基于CS6716的1.25 Gbit/s EPON光模块的设计

张 特，张劲松，彭 丹，黄继文

(1.光纤通信技术与网络国家重点实验室武汉邮电科学研究院，湖北 武汉 430074;2.武汉群茂科技有限公司，湖北 武汉 430074)

责任编辑:许 盈

当今时代，光纤通信技术的发展日新月异。作为光纤通信系统光电转换的核心模块，光模块有着举足轻重的作用。随着光纤到户的日益普及，运营商开始越来越重视能与以太网较好兼容的EPON系统。因此，基于EPON技术的光模块有广阔的应用前景和发展空间［1］。各大光器件公司也瞄准这一趋势，纷纷推出自己的光模块，但在众多EPON光模块的设计案例中，很多光模块厂商采用了限幅度放大芯片、激光器驱动芯片和MCU模式，较多的芯片往往会带来较复杂的电路设计以及成本的增加。本文提出了一种基于世纪民生CS6716主芯片的1.25 Gbit/s EPON光模块设计方案。该方案仅采用CS6716和AT24C64(E2PROM)两个芯片，因而方案能有效简化模块设计电路，降低模块生产成本，对实际生产具有一定的指导意义。

1 EPON技术简介

EPON无源光以太网，就是将信息封装成以太网帧进行传输的PON。其结构主要包括局端的光线路终端(OLT)、终端光网络单元(ONU)以及光配线网(ODN)。其标准为IEEE Std 802.3ah-2004，传输码型是8B/10B码;上行光波长是1310 nm;下行光波长是1490 nm;1550 nm波长作为传输视频信号用。由于其将以太网技术与PON技术完美结合，因此非常适合IP业务的宽带接入。

通信过程中，EPON下行采用广播技术，上行采用时分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)技术［2］，原理如下:EPON下行传输过程如图1a所示，OLT将数据以广播方式通过分光器发送至每个ONU，每个OUN只选择属于自己的数据，OLT的发送模块和ONU的接收模块都是连续工作方式。

EPON上行传输过程如图1b所示，上行信号的传输采用TDMA技术把光纤的占用按一定时间长度分成时段，在每一个时段，只有一台ONU能够占用光纤向OLT发送数据，其余ONU则关闭激光器。OLT的接收模块和ONU的发送模块都是突发模式工作。

图1 EPON系统结构图

2 EPON光模块设计

本方案是围绕世纪民生的CS6716主芯片展开的。与众多光模块采用独立的限放、驱动、控制芯片不同，世纪民生的CS6716光模块芯片是一个集1.25G后级限幅的放大器(PA)，1.25G连续/突发模式激光器驱动(LD)和8位监控单元(MCU)于一体的智能芯片，该芯片可用于SONET/SDH，FTTH，BPON，EPON(GEPON)等网络中。方案采用SFP封装标准。其结构主要由光信号接收、发送、控制3个部分组成。其中，信号接收部分由光电探测器、前置放大器和限幅度放大器组成;发射部分由基于VCSEL工艺的激光器、背光电流二极管PD和激光器驱动LD组成;控制部分由MCU来实现其对模块的监控功能。在模块接收与发送前端，现有的封装技术已将探测器和前置放大器、背光二极管和激光器进行TO-CAN封装成ROSA与TOSA。

2.1 信号接收部分

信号接收部分的工作原理是将经过光纤传输后衰减变形的微弱光信号通过ROSA的光电转换和前放，放大成光模块主芯片可以探测到的电平(约几毫伏到几十毫伏)，然后PA将该信号放大成合适的电平输出。信号接收结构原理如图2a所示。

图2 信号接收结构图

光电探测器本质是一个光电二极管，本方案选用的是PIN光电二极管。信号经过光电转换后，在前置放大器中初步放大并送入芯片进行后级放大，由于CS6716的后级限幅放大器增益较高(可达50 dB)，芯片集成了偏移消除回路以防止可导致增益饱和的偏移出现。此外，该偏移消除回路还通过片内10 kΩ电阻为输入RXIP和RXIN差分信号提供DC偏置。由于这一偏置的原因，在模块设计的过程中，ROSA输出的差分信号应加上AC耦合电容，以过滤掉信号中的低频信号。其硬件电路设计如图2b所示，C3，C7为相应滤波电容，本设计中，接收光功率也由ADCIN2参考确定，该路的C8和L3起滤波的作用。在信号的输出端，MCU对比设定与实际输入光功率来判决信号是否丢失，最终，经过放大后的信号以CML或PECL(可通过MCU相应寄存器配置)电平输出。

2.2 信号发送部分

光信号发送过程主要是将输入的电信号调制成适合光纤通信系统传输的激光器驱动信号(由偏置电流Ibias和调制电流Imod组成)，驱动激光器产生相应的光信号［3］。CS6716的LD驱动主要包括差分信号调制输出和DC偏置控制输出两个过程。信号发送部分具体实现原理如图3所示。

图3 信号发送结构图

信号调制的过程中，LD接收发送给芯片TXIP和TXIN管脚上的PECL差分电平信号，并送入PECL缓存器中，缓存器再将信号送入发送驱动中并进行电流转换后由LASERP和LASERN输出，最后通过AC或DC耦合的方式驱动激光器。本方案选用的是AC耦合的方式。鉴于EPON技术的特点，光信号发送也受突发使能端控制，监控网络可以通过芯片上的BEN和BEP两个引脚控制光信号的发送。缓冲器前端PECL偏置回路的作用是使开关切换能够较快地实现，当突发模式被激活时，LASERP和LASERN完全由TXINP和TXINN信号驱动，当突发模式关闭时，此时LASERP被拉低，LASERN被空置。LD的输出光功率的控制由芯片内自动功率控制(APC)回路控制，LD激光器通过PD将转化后的电流送给芯片的MPD引脚，通过比较输入的电流值和有MPDDAC的设定值，APC进行相应的逻辑判断，并通过激光器DC偏置电流对激光器的输出光功率进行控制。

2.3 MCU控制部分

控制部分主要作用是通过模块中小封装的MCU芯片实时监测与管理光模块的发射和接收光功率、模块的温度、偏置电流、电压等参数。其工作原理为相应的采集电路对各参数进行采集和转换，将转换的数据信号存储在相应的寄存器中。并通过串行接口与主控单元通信。

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、看门狗电路、低压重启功能、I2C、8通道的12位ADC、10位的R2R DAC、温度传感器等。MCU结构原理如图4所示。

图4 MCU结构原理图

光模块系统重启后，MCU开始执行Boot ROM中的程序。MCU中的SRAM实际上是一个两端口结构，CPU可以通过特殊功能寄存器和数据端口对其进行写操作和配置。通过这些特性Boot ROM可以从外部E2PROM将程序加载到SRAM中，并由CPU完成应用程序的执行。同时，在重启和程序加载的过程，程序计数器全部清零。在进行模块的调试时，要先通过对芯片引脚上的CFIL和PREF对芯片进行校准。

3 模块的测试

本方案对所设计的光模块进行了较为全面的测试，在这里，将选取以下几个测试指标进行介绍，即突发模式光开关时间，接收灵敏度，发射眼图。

根据IEEE Std 802.3相关标准的要求，突发模式下光模块的LD的光开关时间应小于512 ns，本方案做了一系列测试，得到的突发开启时间为30.4 ns，关断时间为10.7 ns，结果符合国际要求。

对接收的灵敏度进行测试得到其接收灵敏度范围为(-27.7±1)dBm。符合小于-24 dBm的国际标准。

对眼图的测试在这里只列出-40℃，25℃，85℃的眼图，测试结果如图5所示。

由图可知发射眼图的质量满足IEEE Std 802.3av［4］标准中模板的要求。其中发送光功率和消光比的测试结果如表1所示。

EPON系统中1.25G光模块发射光功率应该为-1～+4 dBm，消光比应该大于10 dB。由图可知均满足标准规定的值，且在全温度范围内指标变化较小。

4 结语

图5 测试眼图

表1 测试结果

本文提出了一种基于CS6716光模块主芯片的1.25G EPON光模块的设计方案，CS6716芯片集PA、LD驱动、MCU于一体。所以本方案相对于其他方案体积更小，器件更少，成本更低，可靠性更好。对设计模块进行相关测试，结果表明其性能较好，因此对实际生产有一定的指导意义。

［1］程汉婴.EPON技术在有线电视网络中的应用［J］.电视技术，2011，35(6):57-58.

［2］王余浩.基于10 G EPON的IPTV可控组播的实现方式研究［J］.电视技术，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.