PON ONU光纤通信基础知识

一、光学通信基础光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。

光传输原理：光在从一种介质到另外一种介质传播过程中，在两种介质表面会产生光的折射和反射；所以若需要光作为信息载体在理想无损耗的情况下传输信息，则纤芯的折射率要大于纤芯包层，入射光角度要大于临界角，光会在光纤中产生全反射（1），延光纤进行传输。

传输波长：不同波长的光在同一光纤中传输，其色散、散射、损耗都不同，为满足光纤传输过程中损耗最小，主要以850窗口、1310窗口（最适用单模光纤）、1550nm窗口（最适用多模光纤）波长作为常用通信波长。

光纤：光纤主要分为单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF），多模因传输模式复杂，光纤端面大，损耗大，只适用在短距离多种模式的场景；针对于PON传输业务，都基于单模光纤传输。

光学上把具有一定频率，一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式。

光纤连接头分以下几类，又以端面是否为平面或斜面分为PC和UPC。

PON传输领域主要以SC/PC光纤为主，特殊情况特殊处理。

WDM：波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；二、光模块相关指标：1. 眼图：光眼图是包含从“000”到“111”的所有光电平的状态组叠加成的图形；通常取眼图仪的1.25UI眼图显示来分析眼图指标。

2. 平均光功率（AOP）光逻辑电平1和逻辑电平0的功率平均值。

光功率单位常用毫瓦(mW)和分贝毫伏(dbm)表示，dbm=10*lg(mW)。

测试方法：使用手持光功率计，选择被测光波长，将光纤接入光功率计得出读数。

注光眼图仪中有平均光功率的测量项，但存在内部插损、未校准、分光插损、统计方式差异等会造成和手持光功率计读数有较大差异，不建议以眼图仪中测量值为准。

P avg=(P1+P0)/23. 消光比（ER）定义为眼图中逻辑电平1比逻辑电平0的值。

根据不同的速率、不同的传输距离、不同的激光器类型，消光比要求不一样。

一般的对于FP/DFB直调激光器要求消光比不小于8.2dB。

ITU-T中对于消光比没有规定一个最大值，但是这并不意味着消光比可以无限大，消光比太高了，将导致激光器的啁啾系数太大，导致通道代价超标，不利于长距离传输。

一般建议实际消光比与最低要求消光大0.5~1.5dB。

这不是一个绝对的数值，之所以给出这么一个数值是害怕消光比太高了，传输以后信号劣化太厉害，导致误码产生或通道代价超标。

4. 交叉点（Crossing）是指0→1,1→0电平上下沿交汇点，比例值反应了信号占空比，为保证传输链路灵敏度最佳，通常保持在50%左右。

5. 眼图模板裕量（Margin）是指眼图中容错范围内空腔占理想方波眼图中的百分比值。

容错范围可理解为可允许在一定采样率下眼图空腔中出现的散点数量比值小于某个值，通常都是按应用场景可接受的纠错能力来定值。

一般链路带宽能力增大，Margin值会有提升；6.光调制幅度（OMA），指的是光信号经过调制后高电平和低电平时光功率的差异，即：OMA=P1-P0ER和OMA都是代表发送高电平和低电平信号时光功率的差距，只不过ER表示的是相对差距，而OMA表示的则是绝对的差异。

这表现为当光信号经过衰减后，ER不变，但是OMA却按照信号衰减系数减小了，反之经过光放后，也类似。

OMA的公式也可以用以下表示：OMA=2*P avg*(ER−1)(ER+1)可以直观的看到OMA是平均光功率和ER的综合表现形式，在复杂光传输系统中是重要的标定参量。

7. 波长（λ），通常使用光谱仪进行测量，网关产品中上行常见波长1270nm窗口（10GPON）、1310nm窗口（GPON），下行常见波长1490nm窗口。

波长测量时需保证输入光为单一光源。

需要关注波长测试中边摸抑制比SMSR（主波峰离次波峰大小差值，单位db），-20db谱宽（主峰-20db点频带宽度）。

8. LOS撤销点、建立点，可以理解为某器件在检测到光低于某一设定值后触发上报或中断，通知上位机存在光信号丢失。

在Drv、CDR、TIA等器件中通常会带有LOS检测能力，TIA部分支持光LOS检测功能，实现快速LOS上报；CDR/Drv中以电LOS检测为主，以swing摆幅大小作为判决依据。

当光源从大光向小光变化，到达一定阈值，触发中断，我们称该阈值为LOS建立点；相反光源从小光向大光变化到达一定阈值，称该阈值为LOS撤销点，撤销中断。

为防止存在光抖动导致在光源临界LOS点状态来回跳变，我们需要增加一个回执，避免该情况，称之为LOS回滞区间，也即是LOS撤销点与建立点差值。

9. 接受灵敏度就是在接受光系统质量的参量（假设一个系统的在1e-5容错下的接受光功率为-9dbm，则称这个系统的灵敏度为-9dbm@1e-5）。

设定的一个误码率（BER）范围内，接收机能够正确地把有用信号拿出来的最小信号接收功率，是直接表征一个发送、10. 过载点：在设定的一个误码率（BER）范围内，接收机能够正确地把有用信号拿出来的最大信号接收功率。

光强过大会造成TIA饱和失真，造成信息丢失形成较大误码。

所以通常过载点附近的误码率增加速度相对于灵敏度点附近更快。

11. BER Floor：是通过手动调节光衰，测试不同输入光强下接受侧的误码率，可以看到模块可发送光强范围内误码分布情况。

12.响应度（R）：PD重要指标之一，衡量光强与光电流的关系；通常给以固定光强，由MCU上报RSSI计算出光电流来计算，单位为A/W。

三、光传输系统光传输系统主要可分为三部分发射器（包括光源、驱动器）、传输介质（包括光纤、连接器）、接收器（包括PD、TIA、驱动器）。

1. 光源FP（Fabry-perot）激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。

FP激光器主要用于低速率短距离传输，多用于EPON ONU应用中传输速率在1.25Gbps下的场景，波长信息如下：DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输出。

DFB( Distributed Feedback Laser)主要用于高速中长距离传输多用于PON应用中传输速率在10Gbps下的场景，传输距离一般在40公里以上。

VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光半导体，其激光垂直于顶面射出，FP/DFB均是由边缘射出激光。

VCSEL在生产制造过程中相对FP/DFB更可控，价格更低。

VCSEL在频段应用上多是850nm或1550nm窗口。

在成本压力上，FP的制造成本，技术成本相对于DFB激光器来说更低，但在使用上并不能完全混用在一起。

FP多纵模的特性使得它频宽很大，如在IEEE规划中EPON ONU上行1260~1360nm。

而DFB单纵模频宽很窄，在ITU-T规定中10GPON ONU上行是1260~1280nm，GPON ONU上行是1290~1330nm。

在GPON ONU中若采用FP激光器，过大的频宽及温度导致的波长偏移，可能会使全局网中GPON和10GPON ONU冲突，业务受影响，所以在GPON ONU产品中很少会使用到FP激光器。

2. 调制器调制：激光器在加以恒定电流的情况下，只会发出稳定的DC光，发射光无任何信号附加，为实现光信息的传递，将我们单板上的电信号通过某种手段转化成携带相同信息的光信号的过程，即为调制。

当前技术主流的调制方式为DML（Directly Modulated Laser直接调制器激光器）、EML（Electlro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器）、硅光调制等。

对DML/EML的理解，打一个直观的比喻；若将车灯（laser）打开比作光信号的1，车灯关闭比作0，则实现光电信息的传递就是根据电流的1,0信号不断将车灯打开关闭。

EML实现方式就是车灯（laser）一直处于长亮状态，但是存在一个挡板（EML调制器），在电信号为1时，挡板放下，光正常发射；在电信号为0时，挡板升起，遮盖光源；从而实现光信息的传递。

在PON产品上，多是用的DML调制方式，由Drv芯片直接驱动激光器的开关。

3. 驱动器DML驱动器分为两部分，IMOD电流驱动、Ibias电流驱动。

Imod驱动器主要是将AC交流电信号进行差分放大施加到laser 上，其Imod越大，电信号被放大倍数越大，表现在光眼图上就是0,1电平变大。

Ibias驱动器主要是给laser提供正向电压，使laser 工作再最佳工作点。

对Imod和Ibias运行机制可用下图表示：1）ibias需要工作在合适的区间以保证光眼图下降沿不失真2）Imod直接影响眼图ER大小，Imod→ER3）Ibias直接影响平均光功率大小，Ibias→AOP4）ER值为光眼图0,1电平的关系式，在ibias提升时光眼图的0,1电平也存在上升，会呈现在ibias增加时，ER变小情况。

5）因实际、测试信号0,1电平的平均数量不均、CTLE、预加重等，会造成imod增加的过程，平均光功率也会跟随变化，变化影响小。

硬件设计上，DML的imod直连laser的正负极，Ibias通过BIAS-T电路连接laser两端。

BIAS-T作用为给laser提供正向偏压，并起到高速链路和电源之间的滤波作用。

理论上由高频磁珠和低频电感串联完成。

4. PD/TIAPD光电二极管工作在反向区，硬件设计时需要对其进行电压反偏供电；响应度R（A/W）是光电二极管进行光电转化的效率表征，响应度越高，PD对光源越敏感；响应度大小由PD光敏面大小及自身材料、种类（APD/PIN）相关。

在高速应用场景下，也需要关注PD的带宽是否满足设计要求。

TIA，跨阻放大器，用于将PD转化的电流小信号转化为电压信号输出给Drv输入端，封装到BOSA中。

5. 耦合器、解耦器、filter耦合器、解耦器多用于光模块多波长数据传输场景，各波长光在同一光纤中传播互不影响，互不干扰，耦合器就是将多波长光束光程合一到单一光纤中传输，反之解耦器就是将单一光纤中传播过来的光束解耦成不同光程来传输。

在BOSA当中，会使用到45°角filter，可使发射光透射，入射光反射。

（待学习补充）附录（1）折射率公式：n=c/v；入射光与反射、折射的关系为n i*sin i=n r*sin r当角度r为90度时，无折射光线，sin r=1；0<sin i= n r /n i <1 ，也即是n r <n i。