（光学工程专业论文）突发模式光发射和时钟技术研究.pdf

电子科技大学研究生毕业论文 摘要 在光突发交换( o b s ) 中，从边缘节点到核心节点的数据传输中，其中一个关 键性技术就是突发数据传输。在无源光网络( p o n ) 中，在上行方向从各网络用户 单元( o n u ) 到光线路终端( o l t ) 的数据传输采用时分多址( t d m a ) 的方式，也是突 发数据包的传输。因此，突发模式光发射机的设计就显得很有必要。 突发模式光信号与常规的通信系统的光信号不同点主要是：信号幅度不均 衡；数据流中相位也不均衡；有长的连0 和连”l ”。 无源光网络( p o n ) 系统是一个粗波分复用( c w d m ) 系统，对突发模式光发射 机而言，频率的啁啾不是系统的主要限制因素，消光比和关断光功率是其主要考 虑的设计影响因素，光发射机一般采用光源直接调制的方式。对于p o n 系统， 针对上行传输速率为1 5 5 m b s 时，对突发模式光发射机作了电路设计，在电路设 计中采用锁相环频率合成器产生1 5 5 m h z 时钟源系统。通过驱动光发射模块 n t r 一2 6 3 2 ，产生光信号，测定出突发发射机的输出参数：消光比为1 0 d b ，发射 光功率为一1 0 5 d b m 。 在突发模式光发射机的基础上，我们通过突发信号产生系统，得到了两路大 小幅度不一的突发信号，两路信号大小相差5 d b 。 对于光突发交换( o b s ) 网络而言，主要是基于密集波分复用( d w d m ) 系统， 频率的啁啾将是系统的主要限制因素。对于1 2 5 g b s 及以上速率的系统而言， 由于直接调制存在较严重的啁啾，较大的发射延迟及峰值光功率控制困难等缺 点，因此，外调制成了高速突发发射尤其是密集波分复用( d w d m ) 系统中的最佳 选择。本文针对多量子阱电吸收调制器( m q w - e a m ) 进行了研究，对消光比和频 率啁啾进行了详细的研究和计算，对阻抗匹配进行了说明，针对电吸收调制器 f e a m ) 的仿真模型，对多量子阱电吸收调s t l 舞：( m q w - e a m ) 的驱动电路和整体电 路进行了仿真。仿真结果表明：传输速率在5 g b s 能得到较好的结果。 最后对时钟的主要性能参数、影响时钟性能的因素等问题进行了简要的分析 说明。 关键词突发模式光发射机 消光比啁啾电吸收调制器 电子科技大学研究生毕业论文 a b s t r a c t i nt h eo b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n 曲，o n eo ft h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e si st h e t r a n s m i s s i o no f t h eb u r s t m o d ed a t ai nt h ed a t at r a n s m i s s i o nf r o mt h ee d g en o d et ot h e c o r en o d e i nt h ep o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 曲，t h ed a t at r a n s m i s s i o nf r o mo n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) t o0 l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a t i o n ) i nt h eu p s t r e a md i r e c t i o n e m p l o y i n gt h es t 3 7 l e o ft d m a ( t i m e d i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s ) i st h eb u r s t m o d e t r a n s m i s s i o na l s o s o t h ed e s i g no ft h eb u r s t m o d et r a n s m i t t e ri s s u b s t a n t i a l l y n e c e s s a r y t h ed i l y e r e n c eo ft h eo p t i c a ls i g n a lo f 山eb u r s t - m o d ea n dc o n v e n t i o n a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mm a i n l y1 i e si n ：t h ed e v i a t i o no ft h ea m p l i t u d e ；t h ed e v i a t i o no f t h ep h a s e ；l o n gc o n t i n u a l 0 a n d “l ” a t m p o ns y s t e mi sas y s t e mo ft h ec w d m ( c r u d ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x ) ，i nt h ed e s i g no ft h eb u r s t m o d eo p t i c a lt r a n s m i t t e r , e x t i n c t i o nr a t i oa n d l i g h t - o 行o p t i c a lp o w e ri sc o n s i d e r e dt h em a i nf a c t o rt od e s i g n a n dt h ec h i r po ft h e f r e q u e n c yi sn o tt h em a i nf a c t o ro ft h ec o n f i n e w u s et h es t y l eo fd i r e c t l y m o d u l a t i o no ft h eo p t i c a ls o u r c e a i m i n ga tt h e1 5 5 m b su p s t r e a m v e l o c i t yo f a t m p o ns y s t e m w ed e s i g nt h ec i r c u i to ft 1 1 eb u r s t m o d eo p t i c a lt r a n s m i t t e r w e m a k et h ef r e q u e n c ys y n t h e s i so ft h ep l lr p h a s e l o c k e dl o o p ) g e t15 5 m b ，sc l o c k s o u r c e b yd r i v e r i n gt h eo p t i c a lt r a n s m i t t i n gm o d u l e sn t r - 2 6 3 2 w eg e tt h eo p t i c a l s i g n a l l a s t l yt e s tt h eo u t p u tp a r a m e t e ro f t h eb u r s t m o d et r a n s m i t t e r ：e x t i n c t i o nr a t i o n i s10 d b a v e r a g eo p t i c a lp o w e r 一10 5 d b m b a s e do nt h eb u r s t - m o d et r a n s m i t t e r , w ee m p l o yt h eb u i l d i n gs y s t e mo ft h e b u r s t - m o d es i g n a l a n dg e tt h eb u r s t - m o d es i g n a lo fd i f f e r e n ta m p l i t u d e ；t h e d i s c r e p a n c yo fs i g n a la m p l i t u d ei s5 d b a i m i n ga tt h eo b s n e t w o r k sm a i n l yb a s e do nt h ed w d mf d e n s ew j v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x ) s y s t e m ，t h ec h i r po ft h ef r e q u e n c yi st h em a i nf a c t o ro ft h e c o n f i n et ot h es y s t e m l e nt h ev e l o c i t yi s1 2 5 g b sa n da b o v e b e c a u s eo f 也e d i s a d v a n t a g eo fs e v e r e 厅e q u e n c yc h i r p ，m o r et r a n s m i s s i o nd e l a y , a n dw e a kc o n t r o lo f o p t i c a lp e a k p o w e ri nt h ed i r e c tm o d u l a t i o n ，s oe x t e m a lm o d u l a t i o ni st h e b e s t o p t i m u mc h o i c et oh i g h s p e e da n db u r s t m o d et r a n s m i s s i o n ，e s p e c i a l l yt ot h e d w d ms y s t e m i nt h e p a p e r , a i m i n g a tm q w - e a mf m u l t i p l e q u a n t u mw e l l e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t i o n ) ，w er e s e a r c ha n dc o m p u t et h ee x t i n c t i o na n df r e q u e n c y c h i r pi nd e t a i 】a n dd e s c r i b et h ei m p e d a n c em a t c h a n dc o n s t r u c tt h es i m u l a t i o nm o d e l o fm o w e a m ，i nt h ee n dw ep e r f o r mt h es i m u l a t i o nt ot h ed r i v e rc i r c u i ta n dw h o l e c i r c u i t t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ns h o w s ：t h e5 g b sv e l o c i t yc a na c h i e v eag o o d r e s u l t i nt h ee n d ，w ea n a l y s e ss i m p l yt h e d e s c r i b i n gt h ec l o c k s o u r c es y s t e m ，a n dt h e c l o c k m a i np a r a m e t e ro ft h ep e r f o r m a n c e f a c t o ri n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo f k e y w o r d ：b u n t m o d eo p t i c a lt r a n s m i t t e r e x t i n c t i o nr a t i o f r e q u e n c yc h i p e l e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t i o n 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。 签名：日期：强f 年f 月巧日 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：导师签名： 日期：游 峄 电子科技大学研究生毕业论文 1 1 国内外发展动态 第1 章绪论 在过去的几年中，i p 业务量呈现爆炸式的增长，引发了大量的对高速传输 和交换技术的研究。i n t e r n e l ：网络和基于该网络的数据业务的不断增长，驱动了 对传输带宽需求的迅猛增长，同时产生了通过增加带宽来增加现有因特网骨干传 送能力的巨大需求i ij 。 波分复用( w d m ) 系统和技术提供了一个能够开发光纤中巨大带宽资源潜力 以满足这种带宽需求的可行的技术平台。波分复用作为一种核心的传输技术，成 为下一代i p 骨干网络中的主导技术，它可以在一根光纤中提供多个高速率( g b s ) 的传输通道。这就在物理层上提供了巨大的可用带宽，那么在高层开发一些结构 及相应协议以便能够有效地利用这些可用带宽就变得异常重要了。 w d m 技术已经成为长距离骨干网络的主要数据承载手段，在点到点的 w d m 传输链路中，s o n e t s d h 目前已经成为高层协议栈与w d m 相连的一个 标准的接口，使用s o n e t s d h 设备则在每一个节点都要进行o e 和e o 转换， 这也就是说，从根本上并没有充分利用w d m 技术可以提供波长路由这一技术优 点。此外，在上层使用例如i p 、异步传输模式a t m 、帧中继等电复用层，就导 致了带宽利用率降低。虽然在过去的几年中，电子传输和交换设备的速率有了飞 速的增长，但也不能跟上光层传输速率的增长趋势。那么现在的技术发展趋势就 是设法消除电处理过程或降低电子处理负荷，以便充分释放w d m 技术的带宽潜 力。 电信网中数据业务的指数增长使其即将超过传统电路交换方式的语音业务， i p 将成为集数据、语音及视频等业务为一体的统一平台，促使目前的电信网需 要逐渐过渡为基于分组交换的新路由器直接连接w d m 链路的不同组网方式，从 而去掉了s d h 、a t m 等中间层，这样简化了网络层次，减少了开销比例，提高 了带宽利用率。 将i p 业务放在w d m 上进行传输有许多可供选择的交换技术。其中一种交 换技术就是采用传统的电路交换模式。而电路交换也可以使用两种方法，一种方 案是用光层的波长路由技术直接在入口和出1 2 1 路由器对之间建立起一些光路径 来交换i p 包。但是由于到目前为止波长仍是一种比较稀少的资源，除了在入口 和出口路由器对之间有很大的业务流量以外，为l p 包直接分配波长光通道是不 适合的。另一种方案是在i p 层和w d m 层之间引入额外的电层( s o n e t 、a t m 电子科技大学研究生毕业论文 或帧中继等) ，这样就能够提供灵活的和粒度可变的带宽接入，但此方案并没有 充分利用光层带宽并且在中间节点之间引入了电子处理而导致电子瓶颈问题的 出现。 一种很好的替代方案就是在骨干网络中应用直接在广域的分组数据包交换 技术，这样会提供更加灵活和更加有效的光层上的带宽利用率。基于光分组交换 的光i p 路由器可望解决电子瓶颈问题，然而用光分组数据包交换技术提供全光 的骨干网络还没有达到成熟，并且有一些技术问题还不能克服。例如现有的光缓 存器( 目前应用的主要是光纤延迟线) 技术还只能存储很少量的数据包，并且用光 信号来控制光脉冲的交换是非常困难的。另外由于光逻辑器件尚不存在，光分组 交换的控制部分仍需要在电域完成。但因电域交换粒度过于细小，光分组交换仍 然受到电子器件处理速度的限制。 所以，针对目前的技术现状，从技术上来说比较可行的是开发一个全光路由 器的基本思想，就是要将数据路由通道同控制信息( 数据包头) 通道进行完全的解 耦( d e c o u p l i n g ) 和分离。数据通道全光地通过整个网络，在任何节点都不会执行 对数据进行转换或者存储的电操作。这样会提供很高的包分组转发速率和路由 器直接与光纤连接的接口能力，并实现很好的网络伸缩性( 网络的构建模块与数 据通道的比特速率没有关系，则可以很容易地进行网络扩展) 。鉴于以上技术发 展现状，现在一种大粒度的、性能优于光分组交换、实现相对简单的新交换方式 一光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) ，应运而生成为相比之下较理想的宽 带高速互联网的技术选择。 光突发交换( o b s ) 分别由c h u n m i n gq i a o 和j ，s t u m o r 等人提出，已引起越 来越多研究人员的注意和兴趣。在光突发交换( o b s ) ，突发为一些i p 包组成的 超长i p 包，这些i p 包可以来自传统i p 网中不同的电i p 路由器。光突发交换中 的控制分组b c p ( b u r s tc o n t r o lp a c k e 0 的作用相当于分组交换的分组头，但网络 对该头信息的传递路径与对静荷数据的传送路径在物理上是相互分离的，每个突 发对应一个控制分组。突发数据从源节点到目的节点始终在光域内传输，而控制 分组信息在每个节点需要进行光电光( o e o ) 的变换和电处理。控制信道( 波 长) 与突发数据信道( 波长) 速率可以相同，也可以不同。 光突发交换集中了较大粒度的波长( 电路) 交换和较细粒度的分组交换两者 的优点，并避免了两者的不足，因此能有效的支持上层协议或高层用户产生的突 发业务。在光突发交换中，首先在控制波长上发送控制( 连接建立) 分组，然后在 另一个不同的波长上发送突发数据。这种将控制分组数据信道与控制信道的隔离 方法简化了突发数据交换的处理，且控制分组长度非常短，因此使高速处理得以 实现。光突发交换( o b s ) 技术在只需要很少的处理和比纯粹分组交换( 由于是逐 2 电子科技大学研究生毕业论文 个分组地进行交换，所以同步要求非常严格) 低得多的同步开销处理水平，就可 以最充分地利用网络的带宽资源。突发交换与分组交换和电路交换相比较，有以 下优点：交换粒度大于分组交换小于电路交换；宽带建立后无需目的端的确认； 突发数据流直接通过中问交换节点，而分组交换必须在每一个中间节点上进行存 储一转发操作。 光突发交换( o b s ) 主要由边缘节点，核心节点和d w d m 链路构成。在从边 缘节点到核心节点的数据传输中，其中一个关键技术就是突发数据传输。边缘节 点主要负责业务的接入、分类、汇聚和控制分组的生成。核心节点的功能是在接 收到控制分组后，根据控制信息、路由策略和网络的当前状况为突发分组预留资 源，并在突发分组到达后，完成对它的转发。很明显，光突发交换的突发特性不 可避免地引入突发发射、突发接收和突发同步问题。边缘节点接收到的各突发帧 可能来自不同的其它节点，它们的时钟相位和振幅都不相同，因此每一帧都要进 行时钟相位的快速锁定和判决阅值的快速恢复。传统的接收机采用锁相环技术来 恢复时钟，恢复速度约为毫秒级。适合于吉比特速率的突发接收技术还不成熟， 加上一个光波长内的突发数据一般都在g b t s 的量级，所以突发接收将是边缘节 点要解决的个难题。另一方面，从不同的i p 终端的突发帧到入口边缘节点处 进行组装，产生突发数据包，同一个核心节点接收到的来自不同的入口边缘节点 的传输由于不同的传输距离、不同的发射功率、不确定的发射时隙，必然会引入 突发发射技术。所以，在光突发交换( o b s ) 网络中，光突发发射、突发接收和突 发同步技术都是系统的关键技术。 另外，随着光通信技术的飞速发展和国内电信运营商的增多，目前骨干网已 基本实现光纤化、数字化、宽带化，但处于网络边缘的用户接入网一直发展缓慢， 技术落后，这已经成为通信网从原有的电话、传真、低速数据等业务向结合了可 视电话、视频点播、图文检索等高速数据业务的宽带综合业务发展的瓶颈1 2 】。因 此在已完成长途干线、局间中继、长途交换和局间交换网络数字化后的今天，电 信网的“最后一公里”用户接入网的数字化和宽带化是迫在眉睫的事。而旧 有的电缆用户网越来越难以满足要求，建立光接入n ( o a n ) 已是发展的必然趋 势。然而随着竞争的加剧，电信经营者在进彳亍光接入网( q 气n ) 大规模投资之前， 需要考虑两个非常重要的问题：一是就目前情况而言，新的宽带业务的市场还不 太确定，应该有一个以提供窄带业务为主的初期的o a n 方案，它在建造费用和 运行费用方面能与目前的电缆网竞争；其二是这种基于窄带业务的初期的光接入 n ( o a n ) 应是今后宽带业务o a n 的基础。所以，当前摆在电信运营商面前的主 要问题是如何建立一个宽带高速、数字化的接入网。现在各国相继开发出基于铜 缆的h d s l 、a d s l 、v d s l ，基于光缆的光接入网、h f c ( 光纤同轴混合网) ，无 3 电子科技大学研究生毕业论文 线接入技术等宽带接入手段。由于光纤的传输距离远、抗干扰强、容量大，因此 成为接入网传输介质的首选。 在接入网中，光纤接入网将成为发展重点。光纤接入分有源接入与无源接入 两种：基于s d h 或p d h 的光纤接入是有源接入，基于无源光网络( p s s i v eo p t i c a l n e t 、o 出幻的接入是无源接入【5 1 。无源光网络( p o n ) 本身是一种多用户共事系统， 即多个用户共享同一设备、同一光缆和同个光分路器，成本较低；与有源光网 络相比，其安装、开通和维护运营成本大为降低，从而使系统更为可靠和稳定； 加之无源光网络( p o n ) 胍1 够提供透明宽带的传送能力，因此接入网正在大量应用 无源光网络( p o n ) 。目前用于宽带接入的p o n 技术主要有：a t mp o n ( a p o n ) 和e t h e r n e tp o n ( e p o n ) 以及g i g a b i tp o n ( g p o n ) 。 a p o n ( a t m y o n ) 是f s a n ( f u l l s e r v i c e a c c e s s n e t w o r k ，全业务接入网) 于 2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的，并将其定为i t u 的标准，即g 9 8 3 协议。a p o n 是结合a t m 多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力的解决方 案【5 】。它是基于信元的传输系统，为点到多点的传输系统的复用和多路接入方式 提供了良好的基础，这种传输结构为多用户共享整个带宽提供了基础。 由于以太( e t h e m e t ) 技术的高速发展，把简单经济的以太技术与p o n 的传输 结构结合起来的e t h e m e to v e rp o n 概念开始引起技术界和网络运营商的广泛重 视。2 0 0 0 年1 1 月，i e e e 组宝 以太网最后一公里( e f m ，e t h e m e t f o r t h e f i r s t m i l e ) ” 研究组，研究和制定e p o n 标准。e m e m e tp o n 最大的优越性在于允许运营商放 弃复杂昂贵的a t m 和s o n e t 器件，从而使网络大为简化。 在2 0 0 1 年，f s a n 组织开始起草超过l g b s 速率的p o n 网络标准。速率范 围的设定是基于一个认识：不同服务需求对应不同的系统容量。除了需要支持更 高比特率，f s a n 还需重新考虑所有现行的协议，寻找一个最优化最有效的解决 方案以支持多种服务、0 a m & p 功能以及可升级能力。由于f s a n 的努力，使 g p o n ( g i g a b i tp o 成为光接入网一种全新的解决方案不但提供高速的比 特率，而且支持各种接入服务，特别是非常有效地支持原有格式的数据分组和 t d m 流。g p o n 提供1 2 4 4 和2 4 8 8 g b s 的下行速率和所有标准的上行速率，具 有高速宽带及高效率传输的特性。 目前，发达国家的大城市商业区正在逐步实现将光纤敷设到大楼，并要尽早 实现光纤到办公室、光纤到桌面。尽管目前各国发展光纤接入网的步骤各不相同， 但光纤到家庭是公认的接入网的发展目标。我国在“八五”计划期间，初步建成了 光纤干线网，“九五”期间，在迸一步完善光纤干线传输网的同时，也加紧改造和 建设接入网。总之，能把电信网、计算机网、有线电视网等各种网络和语言、数 字、图片、视像等各类信息综合在一起的光纤接入网技术已成为未来通信网发展 4 电子科技大学研究生毕业论文 的关键，是今后一段时期内国际通信技术研究、开发和建设的热点。 无源光网络( p o n ) 是一种点到多点的光纤接入技术，其下行采用时分复用 ( t d m ) 的广播方式，上行采用时分多址( 7 i d m a ) 介入方式，因而具有节省光纤和 光设备资源的有事。但是窄带p o n 由于标准化程度低、价格昂贵等弱点，并没 有得到市场的广泛认可，逐步被市场淘汰。而宽带的a p o n ，则适应了市场的需 求，国际和国内标准日益完善，芯片技术的发展也使价格大大下降，为人们展现 出巨大的市场潜力。a p o n 是一项非常有前途的宽带接入技术，其突出优势在于， 作为一种无源系统，具有良好的网络可靠性，用于末端网络，大大减少维护工作 量，使运营成本大大降低；具有多分支、线路和设备共享、宽带共享的特点；支 持综合业务接入，能有效解决用户窄带宽带一体化接入和宽带建设中的q o s 保 证问题，并且业务和带宽升级灵活，可以满足未来业务扩展和用户带宽升级的要 求，逐步发展，逐步投资；标准化程度高，可以满足规模生产和低成本的要求。 从技术的角度看，a p o n 采用一点对多点的t d m a 技术，用一根光纤同远端多 个o n u 相联，利用无源光分路器将光信号进行功率分配，其关键技术包括：测 距和时延补偿技术、高速突发光收发技术、高速突发信号的快速同步以及动态带 宽分配技术等。无源光网络( p o n ) 中，从各个网络用户单元( o n u ) 到光线路终 端的上行数据( o l t ) 传输也是突发数据包的传输。因此，突发模式光发射模块设 计就显得很有必要而且是势在必行。 无源光网络( p o n ) 的上行采用时分多址( t d m a ) 技术，因此对发射接收光器 件的要求很高，自1 9 9 5 年i t u t 提供g p o n a 建议以来，光分配网络( o d n ) 得 到很快发展，在美、欧、日等发达国家大量使用基于点到多点的光分配网络，即 p o n 光纤接入网系统，相应的光器件如光分路器、突发式光发送、光接收器件 应用日益广泛【】l 】。国外一些发达国家，如美国和日本等国，1 5 5 m b s 的光纤宽带 接入网已经进入大量使用阶段，目前，a g e r e 已经可以提供1 5 5 m b s 的突发模式 芯片产品，6 2 2 m b s 的上行突发信号传输模块已正在步入实用。l u c e n t 公司也完 成了1 5 5 m b s 的突发模式芯片设计，并且已经有相应的芯片生产。而在国内我们 曾在8 6 3 的支持下完成了1 0 0 m b s 以下突发模式光发射模块和接收模块的研究开 发，填补了当时国内空白。 基于以上分析，和教研室研究课题( 8 6 3 重大项目“光突发交换关键技术和实 验系统”2 0 0 2 a a l 2 2 0 2 1 ) 的需要我们展开了光突发模式发射、接收和同步技术的 研究。 1 2 课题研究的目的和意义 光通信的核心技术在于光器件和光电器件技术，许多系统技术的实现是建立 5 电子科技大学研究生毕业论文 在器件技术进步的基础上的。光器件和光电器件技术的发展方向是光集成( e l c ) 和光电集成( o e i c ) ，这也是应用提出的要求【3 】。例如，从单个的光发射接收器件 到现在流行的光收发模块，使得进入光通信设备的制造门槛大大降低。进一步将 光器件和电子电路集成在一起的光电集成，例如，将驱动电路与l d 集成的光发 射组件，将光检测器与前置放大器、限幅放大器、判决电路等集成在一起的光接 收组件等，都是发展的重要方向。 本项目要研究的光突发式收发模块，是a p o n 系统和o b s 系统的核心器件。 本课题的目标是研制出适合与】5 5 m b s 速率的突发式光发射和接收模块。通过研 究，实现了1 5 5 m b s 速率的突发式光发射和光接收。要加快光纤宽带接入网和光 突发交换o b s 网络的建设，迫切需要开发自主知识产权的高性能、低成本的突 发式光器件。目前该器件技术被美国、日本等少数发达国家几个公司垄断。本课 题的开发成功可以打破国外对这个产品的垄断。 1 3 课题研究的主要任务 突发模式光发射模块和接收模块的研制主要包括三个部分：一是要研制突发 信号的发射模块，其中包括具有一定频率稳定度的时钟源系统的产生；二是要研 制突发信号的接收模块，其中接收模块又包括适合于突发信号的前放电路与主放 电路的研究、以及时钟同步与数据恢复电路；三是要研制突发式光接收模块的测 试系统。 本论文主要工作是完成突发式光发射模块的研制和时钟系统的研究。一是对 1 5 5 m b s 突发模式光发射机的设计和实验研究；而是对1 2 5 g b s 突发模式光发射 机的理论研究；三是对突发模式传输系统的时钟技术的一些研究。 6 电子科技大学研究生毕业论文 第2 章突发模式光发射机设计 2 1 光收发模块的发展趋势4 】 通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成为现代 信息网络的主要传输手段，在现在的光通信网络中，如广域网( w a n ) 、城域网 ( m a n ) 、局域n ( l a n ) 所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模块的种类越 来越多，要求也越来越高，复杂程度也以惊人的速度发展。光收发模块的急剧增 加导致了多样性，需要不断发展相关技术满足这样的应用需求。 光收发模块作为光纤接入网的核心器件推动了干线光传输系统向低成本方 向发展，使得光网络的配置更加完各合理。光收发模块由光电子器件、功能电路 和光接口等结构件组成，光电子器件包括发射和接收两部分，发射部分包括l e d 、 v c s e l 、f pl d 、d f bl d 等几种光源；接收部分包括p i n 型和a p d 型两种光 探测器。 光收发模块的发展方向主要有小型化：目前的光通信市场竞争越来越激 烈，通信设备要求的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高。传统的激 光器和探测器分离的光模块，已经很难适应现代通信设备的要求。为了适应通信 设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展。高度集成的光电模块 使用户无须处理高速模拟光电信号，缩短研发和生产周期，减少元器件采购种类， 减少生产成本，因此也越来越受到设备制造商的青睐；低成本、低功耗：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，要求光电器件向低成本、 低功耗的方向发展；高速率：人们对信息量要求越来越多，对信息传递速率要求 越练越快，作为现代信息交换、处理和传输主要支柱的光通信网，一直不断向超 高频、超高速和超大容量发展，传输速率越高、容量越大，传送每个信息的成本 就越来越少；远距离：如今的光网络铺设距离越来越远，这要求远程收发器来与 之匹配：热插拔：未来的光模块必须支持热插拔，即无需切断电源，模块即可以 与设备连接或断开，由于光模块是热插拔式的，网络管理人员无需关闭网络就可 以升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。 2 2 突发式发射技术【5 】【6 j 【7 】【8 】 在接入网中，光纤接入网将成为发展重点，无源光网络( p a s s i v eo p t i c a l n e t 、v o r k s ) 以其高带宽、高可靠性和几乎无需维护费用的突出优点成为宽带接入 技术的首选方案。无源光网络( p o n ) 中，从各个网络用户单元( o n u ) 到光线路 终端的上行数据( o l t ) 传输是突发数据包的传输。图2 2 1 表示p o n 的结构简图， 7 电子科技大学研究生毕业论文 表示上行方向也即从光网络单元( o n u ) 到光线路终端( o l t ) 突发数据的形成。 光突发交换( o b s ) 网络主要由边缘节点，核心节点和d w d m 链路构成。 突发数据在边缘节点组装，在从不同的边缘节点到同一个核心节点的数据传输 中，实质也是一个点对多点通信系统，其中一个关键技术就是突发数据传输。图 2 2 2 表示o b s 中控制分组和突发数据分组的传输。 信元l 图2 2 一lp o n 结构简图图2 2 - 2o b s 中突发数据结构 突发式信号与连续信号相比，有如下特征：突发性，不具有直流均衡性( “0 ” 和“1 ”的数目不等，而且有长的连0 和连1 出现) ，数据流中相位也不均 衡；各个突发数据包之间信号幅度波动最大可以达到2 0 d b l 9 1 。如图2 2 3 所示。 这就是突发式收发模块的设计给我们带来的很多不同于连续模式收发模块的新 挑战。 ( a )( b ) 图2 2 3 两种模式光信号 ( a ) 连续模式光信号 ( b ) 突发模式光信号 卅几 在o b s 和p o n 系统中，光发射机以突发模式工作，即只在分配该它的时隙 内才有功率输出，在其他时间内处于关断状态。因为激光器从关断到正常的功率 输出有一个功率建立过程，这样发射机就应该采取一定的措施减小和补偿突发时 延，这就是突发发射技术。已经有的突发发射技术只要有以下几种5 】 1 0 l ： 电子科技大学研究生毕业论文 第1 种方法是对数据包的所有“1 ”比特都引入开机时延( 驱动电脉冲宽度等 于1 比特周期宽度加上开机时延) ，激光器收到的调制是驱动电流在i = 0 和i = i 。 两种状态变化，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。 篼2 种方法是只对发射数据包的第1 比特引入开机时延，第1 比特激光器收 到的调制是驱动电流从i = 0 变到i = i 。对于本数据包随后的比特驱动电流是在阂 值电流i = l 。h 和发射电流i = i 。两种状态变化，即偏置电流等于阈值电流i t l 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，消光比可以达到2 0 d b ，插入损耗4 d b 。这种方案的缺点是成 本高。 第4 种方法是在发射数据包前t 。时刻就把阈值电流加到激光器上，对于数 据包的所有比特激光器的调制电流都是在i = l t l l 和i = i o n 两状态变化。这种方法具 有控制简单、易于实现和满足高比特率发射等优点。 2 3 突发模式光发射机设计方案 2 3 1 突发模式光发射模块的技术特点 无源光网络( p o n ) 和光突发交换( o b s ) 实质都是点对多点的通信系统。如 图2 3 1 所示。图中不同的光发射机在无源光网络( p o n ) 中相当于光网络用户单 元( o n u ) ，在光突发交换( o b s ) 中相当于各个不同的入口边缘节点；光接收机 在无源光网络( p o n ) 中相当于光线路终端( o l t ) ，在光突发交换( o b s ) 中相当于 核心节点。 图2 3 - 1点对多点通信系统示意图 突发式光发射机的设计应做到：在一帧内光输出功率稳定；在激光器的整个 9 电子科技大学研究生毕业论文 寿命周期内光输出功率保持在接收机的动态范围内，尽可能保持稳定；对信号反 应的快速性j 。 传统的光发射电路要求它的光输出功率在它的整个寿命周期内稳定，一般采 用自动功率控制( a p c ) 和恒温控制的方法来维持光输出功率的恒定，自动功率控 制( a p c ) 和恒温控制都采用后向反馈控制方式来实现。突发模式光发射电路与普 通( 连续) 光发射电路工作方式有很大的区别： f 1 ) 突发式发射电路时多路( 1 0 1 6 路) 轮流发射，突发式光发射电路的工作空 度比很大。所以，自动功率控制( a p c ) 就不能采用平均功率控制( 各个光发射机 在不同的时隙发射功率，在一个周期内其平均功率很小，因此不能采用) ，而必 须采用峰值功率控制。 ( 2 ) 突发式光发射电路在关断时要求输出光功率小于一4 0 d b m ，否则接收时 叠加的背景噪声将淹没信号电平。 ( 3 1 突发式光发射模块要求激光器有很高的消光比。对点对多点的光通信系 统，如果消光比不大的话，噪声会淹没信号。 2 3 2 突发模式发射机调制方式 突发模式光发射机的设计中一个重要的技术就是光源的调制技术。光调制是 用待发送的电信号控制光载波的某一参量( 如光强度、频率、相位等) 使之携带发 送信息的过程f l “。改变载波幅度的调制叫非相干调制，而改变载波频率或相位 的调制叫相干调制。调制有直接调制和间接调制两种方式。前者是信号直接调制 光源的输出光强；后者是通过外调制器对连续输出光进行调制，如图2 3 2 所示。 光纤通信常用i m d d 方式，即用电信号直接调制光载波的强度0 m ) ，在接收端 用光电二极管直接检测( d d ) 光信号，恢复发射端的电信号。 ( a )( b ) 图2 3 2 调制方式比较 ( a ) 直接调制 ( b ) 外调制 i m 调制又分为模拟强度光调制和数字强度光调制。模拟强度光调制是模拟 电信号线性地直接调制光源( l e d 或l d ) 的输出光功率，如图2 3 3 ( a ) 所示。当 调制信号是数字信号时，调制原理与模拟强度调制相同，只要用脉冲波取代正弦 】o 塑 母 一 电子科技大学研究生毕业论文 波即可，如图2 3 3 ( b ) 所示。但是工作点的选择不同，模拟强度调制选在p - i 特 性曲线的线性区；而数字调制选在闺值点。 r a ) c o ) 图2 3 3 强度调制 ( a ) 模拟强度调制 ( b ) 数字强度调制 在高速直接检测接收机中，激光器可能出现的线性调频使输出线宽增大，信 道能量损失，并产生对邻近信道的串扰，从而成为系统设计的主要限制。为此， 把激光的产生和调制过程分开，即用外调制就可以避免这些有害影响。最常用的 调制器是电光调制器和电吸收调制器。 直接调制的方法具有简单、经济、易于实现的优点，是光纤通信系统中常采 用的调制方式。但是对半导体激光器进行直接调制时，激光器的动态谱线加宽， 使单模光纤的色散增加，限制了光纤的传输容量【1 3 】。所以为了消除动态谱线加 宽对高速光纤通信系统的影响，在高速长距离光纤通信系统中采用间接调制的方 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 光束的调制。间接调制最常用的方法就是外调制，即在激光形成后加载调制信号。 具体方法是在激光器的外光路上放置调制器，使调制器的某些物理特性发生相应 的变化，激光得到调制。 2 3 3 光源选用 2 3 3 1 选用原则【6 l 光纤通信系统传输的是光信号，其中光源器件是重要的器件之一。它的作用 是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传 送。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，应满足以 激光器输出功率 电子科技大学研究生毕业论文 f 要求： ( 1 ) 体积小，与光纤之间有较高的耦合效率； ( 2 ) 发射的光波波长应位于三个低损耗窗口，即0 8 5 1 a m 、1 3 1 9 m 和1 5 5 1 m a 波段； ( 3 ) 可以进行光强度调制； ( 4 ) 可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、 波长稳定性和光谱稳定性； ( 5 ) 发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离； f 6 ) 温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范 围内。 能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管。目前全光纤激光器作为一种 新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥其作用。最常用的半导体发光器件是 发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 。前者可用于短距离、低容量或模拟系统， 其成本低；后者适用于长距离、高速率的系统。在选用时要根据需要综合考虑来 决定，因为他们都有自己的优缺点和特性，下面就两者的性能做系统的比较。 激光二极管：输出光功率大；带宽大，调制速率高；光束方向性强，发散度 小；与光纤的耦合效率高；光谱较窄；制造工艺难度大，成本高；在要求光功率 较稳定时，需要a p c 和a t c ：输出特性曲线的线性度较好；可靠性一般；工作 寿命短。 发光二极管：输出光功率小；带宽小，调制速率低：方向性差，发散度大： 与光纤的耦合效率低；光谱较宽；制造工艺难度小，成本低：可在较宽的温度范 围内正常工作；可靠性较好；工作寿命