突发模式光接收及相关技术的演进

图1为突发模式接收机的方框图

已利用0.25μm SiGe BiCMOS技术制造出了BM- TIA和BM- LA IC芯片，芯片尺寸分别为1.2×1.8mm2和2.3×2.5mm2。BM- TIA IC芯片和PIN探测器一起安装在蝶形组件上，PIN探测器的灵敏度为0.7A/W，结电容为250fF。BM- LA IC芯片安装在具有32个插针的QFN组件上。

经测试表明，该突发模式接收机可接收数据块的最强功率为- 1.09dBm，最弱功率（接收机灵敏度）为- 12.54dBm，其强/弱功率之比（loud/soft ratio）为11.5dB，保护时间最短为25.6ns，前导码仅长23.8ns，可以抵御72个长连“1”或长连“0”（CID）。可应用于使用EDFA的DWDM/TDMA 超长距离PON中。该突发模式接收机所用的器件单片集成，已成功地进行了模拟试验。

文献[2]报道，日本NTT也设计和开发出用于10Gbit/s PON系统的直流耦合突发模式3R接收机，如图2所示。该接收机使用的转移阻抗放大器(TIA)、补偿限幅放大器(LA)和时钟和数据恢复电路(CDR) IC芯片是使用0.25 mSiGe BiCMOS技术和PIN光电探测器单片集成。主要技术指标为接收机灵敏度- 18dBm，动态范围16.5dB，响应时间75ns。增益切换有两种模式：

用于小信号电平的高增益和用于大信号电平的低增益，根据输入信号功率的强弱快速进行切换。使用一个外部复位信号初始化TIA的增益切换模式和电平检测电路。

图2 NTT用于10Gbit/s PON系统的直流耦合突发模式3R接收机

LA精确地提取参考电平是非常重要的，因为它可以抑制脉冲占空比的变化，有利于CDR的工作。在这里使用一个自动偏移补偿（AOC）电路，以便快速和精确的提取补偿量。LA输出幅度恒定的脉冲信号送到CDR电路，时钟恢复电路（CRC）必须及时完成与输入信号的相位同步。使用选通压控振荡器（G- VCO）及时提取输入突发脉冲的相位。在突发模式接收机中，偏移补偿的过程可能使输入信号的占空比发生变化。使用与非门（NAND）构成CRC电路检测输入脉冲信号的上升沿，可使CRC与占空比的变化无关。

文献[3]报道，在10Gbit/s TDMA PON线路上，使用突发信号光放大器成功地实现了15dB损耗预算的改善，线路总损耗预算可达42.8dB，如果再使用前向纠错（FEC），线路总损耗预算还可提高到50.4dB。实验中使用的光放大器是0.98 m泵浦的增益箝位掺镨光纤放大器（GC- PDFA），该放大器提供17dB增益。

二、 交流耦合突发模式光接收机

交流耦合突发模式光接收机在使用TDMA 接入方式的PON系统中，通常在OLT使用直流耦合突发模式接收机接收自OLT距离各不相同的ONU发送来的光突发数据块。这种接收机要求具有对输入信号幅度快速响应的阈值控制器件，而阈值控制中的不适当的DC偏置使脉冲畸变，同时DC偏置随温度和老化也在不断变化，并且这种器件昂贵，所以韩国Sub Han等人用交流耦合方式实现了千兆比特以太网突发模式接收，使用IEEE 802.3ah规范的8B/10B编码实现了快速响应，减少了AC耦合带来的信号畸变。

韩国三星公司J. M. Baek等人已设计和研制出用于EPON的1.25Gbit/s突发模式光接收机。该接收机使用普通平面雪崩光电二极管（APD）和低成本连续模式转移阻抗放大器（TIA），在数据块间的保护带宽896ns时，APD接收到的光功率最大和最小的数据块的功率电平之比（loud/soft ratio）为27.3dB，接收机灵敏度为- 33.3dBm。这种接收机可应用于1:32分光比和20km传输距离的EPON系统[5]。接收机使用的APD在增益9倍时结电容、暗电流和光带宽分别为0.4pF、2nA和2.3GHz。

几乎所有商用TIA只提供交流耦合的输出，为了减小RC充放电时间，在这里使用一个小的电容（100pF）把TIA和限幅放大器（LA）连接起来，以便在EPON中使用8B/10B编码。大部分TIA的输出阻抗和LA的输入阻抗是50Ω，对于100pF耦合电容，低频截至频率是15.9MHz，RC时间常数是10ns。通常，连续模式TIA具有自动增益控制（AGC）功能，而正是这种AGC功能使OLT接收机来不及响应，产生误码。

TIA实际上是一个电流/电压变换器，如图3所示，AGC工作的时间常数是tAGC=RiCi。大部分商用连续模式TIA具有一个固定的长约几毫秒的时间常数，因此不能应用到突发模式工作。通过调查发现，也有少数几种TIA具有小的tAGC。

图3 APD交流耦合突发模式接收机及其测试系统框图

经测试表明，在理想的APD灵敏度情况下，5脚晶体管封装的APD突发模式接收机模块3dB带宽为760MHz，10dB带宽为2GHz。为了测试OLT突发模式接收机在连续模式工作时的灵敏度和过载能力，将TIA模块的输出通过100pF的电容耦合连接到差分限幅放大器（LA） 的输入，ONU发射机的波长是1310nm，消光比是12dB，线路速率为1.25Gbit/s，使用伪随机码发生器产生27- 1位的码流调制ONU发射机LD的电流。

当APD偏置电压为62.5V和误码率为10- 12时，接收机灵敏度为- 34.83dBm，与使用PIN PD的接收机比较，在使用同一个TIA的情况下，灵敏度提高了6.62dB。在0～70 ℃温度范围内测量到的灵敏度变化是0.4dB。

3 2.5Gbit/s边检测突发模式GPON光接收机

边检测突发模式接收机也是一种交流耦合突发模式接收机。英国Essex大学的E.Hugues- Salas等人使用高性能SiGe比较器的边检测数据恢复技术实现了PON系统的2.5Gbit/s突发模式接收[6]。边检测技术使用超短时间常数的微分器件，显著地减少了对码型和脉冲高度变化的敏感性。

使用这种技术不要求保护带宽或恢复时间，不限制连“1”或连“0”的个数，也不必考虑所有突发格式的问题。在32km路径的GPON测试平台上进行了无误码的传输。图4表示用GPON系统实验验证边检测突发模式接收原理的方框图。BM- Rx依次2.5Gbit/s 商用光电接收机、微分器和比较器构成。微分器的时间常数为50ps，比较器采用可以完全恢复信号的商用ADCMP580器件。

图4 边检测突发模式接收2.5Gbit/s GPON系统实验验证方框图

上升沿检测BM- Rx与采用直流耦合BM- Rx相比，假如上升沿丢失或检测错误，将可能引入比特突发误码，这是它的缺点。表1给出其他10Gbit/s PON OLT光突发模式接收机技术指标和采用的技术[7]。

4 结束语

交流耦合突发模式接收机采用市场上已成熟的商用器件，实现了突发模式接收，为EPON和GPON系统大规模的商用奠定了基础。返回搜狐，查看更多