接入網PON光模塊基本介紹和原理講解

接入網PON模塊基本介紹和原理講解RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/02目錄1、PON模塊的基本介紹2、PON模塊的基本原理3、PON模塊主要測試指標RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/03一、PON模塊的基本介紹1、什么是PON2、PON模塊的技術特點3、PON模塊的分類4、10GEPON標準RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模塊的基本介紹41、什么是PON？

無源光網絡（PON，passiveopticalnetwork）技術是為了支持點到多點應用發(fā)展起來的光接入技術。PON由光線路終端（OLT）、光網絡單元（ONU）和光分配網絡（ODN）組成。其本質特征為ODN全部由無源器件組成，無源的特性使得網絡布放更加靈活，無需機房和電源等。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模塊的基本介紹51、什么是PON？傳統光模塊與PON光模塊之間的差別RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模塊的基本介紹62、PON模塊的技術特點：在OLT到ONU下行方向采用TDM（TimeDivisionMultiplexing時分復用)方式，以廣播方式送至每一個ONU，ONU選擇性接收（根據LLID,LogicalLinkIdentifier邏輯鏈路標識符）。OLT的發(fā)送部分和ONU的接收部分都是連續(xù)工作方式。下行信號：從OLT到ONU，OLT連續(xù)廣播發(fā)送，ONU選擇性接收（根據LLID）RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模塊的基本介紹72、PON模塊的技術特點：ONU到OLT的上行信號的傳輸采用TDMA（TimeDivisionMultipleAcces時分多址接入）技術，OLT通過多點控制協議（MPCP）控制每個ONU在指定的時間起始點發(fā)送指定時間長度的數據，通過TMDA,使多個ONU能夠共享上行波長的帶寬。OLT的接收部分和ONU的發(fā)送部分都是突發(fā)模式工作。上行信號：從ONU到OLT，TDMA突發(fā)發(fā)送，采用測距技術保證上行數據不發(fā)生沖突RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模塊的基本介紹83、PON模塊的分類根據封裝類型不同，PON光模塊可以分為SFF（小尺寸）、SFP（小尺寸可插拔）、SFP+（增強型小尺寸可插拔）或XFP（小尺寸可插拔）這幾種類型。根據插入式設備的不同，PON光模塊有OLT光模塊和ONU（光網絡單元）光模塊這兩種類型。根據技術標準劃分，PON光模塊可以分為GPON（吉比特無源光網絡）光模塊和EPON（以太網無源光網絡）光模塊這兩種。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模塊的基本介紹94、10GEPON標準10GEPON標準小組在2006年9月成立，代碼為IEEE802.3av。定義了兩種10GEPON技術：非對稱：下行傳輸速率為10Gbps，上行傳輸的速率為1Gbps。下行中心波長為1577nm，上行中心波長為1310nm。2.對稱：下行傳輸速率為10Gbps，上行傳輸的速率為10Gbps。下行中心波長為1577nm，上行中心波長為1270nm。

10GEPON波長之所以選擇下行1577nm，上行1270nm，主要是因為10GEPON系統必須向下兼容現行EPON系統，因此10GEPON系統傳輸波長必須與EPON系統傳輸波長進行區(qū)分。IEEE802.3av標準的核心點：擴大802.3ah（EPON）標準的上下行帶寬，達到10G速率；10GEPON的兼容性，即10GEPON的ONU可以與1GEPON的ONU共存在一個光分配網絡（ODN）下。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0一、PON模塊的基本介紹1010GEPON與EPON的技術對比RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理111、光收發(fā)一體模塊介紹2、發(fā)射部分3、接收部分RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理12光收發(fā)一體模塊是光通信的核心器件，完成對光信號的光電和電光轉換。由兩部分組成：接收部分和發(fā)射部分。接收部分實現光電變換，發(fā)射部分實現電光變換。發(fā)射部分：輸入一定碼率的電信號經內部的驅動芯片處理后驅動半導體激光器(LD)，發(fā)射出相應速率的調制光信號，其內部帶有光功率自動控制電路(APC)，使輸出的光信號功率保持穩(wěn)定。接收部分：一定碼率的光信號輸入模塊后由光探測二極管轉換為電信號，經前置放大器后輸出相應碼率的電信號，輸出的信號一般為PECL電平。同時在輸入光功率小于一定值后會輸出一個告警信號。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理13ONU光收發(fā)合一模塊原理框圖RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理14OLT光收發(fā)合一模塊原理框圖RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理15發(fā)射部分：包含激光器驅動IC，激光器（FP/DFB、EML)，APC自動光功率控制電路，TEC溫度控制電路等。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理16激光器二極管的特性激光器二極管（LD——laserdiode）是一個電流器件，只在它通過的正向電流超過閾值電流Ith（threholdcurrent）時它發(fā)出激光；為了使LD高速開關工作，必須對它加上略大于閾值電流的直流偏置電流Ibias；LD的兩個主要參數：閾值電流Ith和斜效率S（slopeefficiency），其中閾值隨溫度升高而增大，效率隨溫度升高而減小。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理17激光驅動器電路驅動電路實質上就是一個高速電流開關，通過發(fā)射信號來控制開關的閉合以及斷開。激光驅動器一般提供兩個電流，偏置電流和調制電流。偏置電流和激光器的閾值聯系在一起，調制電流大小和激光器的出光效率有關。當溫度變化的時候，偏置電流跟蹤激光器閾值的變化，保證激光器發(fā)射光功率的恒定，而調制電流隨激光器的效率變化而增大或者減小，保證消光比的恒定不變。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理18激光驅動器電路通過檢測背光二極管（MD）產生的光電流（平均值）來實現閉環(huán)控制。這里我們認為背向光和正向光的比例關系是相同的，只需要保證背向光恒定，就可以保證正向光功率恒定。其實這里面會有偏差，因為不同溫度下相同的背向光對應的正向光不一定相同，這就是光模塊高低溫功率變化的主要原因。APC調節(jié)偏置電流來保持平均輸出光功率穩(wěn)定；APC只對偏置電流回路起作用。APC對調制電流無法控制，溫度升高，斜效率降低，調制幅度變小，APC確使偏流加大，消光比就變小了。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理19自動光功率控制（APC）原理器件的背光探測器將所檢測到的光信號強度，轉換為響應電流（也就是背光電流）并輸送給芯片。而芯片內部則是做一個背光電流的鏡像，通過這個鏡像電路電流的變化，來控制給激光二極管LD的偏置電流，從而保證背光電流的穩(wěn)定。而背光電流的穩(wěn)定，在器件自身穩(wěn)定的情況下，也就保證了輸出光功率的穩(wěn)定。信號調制電路激光器溫度控制器背光檢測偏置電流產生激光器組件制冷器TEC、熱敏電阻等RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理20TEC溫度控制電路DWDM（密集波分復用）技術不斷發(fā)展，為了盡可能地傳輸更多的信道，要求光源峰值波長的間隔盡可能地小，這就對激光器波長的穩(wěn)定性提出了更高的要求。從圖中可以看出在正常工作范圍內，激光器波長與溫度成正比關系，環(huán)境溫度的變化會對波長造成影響。激光器長的溫度依賴性典型約為0.08nm/℃，因此對波長的控制可通過溫度控制來實現，對激光器的管芯溫度進行控制是穩(wěn)定激光器發(fā)射波長的最有效、最基本的方法。激光器的溫度波長曲線RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理21由溫度實現波長反饋控制示意圖RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理22接收部分：包含APD/PIN、前放（前置放大器，也稱作跨阻放大器TIA）、主放（LA，限幅放大器）、CDR（時鐘和數據恢復電路）、APD偏置電壓電路、告警檢測和溫度取樣等。CDR（時鐘和數據恢復電路）RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理23光電二極管的工作原理普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀態(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。APD和PIN的區(qū)別PIN附加噪聲小，工作電壓低，工作壽命長，使用方便，但沒有倍增系數，只能用于光接收機靈敏度要求不太高、短距離的光纖通信中。APD與PIN相比，具有倍增效應，具有較高的響應度，但工作電壓較高，且產生雪崩噪聲，APD一般用于大容量、長距離光纖通信系統中。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理24前放（前置放大器或跨阻放大器TIA）在這種I-V變化電路中，接入一個負反饋電阻Rf，所以又被稱作跨阻放大器（TIA——tranimpedanceamplifier）。TIA由于具有高帶寬的優(yōu)點，一般用于高速電路，如光電傳輸通訊系統中普遍使用。例如PIN-TIA，PIN-TIA光接收器是用于光通信系統中將微弱的光信號轉換成電信號并將信號進行一定強度低噪聲放大的探測器件。其工作原理是：PIN的光敏面受探測光照射時，由于p-n結處于反向偏置，光生載流子在電場的作用下產生漂移，在外電路產生光電流；光電流通過跨阻放大器放大輸出，這樣就實現了光信號轉換成電信號進而將電信號初步放大的功能。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理25主放（LA限幅放大器）TIA輸出的是模擬信號，要把它轉換成數字信號才能被信號處理電路識別。限幅放大器起的作用就是把TIA輸出的幅度不同的信號處理成等幅的數字信號。CDR（時鐘和數據恢復電路）CDR的作用就是在輸入數據信號中提取信號并找出數據和時鐘正確的相位關系。APD偏置電壓APD的偏置電壓（即通常所說的高壓）一般約為20、30幾伏，而目前光模塊的工作電壓一般為3.3V或5V。APD的靈敏度隨著溫度的升高而降低。為保證APD的正常工作，需要引入高壓電路及相應的難度補償措施。不同APD高壓補償下，接收靈敏度不同，一般設置APD高壓為VBR-1.5時靈敏度最優(yōu)。

RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理26APD高壓電路主要包括升壓電路、倍壓電路和溫度補償三個部分。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理271.升壓電路光模塊內部采用的升壓電路一般都是非常成熟了的能夠實現DC/DC轉換的專用升壓芯片，通過DC/DCconverter能將輸入的電源電壓（3.3V或5V）轉換成20、30幾伏的高壓輸出。2.倍壓電路雖然DC/DCconverter能輸出20、30幾伏的電壓，但APD的工作電壓高達60幾伏，這就需要將convert的輸出電壓進行倍壓，以滿足APD的工作需要。

3.溫度補償--APD的溫度補償一般是通過負溫度系數的熱敏電阻來實現的。熱敏電阻（內部集成或者外圍提供）將環(huán)境溫度的變化反映到DC/DCconverter輸入反饋電壓處，從而控制APD的高壓隨工作溫度的變化而變化。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0二、PON模塊的基本原理28倍壓過程詳解VT截止時，L放電，D1導通，D2截止，電流經過D1對C1充電，C1兩端電壓達到Vc1（L產生的反向感應電勢）。VT導通時，L儲能，Vc1>Va，D1截止，D2導通。此時，C1的電荷經過D2對C2充電，直至C2兩端電壓Vc2=Vc1。VT再次截止時，L放電，L產生的反向感應電勢和C2上的電壓聯合作用Vc2+Vc1，通過D3對C3充電，此時C3上的電壓就近似為2*Vc1，實現了二倍壓。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模塊主要測試指標29PON模塊主要測試指標包括：1、發(fā)端指標：發(fā)送光功率眼圖，包含消光比，交叉點，Q因子，抖動等；光譜，包含中心波長，SMSR（邊模抑制比），-20dB譜寬；2、收端指標：靈敏度過載點RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模塊主要測試指標30發(fā)送光功率發(fā)送光功率指光模塊發(fā)送端光源的輸出光功率。可以理解為光的強度，單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線性單位，dBm為對數單位。在通信中，我們通常使用dBm來表示光功率。公式：P(dBm)=10Log(P/1mW)測試發(fā)送光功率可以用光功率計測試，例如OLT模塊，測試組網如下：MA5600光功率計OLT光纖直連RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模塊主要測試指標31眼圖消光比：信號邏輯為1時的光功率與為0時的光功率的大小之比。不同的激光器的類型有不同的要求，一般的對于FP/DFB直調激光器要求，消光比不小于8.2dB，EML電吸收激光器消光比不小于10dB。交叉點：交叉點比例反映信號的占空比大小，由于傳輸過程中，光信號的脈沖寬度將會展寬，導致接收側的交叉點相對于發(fā)送側上移。為了有利于長距離傳輸，保證接收側的交叉點比例在大約50%左右，使得接收側的靈敏度最佳。Q因子：Q因子綜合反映眼圖的質量問題，Q因子越高越好，表明眼圖的質量越好。在不加光衰減的情況下，發(fā)送側光眼圖的Q因子不應該小于12。抖動：峰-峰值抖動和均方根值抖動，可以定性反映信號的抖動大小，做為比較參考，這兩個測量值是越小越好。MA5600眼圖儀OLT光纖直連眼圖測試組網RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模塊主要測試指標32眼圖下圖為一個10G光信號的眼圖，左邊是眼圖的形狀以及10G眼圖的模板，右邊一欄為這個光信號的一些測量值。從上而下分別為消光比(ExdB)、交叉點比例(Crs)、Q因子(QF)、平均光功率(AOP)、上升時間(Rise)、下降時間(Fall)、峰-峰值抖動(PFJi)、均方根值抖動(RMSJ)。RGB0/78/162公司色RGB114/113/113RGB47/171/143公司輔助色RGB236/192/76PPT輔助色RGB230/242/254RGB235/115/0三、PON模塊主要測試指標33眼圖之消光比問題：為什么發(fā)射端消光比不能太大，但也不能太小。消光比，光模塊發(fā)射端的一個技術指標。消，是消失的消，指的的信號“0”光，是發(fā)光的光，指的是信號“1”這個問題的前提，說的是直接調制的激光器，消光比不能太大，也不能太小。對外調制來說，消光比是可以大一些的。咱把問題局限在直接調制范圍內。消光比大，好處就是，接收端信號容易識別，1/0很明顯。消光比大，有兩個不好的地方：一個是調制帶寬會降低，（所以一般高速率信號要求的消光比比較?。?，這是因為1/0電路跨度大，那就等于從0到1，或者從1到0，需要更長的時間，切換頻率不能太快，俗稱帶寬比較低；第二個就是，消光比大，1/0的驅動電流差異也更大，電流會因子激光器波長漂移，俗稱啁啾，啁啾更大，在光纖中的傳輸色散代價也增大。綜合來說，一個優(yōu)點，