＿鍪童叠望 一～．．．．…一～一 数据通信２０１０．１ 突发模式光接收技术及其进展 一…～～一一原荣（中国电子科技集团公司第３锄究所桂林５４１００４） 摘要：首先介绍了用于ＩＥＥＥ ８０２．３ａｖ ＥＰＯＮ ｌＯＧｂｉｔ／ｓ具有复位功能的直流耦合突发模式光接收机的构成、 原理和性能。接着阐述了交流耦合突发模式光接收机的机理，介绍了用于ＩＥＥＥ ８０２．３ａｈ ＥＰＯＮ的１．２５Ｇｂｉｔ／ｓ交流 耦合突发模式ＡＰＤ光接收机的结构和性能。随后简述了２．５Ｇｂｉｔ／ｓ边检测突发模式ＧＰＯＮ光接收机的原理和性 能。最后给出近年来在文献上报道的一些１０Ｇｂｉｔ／ｓ ＰＯＮ ＯＬＴ光突发模式接收机的技术指标和采用的技术。 关键词：ＰＯＮ；ＴＤＭＡ；直流耦合突发模式光接收机；交流耦合突发模式光接收机；边检测突发模式 光接收机 在上行接人使用ＴＤＭＡ的无源光网络（ＰＯＮ）中， 突发模式接收机接收从不同距离的ＯＮＵ随机发送来 的数据包，并恢复它们的幅度。由于它｛Ｉ＇］￣ＩＪＯＬＴ的距 突发模式转移阻抗放大器（ＢＭ－ＴＩＡ） 差分 放大 Ａ ａ ｂ 离互不相同，所以其数据包到达ＯＬＴ时的功率变化很 大。ＯＬＴ突发模式接收机必须能够应付这些功率的变 化，正确接收数据包，恢复其幅度和相位。对突发模 式接收机的要求是：快速响应的峰值检测，１２Ｓ级的阈 值切换，在两个连续数据块问设置最少的保护时间 增益切换 并锁定 以及时钟实时对准每个数据块前面的前导码等。 １ １ ０Ｇｂｉｌｇｓ直流耦合突发模式光接收机 图ｌ为突发模式接收机的方框图Ⅲ。ＰＩＮ光电二极 管把接收到的突发数据块光信号转变成光电流，送 ＝＝一 人突发模式转移阻抗放大器（ＢＭ—ＴＩＡ）。它的输出送 人突发模式限幅放大器（ＢＭ—ＬＡ）的输入端。在 图１ １０Ｇｂｉｔ／ｓ直流耦合突发模式光接收机方框图 ＢＭ—ＬＡ中，要完成自动复位信号的产生、突发信号的 益），增益锁定和粗阈值提取要求在６ｎｓ内完成。 ＢＭ—ＬＡ由４级组成，每一级包含＿个限幅放大器 一已利用０．２５ ＩＴＩ ＳｉＧｅ ＢｉＣＭＯＳ技术制造出了 １．８ｒａｍ２和２．３×２．５ｒａｍ 。ＢＭ—ＴＩＡ ＩＣ芯片和ＰＩＮ探测器 起安装在蝶形组件上，ＰＩＮ探测器的灵敏度为 检测和恢复。ＢＭ—ＴＩＡ具有两种不同的放大倍数（增 ＢＭ—ＴＩＡ和ＢＭ—ＩＡ Ｉｃ芯片，芯片尺寸分别为１．２× 和一个精阈值提取电路ＴＨ（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ），ＴＨ由峰值检 ０．７Ａ／Ｗ，结电容为２５０ｆＦ。ＢＭ—ＬＡ ＩＣ芯片安装在具有 测器ＰＫＤ（Ｐｅａｋ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）构成。每个数据块的末尾，所 ３２个插针的ＱＦＮ组件上。 有４个ＰＫＤ均被复位逻辑电路产生的复位信号复位。 经测试表明，该突发模式接收机可接收数据块 这些ＰＫＤ一直保持在复位状态，直到突发检测器给 的最强功率为一１．０９ｄＢｍ，最弱功率（接收机灵敏度） 出新的数据块开始的信号为止（由检测到的突发信 为一１２．５４ｄＢｍ，其强／弱功率之比（１ｏｕｄ／ｓｏｆｔ ｒａｔｉｏ）为 号指出），此后每个ＰＫＤ产生与前导码同步的复位信 １１．５ｄＢ，保护时问最短为２５．６ｎｓ，前导码仅长２３．８ｎｓ， 号。即使在ＢＭ—ＬＡ输出出现８０多个连续“０”信号的情 可以抵御７２个长连“１”或长连“０”（ＣＩＤ）。可应用于使 况下，复位逻辑电路也能产生一个１０ｎｓ宽的复位脉冲。 用ＥＤＦＡ的ＤＷＤＭ／ＴＤＭＡ超长距离ＰＯＮ中。该突发模 ２８ Ｉ－０１－０６ 技术交流 ２０１０．１数据通信 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ 式接收机所用的器件单片集成，已成功地进行了模 ＯＬＴ使用直流耦合突发模式接收机接收自ＯＬＴ距离 拟试验。 各不相同的ＯＮＵ发送来的光突发数据块。这种接收 文献『２１报道，日本ＮＴＴ也设计和开发出用于１０Ｇ 机要求具有对输入信号幅度快速响应的阈值控制器 ｂｉ／ｔｓ ＰＯＮ系统的直流耦合突发模式３Ｒ接收机，如图２ 件，而阈值控制中的不适当的ＤＣ偏置使脉冲畸变，同 所示。该接收机使用的转移阻抗放大器（ｒｒＩＡ）、补偿限 时Ｄｃ偏置随温度和老化也在不断变化，并且这种器 幅放大器ｆＬＡ）和时钟和数据恢复电路（ＣＤＲ）ＩＣ芯片 件昂贵，所以韩国Ｓｕｂ Ｈａｎ等人用交流耦合方式实现 ＥＥＥ ８０２．３ａｈ 是使用０．２５￣ｍＳｉＧｅ ＢｉＣＭＯＳ技术和ＰＩＮ光电探测器单 了千兆比特以太网突发模式接收，使用Ｉ片集成。主要技术指标为接收机灵敏度一１８ｄＢｍ，动 规范的８Ｂ／１０Ｂ编码实现了快速响应，减少了ＡＣ耦合 态范围１６．５ｄＢ，响应时间７５ｎｓ。增益切换有两种模式： 带来的信号畸变 。韩国三星公司Ｊ．Ｍ．Ｂａｅｋ等人已设 用于小信号电平的高增益和用于大信号电平的低增 计和研制出用于ＥＰＯＮ的１．２５Ｇｂｉｔ／ｓ突发模式光接收 益，根据输入信号功率的强弱快速进行切换。使用一 机。该接收机使用普通平面雪崩光电二极管（ＡＰＤ）个外部复位信号初始化ＴＩＡ的增益切换模式和电平 和低成本连续模式转移阻抗放大器（ＴＩＡ），在数据块 检测电路。 转移阻抗放大器 （ＢＭ—ＴＩＡ） 限幅放大器 （ＢＭ。ＬＡ）时钟数据恢复 （ＣＤＲ） 问的保护带宽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（１ｏｕｄ／ｓｏｆｔ ｒａｔｉｏ）为 ２７．３ｄＢ，接收机灵敏度为一３３．３ｄＢｍ。这种接收机可应 用于１：３２分光比和２０ｋｍ传输距离的ＥＰＯＮ系统＿５ｌ。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 ～ｎ茹］ 卤 图２ ＮＴＴ用于１０Ｇｂｉｔ／ｓ ＰＯＮ系统的直流耦合突发模 式３Ｒ接收机 减小ＲＣ充放电时间，在这里使用一个小的电容 （１００ｐＦ）￣ＴＩＡ和限幅放大器（ＬＡ）连接起来，以便在 Ａ的输出阻抗和 ＬＡ精确地提取参考电平是非常重要的，因为它 ＥＰＯＮ中使用８Ｂ／１０Ｂ编码。大部分ＴＩ可以抑制脉冲占空比的变化，有利于ＣＤＲ的工作。在 ＬＡ的输入阻抗是５０Ｑ，对于ｌＯＯｐＦ耦合电容，低频截 ９ＭＨｚ，ＲＣ时间常数是ｌＯｎｓ。通常，连续模 这里使用一个自动偏移补偿（ＡＯＣ）电路，以便快速 至频率是１５．Ａ具有自动增益控制（ＡＧＣ）功能，而正是这种 和精确的提取补偿量。ＬＡ输出幅度恒定的脉冲信号 式ＴＩ 送到ＣＤＲ电路，时钟恢复电路（ＣＲＣ）必须及时完成 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， 与输入信号的相位同步。使用选通压控振荡器 ∞＝尺 Ｃｉ。大部分商用连续模 （Ｇ—ＶＣＯ）及时提取输入突发脉冲的相位。在突发模 ＡＧＣ工作的时间常数是ｔ式接收机中，偏移补偿的过程可能使输入信号的占 式ＴＩＡ具有一个固定的长约几毫秒的时间常数，因此 空比发生变化。使用与非门（ＮＡＮＤ）构成ＣＲＣ电路检 不能应用到突发模式工作。通过调查发现，也有少数 Ａ具有小的ｔ 。 测输入脉冲信号的上升沿，可使ＣＲＣ与占空比的变 几种ＴＩ化无关。 文献［３］ｔＥ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Ｎｓｏ．４ｄＢ。实 验中使用的光放大器是０．９８Ｂｍ泵浦的增益箝位掺镨 光纤放大器（ＧＣ—ＰＤＦＡ），该放大器提供１７ｄＢ￣益。 ２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 ｝２９ 一篷 ＬＤ的电流。 一 数据通信２０１０．１ 幅放大器（ＬＡ）的输入，ＯＮＵ发射机的波长是１ 系统实验验证边检测突发模式接收原理的方框图。 ５Ｇｂｉｔ／ｓ商用光电接收机、微分器和 ３１０ｎｍ，消光比是１２ｄＢ，线路速率为１．２５Ｇｂｉｔ／ｓ，使用 ＢＭ—Ｒｘ依次由２．伪随机码发生器产生２乙１位的码流调制ＯＮＵ发射机 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。 上升沿检测ＢＭ—Ｒｘ与采用直流耦合ＢＭ—Ｒｘ相 收机灵敏度为一３４．８３ｄＢｍ，与使用ＰＩＮ ＰＤ的接收机比 比，假如上升沿丢失或检测错误，将可能引入比特突 较，在使用同一个ＴＩＡ的情况下，灵敏度提高了 发误码，这是它的缺点。 ６．６２ｄＢ。在０～７０ ｏＣ温度范围内测量到的灵敏度变化 表１给出其他ｌＯＧｂｉｔ／ｓ ＰＯＮ ＯＬＴ光突发模式接收 当ＡＰＤ偏置电压为６２．５Ｖ和误码率为１０ 时，接 是０．４ｄＢ。 机技术指标和采用的技术１７］。 ３ ２．５Ｇｂｉｔ／ｓ边检测突发模式ＧＰＯＮ光接收机 ４结束语 边检测突发模式接收机也是一种交流耦合突发 交流耦合突发模式接收机采用市场上已成熟的 模式接收机。英国Ｅｓｓｅｘ大学的Ｅ．Ｈｕｇｕｅｓ—Ｓａｌａｓ等人使 商用器件，实现了突发模式接收，为ＥＰＯＮ和ＧＰＯＮ系 用高性能ＳｉＧｅＩ：Ｌ较器的边检测数据恢复技术实现了 统大规模的商用奠定了基础。 ＰＯＮ系统的２．５Ｇｂｉｔ／ｓ突发模式接收同。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 参考文献 和脉冲高度变化的敏感性。使用这种技术不要求保 １】Ｐｅｔｅｒ Ｏｓｓｉｅｎｒ，Ｔｉｎｅ Ｄｅ Ｒｉｄｄｅｒ，Ｊｏｈａｎ Ｂａｕｗｅｌｉｎｃｋ，ｅｔ ａ１．Ａ １０ 护带宽或恢复时间，不连“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 Ｇｂｉｔ／ｓ Ｂｕｒｓｔ—Ｍｏｄｅ Ｒｅｅｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｒｅｓｅｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｓｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒｅａｃｈ ＰＯＮｓ．ＯＦＣ ２０ｏ９． ＯＷＨ３ 测试平台上进行了无误码的传输。图４表示用ＧＰＯＮ ［２】Ｓ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ，Ｓ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｔ．Ｙｏｓｈｉｄａ，ｅｔ ｏ１．Ａ Ｂｕｒｓｔ－Ｍｏｄｅ ３Ｒ Ｒｅ－ ｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ １ ０ Ｇｂｉｔ／ｓ ＰＯＮ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｊｔ｝ｌ Ｈｉｇｈ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｗ ｄｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ，ａｎｄ Ｆａｓｔ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ－ ｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，（２６）１：９９－１０７ 【３］Ｓ．Ｙｏｓｈｕｍａ，Ｍ．Ｎｏｇａｍｉ，Ｓ．Ｓｈｉｒａｉ，ｅｔ ．Ａ １０．３Ｇｂｉｔ／ｓ 图４边检测突发模式接收２．５Ｇｂｉｔ／ｓ ＧＰＯＮ系统实验验证方框图 表１ １０Ｇｂｉｆｓ Ｐ０Ｎ ０ＬＴ光突发模式接收机技术指标 主要指标 来源 １６０ｂｉｔ ＣＩＤ也可实现ＣＤＲ ＥＣＯＣ’０７ 公司 Ｎ１Ｔｒ 采用的技术 单个ＶＣＯ结构 ＬＡＮ—．ＰＨＹ ｂａｓｅｄ Ｂｕｒｓｔ—．ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｆａｓｔ ６ ｎｓ ｔｕｒｎ—ｏｎ／ｏｆｆ ｔｉｍｅ ｆｏｒ １ ０ Ｇｂｐｓ—ｂａｓｅｄ ＰＯＮ Ｓｙｓｔｅｍｓ．ＯＦＣ ２００８， Ｏ・Ｗｉｇ 一ｌＯｎｓ￣［Ｏ时响应； １９．５ｄＢｍ灵敏度； ＥＣＯＣ’Ｏ７ Ｎｆｒｒ 突发模式ＰＩＮＴＩＡ ２级自动补偿 】Ｓ．Ｈａｎ，Ｍ．Ｓ．Ｌｅｅ．ＡＣ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｂｕｒｓｔ－ｍｏｄｅ ｏｐｆｉｃＭ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｅｍ— ｐｌｏｙｉｎｇ ８Ｂ／ｌＯＢ ｃｏｄｉｎｇ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００３，０９）２１： １ ５２７－１５２８ ２０．５ｄＢ动态范围 ５０ｐｓ同步时间 ＥＣ０Ｃ’Ｏ８ Ｙｏｋｏｇａｗａ 级联突发ＣＲ电路 ５．３Ｇｂｉｔ／ｓ四速率取样 四速率取样ＩＣＢＭ—【５］Ｊ．Ｍ．Ｂａｎｋ，Ｊ．Ｗ．Ｋｗｏｎ，Ｊ．Ｗ．Ｐａｒｋ，ｅｔ ．１ｏｗ－Ｃｏｓｔ ａｎｄ Ｈｉ ｓｈ—Ｐｅｒ－ ｆｏｒｍａｎｃｅ ＡＰＤ Ｂｕｒｓｔ—Ｍｏｄｅ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＴＩＡ ｆｂｒ １．２５ ＧｂｉＶｓ ＥＰＯＮ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ． ７２ｂｉｔ ＣＩＤ也可实现ＣＤＲ； ６．６×６．３ｍｍ尺寸； １．ＣＤＲ： ； ＯＦＣ’０９ Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＱＩ ３ ｕ ｍＳｉＧ 嗽ｃＭＯＳ：； 第１个ｂｉｔ突发模式恢复； ５ ３Ｇｂｉｔ／ｓ四相位锁相环 ９Ｗ功率消耗 Ｎ１Ｔｒ ２００５，（１７）１０：２１７０—２１７２ 双门电路；ＡＣ耦合接 Ｕ： １．２５／１０．３ Ｇｂｉｆｓ双速率突 ＥＣ０Ｃ’０８ ［６】Ｅ．Ｈ．Ｓａｌａｓ，Ｒ．Ｒａｚａｖｉ，Ｔ．Ｊ．Ｑｕｉｎｌａｎ，ｅｔ ｎｆ．Ａ ２．５ Ｇｂｉｔ／ｓ ｅｄｇｅ－ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｂｕｒｓｔ－ｍｏｄｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ ＧＰＯＮ ａｃｃｅｓｓ ｎｅ卜 ｗｏｒｋｓ．ＯＦＣ ２００７．ＯＴｈＫ６ 发模式接收 １２．５ｄＢｍ灵敏度； ２５．６ｎｓ保护时间； 一无复位信号 ０ＦＣ’０９ 比利时Ｇｈｅｎｔ 转移阻抗ＤＣ耦合突发 （ＯＷＨ３） Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 模式 【７】Ｋｅｉｊｉ Ｔａｎａｋａ．ＯＦＣ ２００９，ＮＴｈＣ４ ２３．８ｎｓ前导码； ７２ｂｉｔ ＣＩＤ也可实现ＣＤＲ 作者简介：原荣，研究员，中国通信学会会士，研究方向为光纤 注解：ＣＩＤ（ＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＩｄｅｎｔｉｃａｌＤｉｇｉｔｓ）：连续相同的…１’或…０’；ＢＭ（Ｂｕｒｓｔ—ｍｏｄｅ）： 突发模式；ＣＤＲ（Ｃｌｏｃｋ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）：时钟和数据恢复；ＴＩＡ （Ｔｒｎｓｉａｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｅｒ）：转移阻抗放大器。 通信和光接入网。著有《光纤通信网络》、《宽带光接入网》和 《光纤通信》（第３版）。■
