接入网PON光模块基本介绍和原理讲解

接入网PON模块基本介绍和原理讲解RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/02目录1、PON模块的基本介绍2、PON模块的基本原理3、PON模块主要测试指标RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/03一、PON模块的基本介绍1、什么是PON2、PON模块的技术特点3、PON模块的分类4、10GEPON标准RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模块的基本介绍41、什么是PON？

无源光网络（PON，passiveopticalnetwork）技术是为了支持点到多点应用发展起来的光接入技术。PON由光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成。其本质特征为ODN全部由无源器件组成，无源的特性使得网络布放更加灵活，无需机房和电源等。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模块的基本介绍51、什么是PON？传统光模块与PON光模块之间的差别RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模块的基本介绍62、PON模块的技术特点：在OLT到ONU下行方向采用TDM（TimeDivisionMultiplexing时分复用)方式，以广播方式送至每一个ONU，ONU选择性接收（根据LLID,LogicalLinkIdentifier逻辑链路标识符）。OLT的发送部分和ONU的接收部分都是连续工作方式。下行信号：从OLT到ONU，OLT连续广播发送，ONU选择性接收（根据LLID）RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模块的基本介绍72、PON模块的技术特点：ONU到OLT的上行信号的传输采用TDMA（TimeDivisionMultipleAcces时分多址接入）技术，OLT通过多点控制协议（MPCP）控制每个ONU在指定的时间起始点发送指定时间长度的数据，通过TMDA,使多个ONU能够共享上行波长的带宽。OLT的接收部分和ONU的发送部分都是突发模式工作。上行信号：从ONU到OLT，TDMA突发发送，采用测距技术保证上行数据不发生冲突RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模块的基本介绍83、PON模块的分类根据封装类型不同，PON光模块可以分为SFF（小尺寸）、SFP（小尺寸可插拔）、SFP+（增强型小尺寸可插拔）或XFP（小尺寸可插拔）这几种类型。根据插入式设备的不同，PON光模块有OLT光模块和ONU（光网络单元）光模块这两种类型。根据技术标准划分，PON光模块可以分为GPON（吉比特无源光网络）光模块和EPON（以太网无源光网络）光模块这两种。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模块的基本介绍94、10GEPON标准10GEPON标准小组在2006年9月成立，代码为IEEE802.3av。定义了两种10GEPON技术：非对称：下行传输速率为10Gbps，上行传输的速率为1Gbps。下行中心波长为1577nm，上行中心波长为1310nm。2.对称：下行传输速率为10Gbps，上行传输的速率为10Gbps。下行中心波长为1577nm，上行中心波长为1270nm。

10GEPON波长之所以选择下行1577nm，上行1270nm，主要是因为10GEPON系统必须向下兼容现行EPON系统，因此10GEPON系统传输波长必须与EPON系统传输波长进行区分。IEEE802.3av标准的核心点：扩大802.3ah（EPON）标准的上下行带宽，达到10G速率；10GEPON的兼容性，即10GEPON的ONU可以与1GEPON的ONU共存在一个光分配网络（ODN）下。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模块的基本介绍1010GEPON与EPON的技术对比RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理111、光收发一体模块介绍2、发射部分3、接收部分RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理12光收发一体模块是光通信的核心器件，完成对光信号的光电和电光转换。由两部分组成：接收部分和发射部分。接收部分实现光电变换，发射部分实现电光变换。发射部分：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器(LD)，发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路(APC)，使输出的光信号功率保持稳定。接收部分：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为PECL电平。同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理13ONU光收发合一模块原理框图RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理14OLT光收发合一模块原理框图RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理15发射部分：包含激光器驱动IC，激光器（FP/DFB、EML)，APC自动光功率控制电路，TEC温度控制电路等。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理16激光器二极管的特性激光器二极管（LD——laserdiode）是一个电流器件，只在它通过的正向电流超过阈值电流Ith（threholdcurrent）时它发出激光；为了使LD高速开关工作，必须对它加上略大于阈值电流的直流偏置电流Ibias；LD的两个主要参数：阈值电流Ith和斜效率S（slopeefficiency），其中阈值随温度升高而增大，效率随温度升高而减小。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理17激光驱动器电路驱动电路实质上就是一个高速电流开关，通过发射信号来控制开关的闭合以及断开。激光驱动器一般提供两个电流，偏置电流和调制电流。偏置电流和激光器的阈值联系在一起，调制电流大小和激光器的出光效率有关。当温度变化的时候，偏置电流跟踪激光器阈值的变化，保证激光器发射光功率的恒定，而调制电流随激光器的效率变化而增大或者减小，保证消光比的恒定不变。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理18激光驱动器电路通过检测背光二极管（MD）产生的光电流（平均值）来实现闭环控制。这里我们认为背向光和正向光的比例关系是相同的，只需要保证背向光恒定，就可以保证正向光功率恒定。其实这里面会有偏差，因为不同温度下相同的背向光对应的正向光不一定相同，这就是光模块高低温功率变化的主要原因。APC调节偏置电流来保持平均输出光功率稳定；APC只对偏置电流回路起作用。APC对调制电流无法控制，温度升高，斜效率降低，调制幅度变小，APC确使偏流加大，消光比就变小了。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理19自动光功率控制（APC）原理器件的背光探测器将所检测到的光信号强度，转换为响应电流（也就是背光电流）并输送给芯片。而芯片内部则是做一个背光电流的镜像，通过这个镜像电路电流的变化，来控制给激光二极管LD的偏置电流，从而保证背光电流的稳定。而背光电流的稳定，在器件自身稳定的情况下，也就保证了输出光功率的稳定。信号调制电路激光器温度控制器背光检测偏置电流产生激光器组件制冷器TEC、热敏电阻等RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理20TEC温度控制电路DWDM（密集波分复用）技术不断发展，为了尽可能地传输更多的信道，要求光源峰值波长的间隔尽可能地小，这就对激光器波长的稳定性提出了更高的要求。从图中可以看出在正常工作范围内，激光器波长与温度成正比关系，环境温度的变化会对波长造成影响。激光器长的温度依赖性典型约为0.08nm/℃，因此对波长的控制可通过温度控制来实现，对激光器的管芯温度进行控制是稳定激光器发射波长的最有效、最基本的方法。激光器的温度波长曲线RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理21由温度实现波长反馈控制示意图RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理22接收部分：包含APD/PIN、前放（前置放大器，也称作跨阻放大器TIA）、主放（LA，限幅放大器）、CDR（时钟和数据恢复电路）、APD偏置电压电路、告警检测和温度取样等。CDR（时钟和数据恢复电路）RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理23光电二极管的工作原理普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。APD和PIN的区别PIN附加噪声小，工作电压低，工作寿命长，使用方便，但没有倍增系数，只能用于光接收机灵敏度要求不太高、短距离的光纤通信中。APD与PIN相比，具有倍增效应，具有较高的响应度，但工作电压较高，且产生雪崩噪声，APD一般用于大容量、长距离光纤通信系统中。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理24前放（前置放大器或跨阻放大器TIA）在这种I-V变化电路中，接入一个负反馈电阻Rf，所以又被称作跨阻放大器（TIA——tranimpedanceamplifier）。TIA由于具有高带宽的优点，一般用于高速电路，如光电传输通讯系统中普遍使用。例如PIN-TIA，PIN-TIA光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件。其工作原理是：PIN的光敏面受探测光照射时，由于p-n结处于反向偏置，光生载流子在电场的作用下产生漂移，在外电路产生光电流；光电流通过跨阻放大器放大输出，这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理25主放（LA限幅放大器）TIA输出的是模拟信号，要把它转换成数字信号才能被信号处理电路识别。限幅放大器起的作用就是把TIA输出的幅度不同的信号处理成等幅的数字信号。CDR（时钟和数据恢复电路）CDR的作用就是在输入数据信号中提取信号并找出数据和时钟正确的相位关系。APD偏置电压APD的偏置电压（即通常所说的高压）一般约为20、30几伏，而目前光模块的工作电压一般为3.3V或5V。APD的灵敏度随着温度的升高而降低。为保证APD的正常工作，需要引入高压电路及相应的难度补偿措施。不同APD高压补偿下，接收灵敏度不同，一般设置APD高压为VBR-1.5时灵敏度最优。

RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理26APD高压电路主要包括升压电路、倍压电路和温度补偿三个部分。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理271.升压电路光模块内部采用的升压电路一般都是非常成熟了的能够实现DC/DC转换的专用升压芯片，通过DC/DCconverter能将输入的电源电压（3.3V或5V）转换成20、30几伏的高压输出。2.倍压电路虽然DC/DCconverter能输出20、30几伏的电压，但APD的工作电压高达60几伏，这就需要将convert的输出电压进行倍压，以满足APD的工作需要。

3.温度补偿--APD的温度补偿一般是通过负温度系数的热敏电阻来实现的。热敏电阻（内部集成或者外围提供）将环境温度的变化反映到DC/DCconverter输入反馈电压处，从而控制APD的高压随工作温度的变化而变化。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模块的基本原理28倍压过程详解VT截止时，L放电，D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，C1两端电压达到Vc1（L产生的反向感应电势）。VT导通时，L储能，Vc1>Va，D1截止，D2导通。此时，C1的电荷经过D2对C2充电，直至C2两端电压Vc2=Vc1。VT再次截止时，L放电，L产生的反向感应电势和C2上的电压联合作用Vc2+Vc1，通过D3对C3充电，此时C3上的电压就近似为2*Vc1，实现了二倍压。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模块主要测试指标29PON模块主要测试指标包括：1、发端指标：发送光功率眼图，包含消光比，交叉点，Q因子，抖动等；光谱，包含中心波长，SMSR（边模抑制比），-20dB谱宽；2、收端指标：灵敏度过载点RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模块主要测试指标30发送光功率发送光功率指光模块发送端光源的输出光功率。可以理解为光的强度，单位为W或mW或dBm。其中W或mW为线性单位，dBm为对数单位。在通信中，我们通常使用dBm来表示光功率。公式：P(dBm)=10Log(P/1mW)测试发送光功率可以用光功率计测试，例如OLT模块，测试组网如下：MA5600光功率计OLT光纤直连RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模块主要测试指标31眼图消光比：信号逻辑为1时的光功率与为0时的光功率的大小之比。不同的激光器的类型有不同的要求，一般的对于FP/DFB直调激光器要求，消光比不小于8.2dB，EML电吸收激光器消光比不小于10dB。交叉点：交叉点比例反映信号的占空比大小，由于传输过程中，光信号的脉冲宽度将会展宽，导致接收侧的交叉点相对于发送侧上移。为了有利于长距离传输，保证接收侧的交叉点比例在大约50%左右，使得接收侧的灵敏度最佳。Q因子：Q因子综合反映眼图的质量问题，Q因子越高越好，表明眼图的质量越好。在不加光衰减的情况下，发送侧光眼图的Q因子不应该小于12。抖动：峰-峰值抖动和均方根值抖动，可以定性反映信号的抖动大小，做为比较参考，这两个测量值是越小越好。MA5600眼图仪OLT光纤直连眼图测试组网RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模块主要测试指标32眼图下图为一个10G光信号的眼图，左边是眼图的形状以及10G眼图的模板，右边一栏为这个光信号的一些测量值。从上而下分别为消光比(ExdB)、交叉点比例(Crs)、Q因子(QF)、平均光功率(AOP)、上升时间(Rise)、下降时间(Fall)、峰-峰值抖动(PFJi)、均方根值抖动(RMSJ)。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司辅助色RGB236/192/76PPT辅助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模块主要测试指标33眼图之消光比问题：为什么发射端消光比不能太大，但也不能太小。消光比，光模块发射端的一个技术指标。消，是消失的消，指的的信号“0”光，是发光的光，指的是信号“1”这个问题的前提，说的是直接调制的激光器，消光比不能太大，也不能太小。对外调制来说，消光比是可以大一些的。咱把问题局限在直接调制范围内。消光比大，好处就是，接收端信号容易识别，1/0很明显。消光比大，有两个不好的地方：一个是调制带宽会降低，（所以一般高速率信号要求的消光比比较小），这是因为1/0电路跨度大，那就等于从0到1，或者从1到0，需要更长的时间，切换频率不能太快，俗称带宽比较低；第二个就是，消光比大，1/0的驱动电流差异也更大，电流会因子激光器波长漂移，俗称啁啾，啁啾更大，在光纤中的传输色散代价也增大。综合来说，一个优点，