CN103023575B - 用于gpon olt的光突发接收电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于GPON OLT的光突发接收电路，该光突发接收电路包括雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管的阴极连接一能使其具有内增益的正极性的高压发生器，该雪崩光电二极管的阳极连接一跨阻放大器的信号输入端，该跨阻放大器将该雪崩光电二极管的电流信号转换成电压信号并通过一界面电路送到第一限幅放大器的输入端，该第一限幅放大器的输出端通过一衰减匹配电路连接第二限幅放大器的输入端，该第一限幅放大器的输出端又通过选频电路连接到触发电路的输入端。本发明采用跨阻较大的TIA和具有高输入阻抗的限幅放大器，合理设计各芯片之间的界面电路，保证了整个接收电路通道不仅具有高的接收灵敏度，而且具有大的光动态。

Description

用于GPON OLT的光突发接收电路

技术领域

 本发明有关一种光突发接收电路，特别是指一种用于GPON OLT（Gigabit-Capable PON Optical Line Terminal，千兆无源光网络光线路终端）光模块中实现对上行的2.5Gb/S速率突发光信号接收的光突发接收电路。

背景技术

随着人们对信息需求量的不断增加，光纤到楼，光纤到户，已是现在光纤网络建设的重要内容，用一根光纤就可解决通信，数据，视频等信息的双向传输问题，它给人们的生活和工作带来了极大的方便。

当前的光纤接入网普遍采用一种简称为PON（Passive Optical Network）的无源光网络，网络的基本构架是：从局端（始端）向用户端引出一根光纤，在局内用这根光纤送出去的光信号，通过一个光分路器，按照需要的分光比，可把这路光信号分成如8路、16路、…128路的光纤分支，分出来的每一路光信号再分别送到每一个用户的终端，每个用户想要得到的信息均由局端以广播方式连续发送出来（称为下行信号），各个用户根据自己的地址码在终端提取出属于自己的信息；对于各个用户需要向外发送出去的信息（上传），系统则采用时间分隔的方式，以突发光包的形式让不同用户的信息一个接着一个地向局端汇集（称为上行信号），下行和上行这两种相反方向行进的光信号因为使用不同的光波长区段（如1310nm，1490nm，1550nm等），它们可各自相互独立地在同一根光纤中双向传输。

在PON光纤接入网的始端和终端，直接和光纤打交道的是PON光收发模块，这种模块至少是一种双波长的双向小系统，它内部既有光接收通道，又有光发射通道，这使它在接收来自光纤的光信号的同时，也可以向光纤发送出去光信号，业内称其为单纤双向（也有单纤三向）模块。以上所说的PON模块可分为两类：一类是用在局端的OLT光模块，它向光纤发送出去的是波长为λ1的连续波光信号，而从光纤接收的是波长为λ2的突发光信号；另一类是用在用户端的ONU（Optical Network Unit，光节点）光模块，它从光纤接收的是波长为λ1的连续波光信号，而向光纤发送出去的是波长为λ2的突发光信号。

在网络实际使用中，对绝大多数用户来说，他们需求的信息会比上传出去的信息多，因此在光纤中双向传输的下行信息量远大于上行的信息量，所以在GPON的速率规范上，上行和下行常是不对称配置的，例如上行速率为1.25Gb/S，而下行速率则为2.5Gb/S，还有上行速率为2.5Gb/S，下行速率为10Gb/S的等等

对于在局端使用的GPON OLT光模块来说，它的接收通道工作在突发模式下，它的最基本的也是最重要的技术指标是接收灵敏度和光动态。OLT光模块的接收灵敏度高，意味着在同样的光功率下，PON网络的分光比可以做得更大，也就是说一个OLT可以带更多个的ONU。另一方面，OLT在不同的网络条件下使用时，它接收时出现的最大光功率会差异较大，就是在同一网络中它要接收的最大光功率和最小光功率的差别也很大，所以要求OLT模块具有大的接收光动态。因此，在某一既定的传输速率下，现有的GPON OLT光模块很难做到既要有高的接收灵敏度又要有大的接收光动态范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有高接收灵敏度和大动态范围的用于GPON OLT光模块中实现对上行的2.5Gb/S速率突发光信号接收的光突发接收电路。

为达到上述目的，本发明提供一种用于GPON OLT的光突发接收电路，该光突发接收电路包括雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管的阴极连接一滤波电容C，以降低雪崩光电二极管的偏置噪声，该滤波电容C的另一端接地，该雪崩光电二极管的阴极连接一能使其具有内增益的正极性的高压发生器，该雪崩光电二极管的阳极连接一跨阻放大器的信号输入端，该跨阻放大器将该雪崩光电二极管的电流信号转换成电压信号并通过一界面电路送到第一限幅放大器的输入端，该第一限幅放大器的输出端通过一衰减匹配电路连接第二限幅放大器的输入端，该第二限幅放大器用以输出模块信号，该第一限幅放大器的输出端又通过一选频电路连接一触发电路的输入端，该触发电路的一个输出端分别连接该第二限幅放大器的使能引脚与界面电路，该界面电路起到信号耦合、电路偏置及电路状态恢复的作用，该触发电路的另一个输出端输出SD信号。

所述界面电路包括耦合电容C21，C22与电感L21，L22，耦合电容C21的一端连接电感L21，耦合电容C22的一端连接电感L22，耦合电容C21与C22的另一端分别连接所述跨阻放大器的输出端，电感L21、L22的另一端分别连接一电容C23的两端，同时电感L21，L22的另一端分别连接所述第一限幅放大器的两个输入端，所述跨阻放大器输出的电压信号通过由耦合电容C21、C22、电感L21、L22及电容C23组成的L-C网络传送到所述第一限幅放大器进行限幅放大。

所述电感L21的另一端连接一电阻R21，所述电感L22的另一端连接一电阻R22，该电阻R21与R22的另一端通过一电容C24接地，同时该电阻R21与R22的另一端接有参考电压Vref。

所述电阻R21两端连接有串联连接的电阻R23与电子开关SW1，所述电阻R22两端连接有串联连接的电阻R24与电子开关SW2，所述电子开关SW1和电子开关SW2的一个电气同名端和所述参考电压Vref相连。

所述选频电路包括并联连接的电感L31与电容C31，该电感L31与电容C31的一连接端连接一电阻R31，该电阻R31的另一端与所述第一限幅放大器的输出端相连，该电感L31与电容C31的另一连接端通过一电容C32与信号地连接，所述电阻R31与电感L31和电容C31连接的一端连接所述触发电路的输入端。

所述衰减匹配电路由电阻R41，R42，R43，R44，R45组成，该电阻R41和R42的一端与所述第一限幅放大器的输出端相连，电阻R41和R42的另一端和所述第二限幅放大器的输入端相连，并且该电阻R41和R42的另一端分别和电阻R43的两端相连接，电阻R41的另一端连接电阻R44，电阻R44另一端接地，电阻R42的另一端连接电阻R45，电阻R45另一端接地，该电阻R44和R45作为所述第二限幅放大器的输入端的下拉电阻。

所述雪崩光电二极管、所述跨阻放大器及所述滤波电容C以厚膜集成的方式组装在一个TO的金属封装内，在TO的顶部装有镀膜光学微透镜，入射光信号经微透镜汇聚后投射到所述雪崩光电二极管APD的光敏面上。

所述触发电路由触发器芯片和外围电路构成，该触发电路能产生一个和接收到的突发光包信号相对应的脉冲指示信号。

所述雪崩光电二极管是用InP晶片作为衬底制作，其光敏面直径小于等于50μm。

所述第一限幅放大器是差分放大器，其输出电平形式为LVPECL电平或CML电平，所述第二限幅放大器的输出端口电平形式是CML电平：

本发明采用跨阻较大的TIA和具有高输入阻抗的限幅放大器，合理设计各芯片之间的界面电路，保证了整个接收电路通道不仅具有高的接收灵敏度，而且具有大于20dB的接收光动态。

附图说明

图1为本发明用于GPON OLT的光突发接收电路的结构框图；

图2为本发明中的耦合-偏置-复位电路原理图；

图3为本发明中的选频电路原理图；

图4为本发明中的衰减匹配电路原理图。

具体实施方式

为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

如图1所示，本发明的用于GPON OLT的光突发接收电路包括雪崩光电二极管1，该雪崩光电二极管（APD）1的阴极连接一滤波电容C，以降低雪崩光电二极管1的噪声，该滤波电容C的另一端接地。该雪崩光电二极管1的阴极连接一正极性的高压发生器3，使雪崩光电二极管1具有一定的内增益，改变偏置电压的值就可以改变它的内增益的大小，该雪崩光电二极管1的阳极连接一跨阻放大器（TIA）4的信号输入端，该跨阻放大器4将雪崩光电二极管1的电流信号转换成电压信号并通过界面电路送到第一限幅放大器（LA-1）6的输入端，该第一限幅放大器6的输出端通过一衰减匹配电路7连接第二限幅放大器（LA-2）8的输入端，该第二限幅放大器8用以输出模块信号，该第一限幅放大器6的输出端又通过一选频电路9连接一触发电路的输入端，该触发电路的一个输出端分别连接第二限幅放大器8的使能端与界面电路，该界面电路起到信号耦合、电路偏置及电路状态恢复的作用，该触发电路的另一个输出端输出SD信号。

本发明中的APD，TIA及滤波电容C可以厚膜集成的方式组装在一个TO的金属封装内，在TO的顶部装有镀膜光学微透镜，要接收的入射光信号经微透镜汇聚后投射到APD的光敏面上。

当GPON OLT光模块接收到来自光纤的突发光信号时，光信号通过微透镜的汇聚，以很小的光斑投射到APD 的光敏面上，APD把光信号转换成电流信号i。TIA把APD输送给它的电流信号转换成电压信号，TIA输出电压信号的大小和相位符合公式v= -i×Rf ，其中Rf是TIA的跨阻，为了得到较大的增益，在一定的工作带宽下，需选用较大跨阻的TIA。这里用的TIA是双极性输出（差分）方式的。

TIA输出的电压信号通过界面电路送到第一限幅放大器（LA-1）6的输入端。如图2所示，界面电路中包括耦合电容C21，C22与电感L21，L22，C21的一端连接L21，C22的一端连接L22，C21与C22的另一端分别连接TIA的输出端，L21，L22的另一端分别连接一电容C23的两端，同时L21，L22的另一端分别连接LA-1的两个输入端，TIA输出的电压信号通过由C21、C22、L21、L22及C23组成的L-C网络传送到LA-1进行限幅放大。该L-C网络使信号通道得到最佳的通带和噪声抑制，从而使放大器具有最佳的信噪比。

电感L21的另一端连接一电阻R21，该电感L22的另一端连接一电阻R22，该R21与R22的另一端通过一电容C24接地，同时该R21与R22的另一端接有参考电压Vref，该参考电压Vref可为LA-1提供一个合适的输入级工作偏置，偏置电压经过电容C24滤波后通过R21，R22送到LA-1的输入端口，LA-1输入端的阻抗是由R21和R22决定。本发明中该界面电路又叫做耦合-偏置-复位电路5。

接收电路的接收通道是在突发模式下工作，由于它接收到的来自各个ONU的光包强度不同，TIA输出的电压信号也会随之起伏，这会使界面电路的相关电位状态发生起伏变化，造成接收性能恶化，为此加入了电子开关SW1和SW2，电阻R21两端连接有串联连接的电阻R23与电子开关SW1，电阻R22两端连接有串联连接的电阻R24与电子开关SW2，电子开关SW1和SW2用来强制性地使界面电路恢复状态，根据接收信号的时序，当需要电路恢复状态时，闭合电子开关SW1和SW2。SW1和SW2的一个电气同名端和参考电压Vref相连，SW1和SW2的另一同名端则和电阻R23和R24相连，R23和R24的另一端分别和LA-1的两个输入端相连。电阻R23，R24用来调整SW1、SW2和界面电路之间的匹配，从而可实现最佳的电路状态恢复时间，使接收到的突发信号得到正确的恢复。

本发明中的触发电路10由触发器芯片和外围电路构成，该触发电路10的一个输出端分别连接该第二限幅放大器8的使能脚和界面电路，该触发电路10的另一个输出端输出SD信号。当光模块接收到光信号时，触发电路就产生一个和接收到的突发光包信号相对应的脉冲指示信号SD，供模块的后续电路使用。触发电路所产生的相关脉冲信号，也为界面电路 和第二限幅放大器（LA-2）8提供相关的使能控制信号。触发器芯片须有复位功能引脚，它的复位是由外部提供的Reset脉冲来控制的。触发芯片可以采用单端输入的芯片，也可以采用差分输入的芯片，如SY100EL51，SY10EP51，MC100EP51等等。

在触发电路10的输入端设有选频电路9，选频电路9的结构如图3所示，选频电路9包括并联连接的电感L31与电容C31，电感L31与电容C31的一连接端连接一电阻R31，电感L31与电容C31的另一连接端通过一电容C32与信号地连接。电阻R31是用来调整电路之间的匹配，L31为高Q值电感线圈。

在选频电路中电阻R31与电感L31和电容C31连接的一端连接触发电路10的输入端，电阻R31的另一端和LA-1的输出端相连。L31和C31的一端和触发电路的输入端相连，L31和C31的另一端和C32的一端相连，C32的另一端和信号地相连。选频电路最重要的一点是它具有一条所需的尖锐的频响曲线，这就使得电路不仅触发可靠，而且不会受环境杂波的干扰而出现SD的误跳，电路可在较差的电磁环境下可靠工作。

第二限幅放大器（LA-2）8是模块信号的输出级，如图1中数据输出端Data，第二限幅放大器（LA-2）8的信号输出端的电平型式是CML电平，第二限幅放大器能使光模块在整个光接收动态区都能输出恒定的电压幅度。LA-2的另一个功能是实现模块输出的压制功能，即当没有光信号输入时，模块的输出端呈现静噪状态，没有噪声，差分输出的两个端口的DC电平值分别被锁定在信号的低电平和高电平量值上。

LA-1和LA-2之间的信号为DC耦合方式，在它们之间设有衰减匹配电路7，它是个差分结构的对称网络，如图4所示，衰减匹配电路7由电阻R41，R42，R43，R44，R45组成，电阻R41和R42的一端与LA-1的输出端相连，R41和R42的另一端和LA-2的输入端相连，并且R41和R42的另一端分别和电阻R43的两端相连接，R41的另一端连接电阻R44，电阻R44另一端接地，R42的另一端连接电阻R45，电阻R45另一端接地。在LA-2的输入端分别接有下拉电阻R44和R45，由R44和R45为LA-2提供一个最合适的输入级偏置。

本发明中的高压发生器3是以3.3V或5V直流作为它的供电电源，它的输出为几十伏的直流电压，作为APD的反向偏置电压。输出电压的调整是用脉宽调制（PWM）的方式。APD所需高压的大小是由当时温度下的APD的电压温度特性决定的，高压的具体调整可以用数字电位器或单片机。 可用的DC-DC升压变换IC芯片有很多，例如MAX5026、MAX15059、LT3571、LT1930、MIC2290、MIC2288、MP3217等等。

本发明中的APD是用InP晶片作为衬底制作的，其光敏面直径小于等于50μm。第一限幅放大器（LA-1）是差分放大器，它的输出电平型式可以是LVPECL（Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic）电平或CML (Current Mode Logic）电平，所用芯片有：如SY88923，MAX3747等等。第二限幅放大器（LA-2）输出端口电平型式是CML电平，同时LA-2是具有如Enable或Disable这样的使能引脚的芯片，例如SY88773，SY88993等等。

本发明采用跨阻较大的TIA和具有高输入阻抗的限幅放大器，合理设计各芯片之间的界面电路，保证了整个接收电路通道不仅具有高的接收灵敏度，而且具有大于20dB的接收光动态。高Q值和具有尖锐频响曲线的选频电路加在第一限幅放大器（LA-1）和触发电路10之间，保证了SD信号的稳定性和快速响应，电路即使是在较差的电磁环境下工作也不会引起SD的误跳。本发明中电子开关SW的控制和第二限幅放大器（LA-2）的使能控制不是用Reset信号，而是由触发电路产生的控制脉冲来加以控制。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，该光突发接收电路包括雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管的阴极连接一滤波电容C，以降低雪崩光电二极管的偏置噪声，该滤波电容C的另一端接地，该雪崩光电二极管的阴极连接一能使其具有内增益的正极性的高压发生器，该雪崩光电二极管的阳极连接一跨阻放大器的信号输入端，该跨阻放大器将该雪崩光电二极管的电流信号转换成电压信号并通过一界面电路送到第一限幅放大器的输入端，该第一限幅放大器的输出端通过一衰减匹配电路连接第二限幅放大器的输入端，该第二限幅放大器就是模块的信号输出级，该第一限幅放大器的输出端又通过一选频电路连接一触发电路的输入端，该触发电路的一个输出端分别连接该第二限幅放大器的使能脚和界面电路，该触发电路的另一个输出端输出SD信号，该界面电路起到信号耦合、电路偏置及电路状态恢复的作用。

2.如权利要求1所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述界面电路包括耦合电容C21、C22与电感L21、L22，耦合电容C21的一端连接电感L21，耦合电容C22的一端连接电感L22，耦合电容C21与C22的另一端分别连接所述跨阻放大器的输出端，电感L21、L22的另一端分别连接一电容C23的两端，同时电感L21、L22的另一端分别连接所述第一限幅放大器的两个输入端，所述跨阻放大器输出的电压信号通过由耦合电容C21、C22，电感L21、L22及电容C23组成的L-C网络传送到所述第一限幅放大器进行限幅放大。

3.如权利要求2所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述电感L21的另一端连接一电阻R21，所述电感L22的另一端连接一电阻R22，该电阻R21与R22的另一端通过一电容C24接地，同时该电阻R21与R22的另一端接有参考电压Vref。

4.如权利要求3所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述电阻R21两端连接有串联连接的电阻R23与电子开关SW1，所述电阻R22两端连接有串联连接的电阻R24与电子开关SW2，所述电子开关SW1和电子开关SW2的一个电气同名端和所述参考电压Vref相连。

5.如权利要求1所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述选频电路包括并联连接的电感L31与电容C31，该电感L31与电容C31的一连接端连接一电阻R31，该电阻R31的另一端与所述第一限幅放大器的输出端相连，该电感L31与电容C31的另一连接端通过一电容C32与信号地连接，所述电阻R31与电感L31和电容C31连接的一端连接所述触发电路的输入端。

6.如权利要求1所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述衰减匹配电路由电阻R41，R42，R43，R44，R45组成，该电阻R41和R42的一端与所述第一限幅放大器的输出端相连，电阻R41和R42的另一端和所述第二限幅放大器的输入端相连，并且该电阻R41和R42的另一端分别和电阻R43的两端相连接，电阻R41的另一端连接电阻R44，电阻R44另一端接地，电阻R42的另一端连接电阻R45，电阻R45另一端接地，该电阻R44和R45作为所述第二限幅放大器的输入端的下拉电阻。

7.如权利要求1所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述雪崩光电二极管、所述跨阻放大器及所述滤波电容C以厚膜集成的方式组装在一个TO的金属封装内，在TO的顶部装有镀膜光学微透镜，入射光信号经微透镜汇聚后投射到所述雪崩光电二极管的光敏面上。

8.如权利要求1所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述触发电路由触发器芯片和外围电路构成，该触发电路能产生一个和接收到的突发光包信号相对应的脉冲指示信号。

9.如权利要求1所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述雪崩光电二极管是用InP晶片作为衬底制作，其光敏面直径小于等于50μm。

10.如权利要求1所述的用于GPON OLT的光突发接收电路，其特征在于，所述第一限幅放大器是差分放大器，其输出电平形式为LVPECL电平或CML电平，所述第二限幅放大器的输出端口电平形式是CML电平。