基于CS6716的1.25 Gbit/s EPON光模塊的設計

張 特，張勁松，彭 丹，黃繼文

(1.光纖通信技術與網絡國家重點實驗室武漢郵電科學研究院，湖北 武漢 430074;2.武漢群茂科技有限公司，湖北 武漢 430074)

責任編輯:許 盈

當今時代，光纖通信技術的發展日新月異。作為光纖通信系統光電轉換的核心模塊，光模塊有著舉足輕重的作用。隨著光纖到戶的日益普及，運營商開始越來越重視能與以太網較好兼容的EPON系統。因此，基于EPON技術的光模塊有廣闊的應用前景和發展空間［1］。各大光器件公司也瞄準這一趨勢，紛紛推出自己的光模塊，但在眾多EPON光模塊的設計案例中，很多光模塊廠商采用了限幅度放大芯片、激光器驅動芯片和MCU模式，較多的芯片往往會帶來較復雜的電路設計以及成本的增加。本文提出了一種基于世紀民生CS6716主芯片的1.25 Gbit/s EPON光模塊設計方案。該方案僅采用CS6716和AT24C64(E2PROM)兩個芯片，因而方案能有效簡化模塊設計電路，降低模塊生產成本，對實際生產具有一定的指導意義。

1 EPON技術簡介

EPON無源光以太網，就是將信息封裝成以太網幀進行傳輸的PON。其結構主要包括局端的光線路終端(OLT)、終端光網絡單元(ONU)以及光配線網(ODN)。其標準為IEEE Std 802.3ah-2004，傳輸碼型是8B/10B碼;上行光波長是1310 nm;下行光波長是1490 nm;1550 nm波長作為傳輸視頻信號用。由于其將以太網技術與PON技術完美結合，因此非常適合IP業務的寬帶接入。

通信過程中，EPON下行采用廣播技術，上行采用時分復用(Time Division Multiple Access，TDMA)技術［2］，原理如下:EPON下行傳輸過程如圖1a所示，OLT將數據以廣播方式通過分光器發送至每個ONU，每個OUN只選擇屬于自己的數據，OLT的發送模塊和ONU的接收模塊都是連續工作方式。

EPON上行傳輸過程如圖1b所示，上行信號的傳輸采用TDMA技術把光纖的占用按一定時間長度分成時段，在每一個時段，只有一臺ONU能夠占用光纖向OLT發送數據，其余ONU則關閉激光器。OLT的接收模塊和ONU的發送模塊都是突發模式工作。

圖1 EPON系統結構圖

2 EPON光模塊設計

本方案是圍繞世紀民生的CS6716主芯片展開的。與眾多光模塊采用獨立的限放、驅動、控制芯片不同，世紀民生的CS6716光模塊芯片是一個集1.25G后級限幅的放大器(PA)，1.25G連續/突發模式激光器驅動(LD)和8位監控單元(MCU)于一體的智能芯片，該芯片可用于SONET/SDH，FTTH，BPON，EPON(GEPON)等網絡中。方案采用SFP封裝標準。其結構主要由光信號接收、發送、控制3個部分組成。其中，信號接收部分由光電探測器、前置放大器和限幅度放大器組成;發射部分由基于VCSEL工藝的激光器、背光電流二極管PD和激光器驅動LD組成;控制部分由MCU來實現其對模塊的監控功能。在模塊接收與發送前端，現有的封裝技術已將探測器和前置放大器、背光二極管和激光器進行TO-CAN封裝成ROSA與TOSA。

2.1 信號接收部分

信號接收部分的工作原理是將經過光纖傳輸后衰減變形的微弱光信號通過ROSA的光電轉換和前放，放大成光模塊主芯片可以探測到的電平(約幾毫伏到幾十毫伏)，然后PA將該信號放大成合適的電平輸出。信號接收結構原理如圖2a所示。

圖2 信號接收結構圖

光電探測器本質是一個光電二極管，本方案選用的是PIN光電二極管。信號經過光電轉換后，在前置放大器中初步放大并送入芯片進行后級放大，由于CS6716的后級限幅放大器增益較高(可達50 dB)，芯片集成了偏移消除回路以防止可導致增益飽和的偏移出現。此外，該偏移消除回路還通過片內10 kΩ電阻為輸入RXIP和RXIN差分信號提供DC偏置。由于這一偏置的原因，在模塊設計的過程中，ROSA輸出的差分信號應加上AC耦合電容，以過濾掉信號中的低頻信號。其硬件電路設計如圖2b所示，C3，C7為相應濾波電容，本設計中，接收光功率也由ADCIN2參考確定，該路的C8和L3起濾波的作用。在信號的輸出端，MCU對比設定與實際輸入光功率來判決信號是否丟失，最終，經過放大后的信號以CML或PECL(可通過MCU相應寄存器配置)電平輸出。

2.2 信號發送部分

光信號發送過程主要是將輸入的電信號調制成適合光纖通信系統傳輸的激光器驅動信號(由偏置電流Ibias和調制電流Imod組成)，驅動激光器產生相應的光信號［3］。CS6716的LD驅動主要包括差分信號調制輸出和DC偏置控制輸出兩個過程。信號發送部分具體實現原理如圖3所示。

圖3 信號發送結構圖

信號調制的過程中，LD接收發送給芯片TXIP和TXIN管腳上的PECL差分電平信號，并送入PECL緩存器中，緩存器再將信號送入發送驅動中并進行電流轉換后由LASERP和LASERN輸出，最后通過AC或DC耦合的方式驅動激光器。本方案選用的是AC耦合的方式。鑒于EPON技術的特點，光信號發送也受突發使能端控制，監控網絡可以通過芯片上的BEN和BEP兩個引腳控制光信號的發送。緩沖器前端PECL偏置回路的作用是使開關切換能夠較快地實現，當突發模式被激活時，LASERP和LASERN完全由TXINP和TXINN信號驅動，當突發模式關閉時，此時LASERP被拉低，LASERN被空置。LD的輸出光功率的控制由芯片內自動功率控制(APC)回路控制，LD激光器通過PD將轉化后的電流送給芯片的MPD引腳，通過比較輸入的電流值和有MPDDAC的設定值，APC進行相應的邏輯判斷，并通過激光器DC偏置電流對激光器的輸出光功率進行控制。

2.3 MCU控制部分

控制部分主要作用是通過模塊中小封裝的MCU芯片實時監測與管理光模塊的發射和接收光功率、模塊的溫度、偏置電流、電壓等參數。其工作原理為相應的采集電路對各參數進行采集和轉換，將轉換的數據信號存儲在相應的寄存器中。并通過串行接口與主控單元通信。

CS6716的集成MCU采用了RISC CPU-12.5 MHz，它包括了2 kbyte的Boot ROM、2 kbyte的SRAM、看門狗電路、低壓重啟功能、I2C、8通道的12位ADC、10位的R2R DAC、溫度傳感器等。MCU結構原理如圖4所示。

圖4 MCU結構原理圖

光模塊系統重啟后，MCU開始執行Boot ROM中的程序。MCU中的SRAM實際上是一個兩端口結構，CPU可以通過特殊功能寄存器和數據端口對其進行寫操作和配置。通過這些特性Boot ROM可以從外部E2PROM將程序加載到SRAM中，并由CPU完成應用程序的執行。同時，在重啟和程序加載的過程，程序計數器全部清零。在進行模塊的調試時，要先通過對芯片引腳上的CFIL和PREF對芯片進行校準。

3 模塊的測試

本方案對所設計的光模塊進行了較為全面的測試，在這里，將選取以下幾個測試指標進行介紹，即突發模式光開關時間，接收靈敏度，發射眼圖。

根據IEEE Std 802.3相關標準的要求，突發模式下光模塊的LD的光開關時間應小于512 ns，本方案做了一系列測試，得到的突發開啟時間為30.4 ns，關斷時間為10.7 ns，結果符合國際要求。

對接收的靈敏度進行測試得到其接收靈敏度范圍為(-27.7±1)dBm。符合小于-24 dBm的國際標準。

對眼圖的測試在這里只列出-40℃，25℃，85℃的眼圖，測試結果如圖5所示。

由圖可知發射眼圖的質量滿足IEEE Std 802.3av［4］標準中模板的要求。其中發送光功率和消光比的測試結果如表1所示。

EPON系統中1.25G光模塊發射光功率應該為-1～+4 dBm，消光比應該大于10 dB。由圖可知均滿足標準規定的值，且在全溫度范圍內指標變化較小。

4 結語

圖5 測試眼圖

表1 測試結果

本文提出了一種基于CS6716光模塊主芯片的1.25G EPON光模塊的設計方案，CS6716芯片集PA、LD驅動、MCU于一體。所以本方案相對于其他方案體積更小，器件更少，成本更低，可靠性更好。對設計模塊進行相關測試，結果表明其性能較好，因此對實際生產有一定的指導意義。

［1］程漢嬰.EPON技術在有線電視網絡中的應用［J］.電視技術，2011，35(6):57-58.

［2］王余浩.基于10 G EPON的IPTV可控組播的實現方式研究［J］.電視技術，2011，35(3):85-88.

［3］JOHNSON H，GRAHAM M.High-speed signal propagation:advanced black magic［M］.［S.l.］:Prentice Hall PTR，2003.

［4］IEEE Std.802.3av-2009，IEEE standard for information technology telecommunications and information exchange between systems local and metropolitan area network specific requirements［S］.2009.