方式与传统的光模块一样。而p o n 系统中上行传输是 通过时分复用方式进行的，对终端用户来说，发射端必须工作予突发发射方式； 而对局端设备来说，必须工作于突发接收方式 为使光模块更方便地与其他设备接口，e p o n 用局端和用户端光模块都按照 小型封装设计，并在符合行业接口标准的前提下，增加了必要的监控功能。本文 成功研制了s f f2 5 2 6 封装的e p o n 用户侧光模块和s f f2 x 6 封装的e p o n 局 侧光模块，并通过在线测试，完全能满足e p o n 系统应用。 绪论部分首先对e p o n 的结构进行分析并得出按入网中应用e p o n 技术的诸 多优点，然后介绍了e p o n 在全球的发展动态以及光收发合一模块，最后介绍了 课题来源。 第二章跌e p o n 的层次模型出发分析了其物理层结构、 ；c 及该结构对光模块 的影响。着重分析了物理层突发发射和突发接收关键技术、以及它们对器件的特 殊要求。 第三章为光模块的具体设计部分，首先对光收发合一模块对外接口标准和 e p o n 标准对光模块的要求作了详细说明，然后分别就用户侧和局侧光模块从总 体设计到各模块的分别设计进行了详细介绍。最后对设计中的抗干扰处理作了分 析和说明。 第四章是光模块的调试和测试，首先介绍了一般光参数的调试和测试，并对 测试系统和测试结果作了分析，然后介绍了突发性能的测试方法及测试结果分析。 关键词；宽带接入网，e p o n ，光模块，$ f f ，突发模式 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c e s s n e t w o r kh a sb e c o m eab o t t l e n e c ki nt h e d e v e l o p m e n to fm o d e r n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，a n db r o a d b a n dt r e n di s m e 咖b l e a c c o r d i n g t ot h e t r a n s m i s s i o nm e d i u m , a c c e s sn e t w o r k sc a nb cd i v i d e di n t ox d s l ，h f cc a b l em o d e r n , 耐r e l c s sa n df i b e ra c c e s s ，e t c o p t i c a la c c e s si st h eb e s tm e a n so fa c c e s sn e t w o r k sf o r f u t u r e ，a n dt h ep a s s i v eo p t i c a ln e t w o r kt e c h n o l o g yi s e na st h em o s tp r o m i s i n g 1 1 艟 o p t o e l e c h o n i e ，e l e c 仃o - o p f i c a lc o n v e r s i o ni np o n so p t i c a lm o d u l e sm a k e si t t h e i n d i s p e n s a b l ek e yc o m p o n e n t s 1 1 搪d i f f e r e n c eb e t w e e no p t i c a lm o d u l e sf o rp o na n d c o n l m o n o p t i c a lm o d u l e se m b o d i e st h ee s s e n c eo f n l ep h y s i c a ll a y e ri np o n a sp o n s y s t e md o w n l i n kt r a n s m i s s i o ni sb r o a d c a s t i n g ，t h et r a n s m i t t e r f o rc oa n dt h e t e c e i v 盯f i ) rc p ew o r kt h es a n l ew a yw i t ht h et r a d i t i o n a lo p t i c a lm o d l l i e s 1 1 l eu p l i n k t r a n s m i s s i o no fp o nu s e st h et d m t e c h n o l o g y s o ，f o ro n u s ，t h et r a n s m i t t e rm u s t w o r ka tb u r s tm o d e ；a n df o ro l t , t h er e c e i v e rm u s tw o r ka tb u r s tm o d e t o 溅i tm o r ec o n v e n i e n tt oi n t e r f a c ew i t ho t h e re q u i p m e n t s ，e p o no p t i c a lm o d u l e s f o r0 l ta n d0 n ua r ed e s i g n e da c c o r d a n c ew i t ht h ei n d u s t r ys t a n d a r d so fs m a l l p a c k a g e ，o nt h ep r e m i s et h a ti n c r e a s et h en e c e s s a r ym o n i t o r i n gf u n c t i o n s i nt h i sp a p e r , m o d u l e sf o ro n uw i t ha p a c k a g eo fs f f2x5 2 x6a n df o ro l tw i t hap a c k a g eo f s f f2x6h a v es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h r o u g ht h eo n l i n et e s t s , t h e yc a nm e e te p 0 n s y s t e m i l lt 1 1 ep r o l e g o m e n o n , f i r s ta n a l y s e st h es t r u c t u r eo f p o na n de d u c e st h ea d v a n t a g e so f a p p l i c a t i o np o nt e c h n o l o g y ，t h e ni n 订o d u c c st h el a t e s td e v e l o p m e n to f e p o n , a n dt h e o p t i c a ln a n s c e i v c rm o d u l ei n t e g r a t i o n , i nt h ee n de x p l a i n st h es o u r c o f t a s k c h a p t e r2f i r s ta n a l y s e st h r o u g ht h ep h y s i c a ls t r u c t u r eo fe p o n ，e d u c e st h ei n f l u e n c e o fo p t i c a lm o d u l e s t h e nf o c u s e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e s ：b u r s tt r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e ro f p h y , a sw e l la st h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rt h ep h yd e v i c e c h a p t e r3i st h es p e c i f i cd e s i g no fo p t i c a lm o d u l e s ，f i r s tt h es t a n d a r de x t e r n a li n t e r f a c e f o ro p t i c a lm o d u l e sa n dt h er e q u i r e m e n t sf o re p o no p t i c a lm o d u l e sa r ed e s c r i b e di n h a b s t r a c t d e t a i l t h e nt h eo p t i c a lm o d u l e sf o ro l ta n do n uf r o mg e n e r a lt om a t e r i a lp o r t i o n d e s i g na l ed e t a i l e , dd e s c r i b e d f i n a l l y , t h ep a r t i c u l a rd i s p o s a lf o ra n t i - i n t e r f e r ei nd e s i g n h a si n t r o d u c e d c h a p t e r4i st h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n go fo p t i c a lm o d u l e s ，f i r s tf o rt h eg e n e r a lo p t i c a l p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h et e s t i n gs y s t e ma n dt h et e s tr e s u l t sa n a l y s i s ，t h e nf o rt h eb u r s t p a , f o n n a n c et e s tm e t h o d sa n d t e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k , e p o n ，o p t i c a lm o d u l e ，s f f , b u r s tm o d e u i 图形目录 图1 1 图l - 2 图2 - 1 图2 - 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 - 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图形目录 p o n 系统示意图2 p o n 的拓扑结构3 点对点与点对多点链路的层次模型对比7 e p o n 的物理层模型8 光通信系统中的两种信号 激光二极管的调制原理图l l 数字激光发射机框图 采用峰值检测器的b m - a p c 1 3 基于积分和放电、数字存储器的a p c 1 4 直接检测式数字光接收机框图1 5 交流耦合方式接收机 两种方式的直流耦合接收机一1 7 预存储功率的突发接收1 8 b m - t l a 工作电路框图1 9 连续模式和突发模式下a c 耦合后的信号2 0 d c 耦合的突发模式限幅放大器框图 s f f2 x 1 0 、s f f2 x 5 和$ f f2 x 6 对外接口引脚排列2 3 设计中用到的光组件 2 4 e p o n 系统的光模块工作模式。2 5 用户端光模块组成框图 电路板上的分开设计 2 7 2 8 突发模式激光驱动器的电路功能框图2 9 驱动器和激光器间的直流耦合和交流耦合3 0 驱动器与激光器间的传输线耦合3 1 p e c l 直流耦合等效分压网络3 2 p e c l 交流耦合等效分压网络3 3 c m l 和l v p e c l 接口间的匹配3 4 m a x 3 7 4 7 的功能框图3 5 l 图形目录 局端光模块组成框图3 7 局端光模块的装配示意图3 8 s k y l 5 1 0 3 前置放大器的内部功能框图3 9 s y 8 8 9 0 3 的内部功能框图3 9 升压电路4 0 接收功率监控电路4 1 p c b 上用到的两种传输线模型4 2 差分信号的逻辑变化4 4 激光器的尸一，曲线4 7 i a t , , s u , , , x v s r a t s m a 特性曲线图4 8 i m dv s r a p c s f r 特性曲线图4 8 i m o d v s r m o d s z r 特性曲线图4 9 发射性能测试系统框图5 0 发射性能测试实测图5 l 最初o l t 侧光模块的发射光眼图一5 1 改进后的o l t 侧光模块的发射光眼图5 2 接收部分误码性能测试系统 接收灵敏度测试系统一5 4 接收部分眼图测试系统 用户侧( o n u ) 光模块的接收部分输出电眼图5 5 接收端电眼图测试系统5 6 e p o n 上行定时参数的定义一5 7 突发发射定时在线测试系统框图5 8 突发包的波形图5 8 突发发射模块的光眼图5 9 突发接收定时测试系统框图6 0 o u 完成幅度恢复后的信号波形6 1 3 4 5 6 7 8 9 o 9!i 川：i!i埘蚴牝钙倘锚枷州他们似椰“伽蛳似 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格目录 表格目录 表3 1 i e e e8 0 2 3a h 中定义的o l t 和o n u 光功率2 5 表3 2 i e e e8 0 2 3a h 中定义的覆盖距离与信道损耗的关系2 6 表3 3i e e e8 0 2 3a l l 中定义的o l t 和o n u 光模块的接收灵敏度2 6 表3 - 4两种对外接口的引脚及功能3 6 i x 缩赂字表 缩略字表 p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k f i b e rt ot h ec u r b f i b e rt ot h er e s i d e n t f i b e rt o1 1 1 eb u i l d i n g f i b e rt ot h eh o m e o p t i c a ll i n et e r m i n a t e o p t i c a ln e t w o r ku n i t o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l l o g i c a ll i n ki d e n t i f i c a t i o n s m a l lf o r mf a c t o r m u l t i s o u r c ea g r e e m e n t l a s e rd r i v e r f a b r yp e r o tl a s e r l i m i t i n ga m p l i f i e r t r a n s - l m p c n d e n c ea m p l i f i e r a v a l a n c h ep h o t o e l e c t r i cd i o d e b u r s tm o d e a d a p t i v et h r e s h o l dc o n t r o l a d a p t i v ep o w e rc o n t r o l a d a p t i v eg a i nc o n 仃o l p o s i t i v ee m i t t e rc o u p l e dl 0 9 i c c u r r e n tm o d el o g i c l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i 殍l a l p f i n tc i r c u i tb o a r d e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e x 无源光网络 光纤到路边 光纤到驻地 光纤到楼 光纤到家 光线路终端 光网络单元 光分配网络 多点控制协议 逻辑链路标识 小型封装 多源协议 激光驱动器 法帕激光器 限幅放大器 转阻放大器 雪崩光电二极管 突发模式 自动闽值控制 自动功率控制 自动增益控制 正射极耦合逻辑 电流模式逻辑 低压差分信号 印制电路板 电磁干扰 删一一一一哪咖渊一叻娜枞mu撇肿晰眦小心一眦一啪咖 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 如7 年f 月弦日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：鱼鬯 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 通信网络可划分为三个部分：骨干传输网、城域网和接入网。上个世纪末网 络飞速发展的时期，获得最大发展的是骨干网，很多新技术是针对传输的，导致 传输容量大幅度增长。随着传输技术和交换技术的不断进步，骨干网和城域网己 基本实现了光纤化、数字化和宽带化。与此同时，现在的接入网仍然普遍采用 x d s l 和c a b l em o d e m 的结构，这种方式对传统的窄带业务( 如话音和低速数据) 尚能胜任，对用户新增的业务( 如口电话、视频点播) 显得力不从心，接入网已成 为当今网络的瓶颈。 然而，根据v e r t i c a ls y s t e m sg r o u p 的调查，在1 9 9 9 年7 6 的美国商业用户 所在位置的一英里范围内都存在光纤接入点，但是却没有连接，这种现象就是众 所周知的“最后一公里”问题。研究“最后一公里”网络已经成为打破这一瓶颈 的紧迫课题，它也引起了各国政府和通信企业的普遍关注。光纤接入网随着网络 带宽需求的增大、光纤成本的大幅下降成为最能适应未来发展的解决方案。 1 2p o n 的系统和拓扑结构 接入网位于网络运营商的中心局( c o ) 和终端用户之间。接入网的终端用户可 以是独立的家庭、公司、学校、酒店等等，不同的用户对业务种类和服务质量的 要求也是各不相同的，因此需要针对用户来发展多种光纤接入的体系结构。根据 光纤接近用户的程度，可分为f t t r ( 光纤到驻地) 、f t t c ( 光纤到路边) 、f t r b ( 光 纤到楼) 和f t t h ( 光纤到家) 等。 目前主要有三种f 1 x 技术标准：基于以太网的光纤点对点( e t h e m e t f i b e r p 2 p ) 技术、基于以太网的无源光网络( e t h e m e tb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，即e p o n ) 技术和基于通用帧协议的无源光网络( g e n e r a lf r a m ep r o t o c o lb a s e dp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ，即g p o n ) 技术。后两者都是基于无源光网络的，它不同于传统 的点到点结构，是一种点到多点的网络结构。 电子科技大学硕士学位论文 i 2 1p o n 的系统结构 p o n 一般由光线路终端( o l t ) 、光分配网络( o d n ) 以及若干个光网络单元 ( o n u ) 组成，如图1 1 所示。o l t 位于中心局内，将光接入网连接到一个i p 、 a t m 或s o n e t 骨干网。o n u 可以位于路边旷h c ) ，或终端用户所在地( f t t h 和f r r b ) ，为用户提供宽带语音，图像和数据业务。 o d n 是一个全部由无源器件和光纤组成的光网络，通过光分路器将光信号分 配到多个支路，分路比可以是8 、1 6 、3 2 、6 4 甚至1 2 8 。在下行方向上( 从o l t 到o m d ，p o n 是点到多点的网络，在上行方向上( 从o n u 到o l t ) ，则是多点 到点的网络【l j 【2 0 j 。 脯 _ 鼠囤 吼 1 2 2p o n 的拓扑结构 图l - lp o n 系统示意图 p o n 技术可以采用多种拓扑结构，包括树型，环型和总线型等等。使用1 ：2 光耦合器和，或i ：n 的光分路器，p o n 就可以灵活地采用图l - 2 中所示的多种拓 扑结构。另外，使p o n 具有自愈性可提高其生存性，通过对p o n 的主干和分支 都进行冗余保护，如双环或双树结构。也可以仅仅对树的主干部分进行冗余保护， 如图1 2 ( c ) 所示【2 1 【4 j 【5 】【6 1 。 2 第一章绪论 ( 曩) 树型拓扑 ( c ) 具有冗余保护的树型拓羚 ( d ) 总线型拓扑 图l - 2 i o n 的拓扑结构 1 2 3 p o n 的优点 在接入网中使用p o n 结构具有很多优点【5 6 l r l t s ： ( 1 ) 采用p o n ，可以使中心局与用户所在地之间的距离更长。p o n 的工作 距离理论可以达到2 0k m t 2 1 3 1 ，适当改进后甚至能达到更长，从而有效地增加骨干 带宽的延伸范围，提高带宽的使用效率。 ( 2 ) p o n 采用的是点到多点的拓扑结构，与点到点的接入方式相比，可以 节省大量的铺设光纤的成本，并减少了局端的光电设备数量。 ( 3 ) 由于采用了光纤，p o n 可以提供更高的带宽。随着光纤离用户驻地的 距离越来越近，特别是实现了f 删后，用户就能够享受到光纤的巨大带宽所提 供的各种宽带业务。 ( 4 ) p o n 的下行方向是点到多点的网络，o l t 发出的任何信号都将广播到 所有o n u 。因此p o n 的下行方向非常适合于广播视频业务，无论是i p 视频业务 或模拟视频业务。 ( 5 ) p o n 取消了分路点上的复用器和解复用器，使得网络不再需要维护这 些复杂的复用解复用设备，或为它们供电。p o n 中没有任何有源设备，全部是 电子科技大学硕士学位论文 无源器件和光纤，这些无源器件在建设p o n 时，就可以埋在地下，降低了运营、 服务和维护成本。 ( 6 ) p o n 可以简单地升级到更高的比特率，也能够根据需要逐步延伸光纤 的范围，从f t t c ，到f t t b ，最终到f 刑，因而能够满足不断增长的带宽需求。 而且，正是由于p o n 具有极佳的可扩容性，因此可以采用降低初始投资，然后逐 步升级的方式，从而保护了投资者的利益。 1 3 e p o n 的优势 随着i n t e m e t 和i p 业务的普及，专为承载i p 业务而开发的以太网标准逐渐成 为了一个普遍接受的标准，在全世界已有超过3 2 亿个以太网端口设备【9 】。而且 近年来，以太网技术已经摆脱了过去速度慢，无法适应高速宽带业务的缺点。千 兆以太网设备正在快速普及中，万兆以太网产品也已出现。以太网由于易于升级 和管理，在m a n 和w a n 中赢得了新的地位。考虑到9 5 以上的l a n 采用的都 是以太网标准，因此在接入网中采用以太网技术显然是一种非常符合逻辑的选择。 在p o n 中采用以太网技术作为数据链路层传输协议具有许多优点。首先 e p o n 只是对现有的以太网标准i e e e 8 0 2 3 作了一些补充和修改，基本上是与其 兼容的。而以太网是迄今为止最成功和成熟、且应用最广泛的局域网技术，与以 太网技术兼容是e p o n 最大的优势之一。其次，由于以太网本身的价格优势，如 廉价的器件和安装维护使e p o n 具有g p o n 所无法比拟的低成本。 正是上述的这些优势，既o n 得以在美国、日本、韩国开始实现规模化的商 业应用，并且国内许多城市也已经出现了e p o n 的试点工程，如上海、苏州、武 汉等。 1 4e p o n 光收发合一模块 光收发合一模块( 以下简称光模块) 是实现光电、电光转换，具有独立发射驱 动和接收放大电路，收发功能合一，符合电信传输标准的光电子系统。它的前身 是分立的光发射模块和光接收模块。由于光器件封装技术的进步和驱动集成电路、 放大集成电路的出现，人们可以在很小的体积内将发射和接收功能集成到一起。 从1 9 9 9 年前后面世以来，光模块已经成为了各类光通信系统接口部分的核心光器 第一章绪论 件，特别是在接入网和城域网中这样中短距离和中低速率传输系统中一统天下。 由于光模块的广泛应用和巨大的市场，国内外有很多厂商致力于这一产品的 研发和生产。为了便于不同厂商间产品的互通，多个国际上知名的光模块制造商 和其他使用同类工业封装的硬件供应商共同协商，并起草通过了多源协议( m s a ) 。 它们主要定义了光模块的外部尺寸、电气接口规范和部分功能描述，以此作为光 模块行业的统一标准。和千兆光模块相关的m s a 有l 。9m s a 、g b i cm s a 、s f f m s a 、s f p m s a 等。e p o n 系统中使用的光模块多数遵循s f fm s a 或s f p m s a 。 1 5 课题来源及本文的主要研究内容 随着中国电信和中国网通对e p o n 系统测试的顺利结束，国内e p o n 大规模 商用的时机已经到来。作为e p o n 中最核心的光电器件，可以预见，e p o n 光模 块的市场前景很广阔。正是基于此，本文作者选择了s f f2 5 s f f 2 6 封装 形式的e p o n 用户侧光模块和s f f2 + 6 封装形式的e p o n 局侧光模块作为课题 研究的方向和内容。并和i n s t e l e n t 公司合作，在该公司进行课题研究，完成 以上几个光模块的研制。 i n s t e l e n t 公司是一个致力于研发和生产光通信相关产品的公司，为本文 作者的课题研究建立了非磐好的工作平台。但由于公司剐成立不久，没有e p o n 光模块的相关产品，所以作者的工作无论对自身还是公司而言均具有开创性的意 义，给作者的研制工作带来了很大的挑战。本课题的技术关键及难点主要有： ( 1 ) e p o n 系统用户侧的具有突发发射模式光模块的原理分析及对适合小型 封装设计的商用集成芯片选择： ( 2 ) e p o n 系统局侧的具有突发接收模式光模块的原理分析及对适合小型封 装设计的商用集成芯片的选择； ( 3 ) 传输线理论，终端匹配移抗干扰理论应用于小型封装光模块的设计。 本文的研究内容即作者所作的工作有： ( 1 ) e p o n 光模块的突发发射和突发接收原理分析： ( 2 ) s f f 2 + 5 2 6 封装形式兼容的e p o n 用户侧光模块分析： ( 3 ) s f f2 。6 封装形式的e p o n 局侧光模块分析； ( 4 ) 光模块的电路原理设计和多层高速电路p c b 板的设计； ( 5 ) a p d 反向偏置高压电路的分析和实现； ( 6 ) 光通信测试仪器应用于光模块的调试和冽试工作； 5 电子科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 在e p o n 系统中应用光通信测试仪器进行了光模块的在线测试。 以上工作历时一年多，最后完成了e p o n 单纤双向光模块的研制。为了最大 程度的降低成本，e p o n 单纤双向光模块均采用商用i c 方案。并且为了适应e p o n 系统对更长接入距离的需求，除了设计符合1 0 k i n 要求的光模块，作者还设计出 了符合2 0 k m 要求的光模块。 在网络飞速发展的今天，尤其是接入网的发展给光模块提出了很多要求和巨 大的需求。在当今中国这样一个经济飞速发展的大环境下，光通信的民族产业更 是应该利用这一大好时机紧紧跟上世界技术潮流。作者也希望通过个人的极其微 薄的力量在课题研究中更是在以后的工作中为中国的光通信事业做出自己的一点 贡献。 6 第二章e p o n 光模块原理与分析 第二章e p o n 光模块原理与分析 2 ie p o n 物理层结构 2 1 1e p o n 的层次模型 结合p o n 与以太网的特点，e f m 工作组在以太网的功能层次的基础上，对 其物理层和数据链路层增加一些功能子层，以支持新的应用和介质。2 0 0 4 年6 月 发布的i e e e s 0 2 3 a h 标准对e p o n 的层次模型的具体规定如图2 1 所示【j 川 点对点( p 2 p ) 以太网与e p o n 物理层的分层协议相比，主要改动是数据链路层 由m a c 控制子层变成多点控制协议子层。多点控制子层用于支持上行链路的多 点接入，将一点对多点的通信等效为传统以太网对等实体间的通信。另外。物理 层可以增加f e c 子层，含有该子层的系统在同等光路条件下具有更高的光功率预 算，从而可以大幅降低物理层设备的成本【l “ ( a ) 点对点链路 ( b ) 点对多点链路 图2 1 点对点与点对多点链路的层次模型对比 7 电子科技大学硕士学位论文 e p o n 建立在m p c p ( m u l t i - p o i n tc o n 灯o lp r o t o c o l ，多点控制协议1 基础上，该 协议是数据链路层的一项重要功能【1 2 1 。m p c p 使用消息、状态机、定时器来控制 访问p 2 m p ( 点到多点) 的拓扑结构。在p 2 m p 拓扑中的每个o n u 都包含一个m p c p 的实体，用以和o l t 中的m p c p 的一个实体相互通信。作为e p o n 的基础，m p c p 相当于实现了一个p 2 p 的仿真子层，该子层使得底层的p 2 m p 网络拓扑对于高层 来说是多个点对点链路的集合。 m p c p 子层是通过在每个数据包的前面加上l l i d ( l o g i c a ll i n ki d e n t i f i c a t i o n ) 逻辑链路标识来实现的，该l l i d 将替换前导码中的两个字节【l3 1 。p o n 将拓扑结 构中的根节点认为是主设备，即o l t ；将位于边缘部分的多个节点认为是从设备， 即o n u s 。 m p c p 在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有序的发 送和接收。系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个研q u 发送数据，位 于o l t 的高层负责处理发送的定时、不同o n u 的拥塞报告、以便优化p o n 系 统内部的带宽分配。e p o n 系统通过m p c p p d u 来实现o l t 与o n u 之间的通信， 包括带宽请求、带宽授权、测距等。m p c p 涉及的内容包括帆j 发送时隙的分 配、o n u 的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽等。 2 1 2e p o n 的物理层模型 o l 卫 p h y o m i i ：千兆介质无关接口f c $ ：物理编码子 f e c 前向纠镨子层( 可选)m d t 介质相关接口 f m a ：物理介质附加子层p m d ：介质相关予层 图2 - 2e p o n 的物理层模型 其中，p c s 子层的功能为实现8 b 1 0 b 的编码变换。f e c 子层是前向纠错子层， 第二章e p o n 光模块原理与分析 完成前向纠错的功能，这个子层是一个可选的子层。它的存在使我们在选择激光 器、光分路器的分路比、和接入网的最大传输距离时有了更大的自由。p m a 子层 技术同千兆以太网该层技术相比没有变化，其主要功能是完成串并，并串转换、时 钟恢复并提供环回测试功能，它同相邻子层的接口是t b i 接e l i 。 e p o n 物理层的p m d 子层，功能是完成光电电光转换，按1 2 5o b i t s 的速率 发送或接收数据。i e e e8 0 2 ，3 a h 要求光传输链路全部采用无源器件，光网络能支 持单纤双向全双工传输。上下行激光器的工作波长分别为1 3 1 0n m 和1 4 9 0i l i n ；光 信号的传输要做到当光分路比较小( 比如i ：1 6 ) 的时候，最大传输2 0k m 无中继。按 所处的位置不同，光模块又可以分为局端和用户端两种。 对用户端的光模块而言，接收机为连续工作状态，而发送机则工作于突发模 式，只有在特定的对阃段里激光器才处于打开状态，在剩下的时间段里激光器不 发送数据由于激光器发送数据的速率是i 2 5g b p s ，因此要求激光器的开关的速 度要足够快。同时要求在激光器处于关闭状态时，暗光功率很小，以确保不工作 o n u s 的光输出总功率叠加不会对正在工作的激光器的信号造成畸变影响。 对局端的光模块而言，发送机为连续工作状态，而接收机则工作于突发模式。 受各个o n u 相对于o l t 的距离不同、各个o n u 光发射功率不同以及光器件老 化等因素的共同影响，o l t 收到的各个o n u 的光功率不同，甚至会出现相邻时 隙功率变化很大的情况。经过光电转换后信号幅度差异可能会很大，这样就要求 接收机在1 2 5g b p s 的速率下，判决电路能快速进行判决电平的调整。即o l t 的 接收器必须在每个数据包开始时快速调整“0 ”、“l ”电平的判决点，从而在规定 时间内完成信号幅度恢复。 2 2 光信号发射接收技术 2 2 1 光通信中的两种信号模式 光通信系统中传送的信号有两种不同形式，如图2 - 3 所示 9 电子科技大学硕士学位论文 c 曲厂 厂 n 厂 几几 c o ) 一m 儿 图2 - 3 光通信系统中的两种信号 ( a ) 代表的是连续模式信掣”】，其幅度变化相对固定，序列中含有的0 码和1 码大致均衡，比如在点到点链路中广泛应用的4 8 5 b m b n b 线路码。由于0 码和l 码的幅度都是定值而且信号在时间上是连续的，激光器按照特定的功率发射，光 接收机以固定的判决门限值接收。 代表的是突发模式信号，不同数据包的信号幅度可以有变化，不同包问有 保护时问，典型的例子是e p o n 系统上行链路中o l t 接收的信号。 2 2 2 光信号发射技术 2 2 2 1 连续模式光信号发射技术 要在光纤中传输信号，发射端将信号加载到光源的发射光束上，即进行光调 制，调制后的光波携带信号经过光纤传输至接收端。根据调制和光源的关系，光 调制可以分为直接调制和间接调制两大类。直接调制适用于半导体光源，它是将 要传送的信息转变为电流信号注入光源，从而获得相应的光信号，所以是采用的 电源调制方法。直接调制后的光波电场振幅的平方比例于调制信号，是一种光强 度调制0 m ) 的方法。间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性 质来实现对激光辐射的调制。 直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信中最常用的调 制方式，但只适用于半导体激光器和发光二极管，因为它们的输出光功率基本上 与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以通过改 变注入电流来实现光强度调制。图2 - 4 ( a ) ( b ) 分别示出了数字信号和模拟信号调制 半导体激光器的原理。 1 0 第二章e p o n 光模块原理与分析 光 功 塞 时 间 l 户。一面 i ! 电流时问 信h 号h 电h 。流l - j 光 功 室 时 间 伊粤 i ；：电- 流 时间 信! 奠 茎& 流始i ； ( a ) 数字调制 ( b ) 模拟调制 图2 - 4 激光二极管的调制原理图 光纤通信中常用的光源是半导体激光器，它是高速调制的理想光源。在高速 率的调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺、激光器的控制等都 对调制性能至关重要。激光发射机框图如2 5 所示。 图2 - 5 数字激光发射机框图 在数字光发射机设计中，偏置电流和调制电流的选择都会直接影响激光器的 高速调制性能。 在选择直流预偏置时，要兼顾到电光延迟、张弛振荡、码型效应、结发热效 应以及激光器的消光比、散粒噪声等各方面情况，根据光器件的性能，具体的系 统要求，适当地选取i b 的大小。因为【l6 】： ( 1 ) 加大直流偏置电流使其逼近阔值，可以大大减少电光延迟时间，同时使 张弛振荡得到一定程度的抑制； ( 2 ) 加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。而光源的消光比直接影响 到接收机灵敏度，为不使接收机灵敏度明显下降，消光比一般应大于l o 。 ( 3 ) 当激光器偏置电流( i b ) 在阙值( i m ) 附近时，较小的调制脉冲电流o 。) 就能得 电子科技大学硕士学位论文 到足够的输出光脉冲，i b 和( i b + i 。) 的值相差不大，从而可以大大减小码型效应和 结发热效应的影响： ( 4 ) 实验观察发现异质结激光器的散粒噪声效应很复杂。实验发现g a a i a s ， g a a s 激光器的散粒噪声在阙值处出现最大值，若激光器正好偏置在阈值上，散 粒噪声的影响很严重。 调制电流的选择，应根据激光器的p - i 曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度， 又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，选择调制电 流时应避开自脉动发生区域。 2 2 2 2 突发模式光信号发射技术 在无源光网络系统的上行链路中，各个光网络单元( o n u ) 采用t d m a 方式进 行信号的突发式发射。各个o n u 必须在指定的时间内完成光信号的发送，即只 在分配给它的时隙内才有功率输出，在其它时间内处于关断状态，以免与其他信 号发生冲突。主要的突发式发射技术有如下几种【l 刀。 第1 种方法是对发射数据包的所有“1 ”比特都引入开机时延，激光器受到的 调制是驱动电流在i = 0 和i - i o i l 两状态变化，即偏置电流为0 。这种方案的电路实 现简单，但因开机时延不是一个常数，有一定的随机抖动，使得这种方法不适合 高比特发射。 第2 种方法是只对发射数据包的第l 比特引入开机时延，第l 比特激光器受 到的调制是驱动电流从i = 0 变到i = i o i l ；对于本数据包随后的比特，驱动电流是在 阈值电流i = i , h 和发射电流i = i o 。两状态变化，即偏置电流等于阈值电流i 吐i 。由于 开机时延有抖动，使得第1 个脉冲有形变，在信头中需要预留保护比特。 第3 种方法是采用外调制技术，调制激光器发出的连续光。这种方法不存在 开机时延等问题，消光比可达到2 0d b ，插入损耗4d b 。这种方案的缺点是成本 太高。 第4 种方法是在发射数据包的前导码时间叮柏内把阈值电流加到激光器上， 对于数据包的所有比特，激光