杨毅
大唐电信科技股份有限公司光通信分公司
【摘要】10 Gbit／s DWDM光收发模块决定着DWDM设备的关键技术指标，因此本文深入讨论了光收发模块的关键技术，包括光接收技术、光发射技术和电复用＼解复用技术，从系统的角度提出了10 Gbit／s DW DMTransponder的设计思路，并且得到了实现。
关键词：光收发模块 DWDM Transponder
1 引言
在一个基本的DWDM传输设备中，光收、光发和光放大技术是最为关键的三大技术，系统的指标也主要由上述三者确定；目前，10 Gbit／s DWDM设备不仅已经占据了长途传输的主要市场，而且已经进入了城域网和数据通信市场。因此，10 Gbit／sDWDM光收发技术的研究对提高系统的性能和成本具有极其重要的作用。
在10 Gbit／s DWDM设备中，最为常用的光收发模块是Transponder，其集成了光收、光发和电复用／解复用三大部分，并且还带有功能众多的告警／控制信号。因此具有很高的集成度，其特点是体积小、成本低、具有统一的接口标准；但随之而来的是开发技术难度大。目前10 Gbit／s DWDMTransponder技术的研究是国内外光器件厂商研究的热点，本文将深入讨论Transponder的关键技术。
2 Transponder模块构成
整个Transponder模块由光收、光发和电复用／解复用三大部分，并且还带有功能众多的告警／控制信号，其结构框图由图1所示。在接收端，10Gbit／sNRZ码光信号通过PIN／APD进行光电变换成为电流信号，然后通过跨阻放大器变换成电压信号，由于输入光信号的强度跟系统应用相关，其变化最大可达20 dB左右，故必须在跨阻放大器后加上一级限幅放大器，以保证后级输入单元的电平接口要求，最后信号通过时钟数据单元和DMUX实现信号的CDR功能和解复用功能，通过解复用的信号变换成16×622 Mbit／s，通过SPI－4实现与下级的FRAMER无缝联接。
在发射端，来自FRAMER的16×622 Mbit／s的并行信号通过MUX和CUM单元，复用为10Gbit／s的串行信号，然后通过调制将电信号调制为特定波长的光信号。
3 关键技术
3．1 光接收技术
对于10 Gbit／s DWDM系统，其最小接收功率可以达到－20 dBm左右，因此光接收部分小信号的放大问题将是接收部分的核心问题。一般要求选用接收灵敏度高PIN或者APD光电管，并且要求跨阻放大器的跨阻值最好在1000欧姆左右最好，这样既可以保证高的放大倍数，又可以使接收光功率与误码率关系曲线的斜率不至于过大。目前，主要光器件商已经将APD／PIN管和跨阻放大器集成在一起，以期获得更好的噪声性能。对于APD＋跨阻放大器，其接收灵敏度一般不小于－27dBm，对于PIN+跨阻放大器，其接收灵敏度一般不小于-19dBm。
APD光检测器工作在较高的偏置电压下（一般高于25V），温度对其增益影响较大，在同样的偏置电压下，随温度的增加APD增益将减小。因此，在使用APD光检测器时要对其进行温度补偿。但是供电电压一般为5V（或者3．3V），因此需要一个DC／DC电源将5V（或者3．3V）变换为大于25V电压。其原理图如图2所示。
其中Rt是用来进行偏置电压的补偿，可以通过一个热敏电阻和一个普通薄膜电阻并联实现，热敏电阻用来真实反映APD的管芯温度，一般都是集成在APD管内。并联一个薄膜电阻是为了在工作温度范围内实现APD偏置电压随温度升高而增加的线性变化（如要求温度升高1℃，偏置电压增加0．1V）。
3．2 光发射技术
DWDM系统要求具有极高的波长精度和稳定度，对色散等性能要求极高。因此DWDM系统光发射部分都采用外调制的方法。
目前，外调制一般采用以下两种技术：一种为DFB激光器＋EA调制器（简称EML），其特点为集成度高，结构简单，成本低，功耗小。另外一种为LiNbO3调制器，其特点为：啁啾可调，温度敏感，偏振敏感，成本高，外围电路复杂，插入损耗大。考虑到上述两种调制技术的特点，目前国内一般采用EML的方式。
在EML中，有许多因素影响激光器波长，其中最为主要的是以下六种因素（假设EML出厂时已经做过老化实验）：
·EML的管壳温度变化
·EML中管芯短期温度变化
·EML中激光器偏置电流的变化
·EML中热敏电阻的老化
·EML受环境应力变化影响
·EML的老化
上述六种因素的影响如表1。
在实际10Gbit/s Transponder开发过程中，一般只能采取以下几种方法控制波长：其一是管芯温度控制，通常采用TEC方法，即在EML模块中集成一个热敏电阻和一对TEC控制器，通过热敏电阻的温度反馈控制TEC的工作状态——加热或者制冷，从而保持DFB管芯温度。其二是通过控制激光器的偏置电流，通常在EML中集成有一个PIN光电管，用以监测光功率，通过光功率的变化从而控制偏置电流的大小。上述的两种方案都是通过负反馈进行控制的。其三是系统设计是需要考虑的问题，即充分考虑机盘和机架的散热问题。DWDM用10Gbit／s Transponder功耗均较大，一般都在8W左右，因此考虑其散热具有很重要的作用，既可以稳定波长，还可以提高系统的寿命和稳定性。
对于波长间隔为100GHz的DWDM设备，其要求发射机的中心波长偏移应该小于±100pm。采用上述三种方法的EML发射机，我们对波长做如下预算：15pm＋7×2pm＋106×0．1pm＝39．6pm，即EML管壳温度变化引起波长变化为15pm，偏置电流变化引起波长变化7×2pm，管芯温度引起波
长变化为106×0．1pm，因此波长向长波长变化最多为39．6pm，满足系统规定小于100pm。而对于波长间隔为50GHz的DWDM设备，其要求发射机的中心波长偏移应该小于±5GHz，故采用上述方案进行波长控制的EML激光器是不能满足需要的，需要更精确的波长控制技术。
3．3 复用、解复用技术
在低速的光模块中，一般都不集成电复用／解复用单元，但是在10Gbit／s Transponder中却集成了电复用／解复用单元，其主要目的是为了更好的电气性能和为系统开发商降低开发难度。早期的电复用／解复用单元芯片都是采用Silicon GermaniumBiCMOS工艺，随着技术的进步，目前都基本上采用了CMOS工艺，因此成本低。但是相对而言，其抖动性能会比较差。
在MSA300PIN协议中，定义了将10Gbit／s的电信号（串行信号）解复用成为16路并行的电信号，同时输出并行时钟，在大多数解复用芯片中，都需要一个参考时钟，其目的是为了让解复用芯片的VCXO工作在串行信号的信号频率上，故接收端的参考时钟不会影响Transponder的性能。此外，协议也同时定义了将16路并行的电信号复用为10Gbit／s串行信号，同时还需要提供并行信号的定时时钟和发端参考时钟，其中发端参考时钟是影响Transponder抖动性能关键，在SDH设备中，参考时钟由时钟盘提供，在DWDM设备中由线路时钟提供。在实际应用中，复用芯片提供的多组时钟和需要的参考时钟可以形成多种定时方式，如前向定时、后向定时和直通定时等。图3所示的应用方案就是后向定时方式。
Transponder的抖动性能由三项指标来衡量：输入抖动容限、抖动传递函数和输出抖动，它们之间是相互关联的，抖动传递函数却只有在再生器中有定义［1，2］。因此如何确定Transponder的抖动性能值得深入研究。在许多器件厂商提供的测试方案中，一般都是将电口的并行输出和电口的并行输入互联，从而在光口上测试抖动指标。由于需要满足G．783提出的抖动指标，其模块内部都需要专门的时钟处理芯片，从而加大了模块的复杂度和成本，也给系统设计增加了复杂度。究其原因是测试方案不符合系统的实际构成，实际上Transponder与系统的接口 —51—图3所示（图中，OC192SERDES为Transponder的电复用／解复用单元）。因此系统设计者在Transponder外部采取时钟处理方式（如后向定时等），从而使得系统满足标准需求，而且这种方式还给与系统设计者更多的设计方案和灵活性。
4 Transponder研制、测试结果
根据上面论述的技术，我们开发出了满足MSA300PIN协议的10Gbit／s DWDM用Transponder模块［3］。其主要的性能指标如表2。
由表2可知，该产品全部优于相关标准的要求，并且通过了严格的可靠性和稳定性测试，完全可以实用化。
5 总结
本文深入讨论了10 Gbit／s DWDMTransponder的关键技术，并在此基础上完成了Transponder模块的开发，所开发的模块性能优异。希望能给系统开发者和模块开发者一些帮助。
参考文献
1 ITU－T：G．825，The controlofjitterand wanderwithin digitalnetworks which are based on the synchronous digitalhierarchy（SDH）．
2 ITU－T：G．783，Characteristicsofsynchronousdigitalhierarchy（SDH）equipmentfunctionalblocks．
3 Reference documentfor300 PIN10Gb transponder
摘自 北极星电技术网
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