CN109617616B - 一种可调谐突发光模块及其实现方法 - Google Patents

一种可调谐突发光模块及其实现方法 Download PDF

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Abstract

一种可调谐突发光模块，包括：高速DFB激光器、光开关功能模块、TEC功能模块、高速调制信号和偏置电流功能单元、突发控制功能电路、功能控制单元、温度/波长控制功能模块、主板接口、高速数据信号接口、I2C控制信号接口以及突发控制信号接口；其中，高速调制信号和偏置电流功能单元接收高速数据信号和突发控制信号，完成高速调制信号的调理和偏置电流的生成，使高速DFB激光器发光，高速DFB激光器输出的光信号经过光开关功能模块调理后输出满足NGPON2时序的光信号；TEC功能模块与高速DFB激光器连接，调整其工作温度，实现温度稳定和可调谐功能，使高速DFB激光器在整个工作时间段内波长偏移极小，完全满足NGPON2的规范。

Description

一种可调谐突发光模块及其实现方法
技术领域
本发明属于无源光网络通信技术领域，涉及一种可调谐突发光模块及其实现方法，并且还涉及具有该可调谐突发光模块的无源光网络系统。
背景技术
随着互联网技术和内容的快速发展，PON(Passive Optical Network，无源光网络)系统正逐渐成为运营商最为青睐的接入网解决方案，从最初的APON(ATM PassiveOptical Network，异步传输模式PON)、BPON(BroadbandPassive OpticalNetwork，宽带PON)，到EPON(EthernetPassive Optical Network，以太网PON)，到GPON(Gigabit-CapablePassive Optical Network，千兆PON)，再到10G-PON(10Gigabit-Capable PassiveOptical Network,10G-PON)，国际电联推出了一系列PON技术标准。在国际电联中，时分复用和波分复用相混合的技术方案NGPON2(下一代无源光网络)作为未来的一种高速宽带接入方案，成为未来宽带问题解决的重要方案，NGPON2系统总体规格标准2012年在国际电联获得通过，其最长应用距离可以支持60公里，最大分路比可为1：256，上、下行至少支持4个波分通道。NGPON2系统用户端设备的核心技术在于可调谐突发发射机的实现方案，主要的技术难度体现在如下方面：可调谐波长，其波长频率变化范围为195.3-195.6THz(太赫兹)，频率间隔为100GHz(吉赫兹)；同时要求模块光功率大并且瞬态波长稳定度高。由于光接入网建设对成本敏感，因此需要寻求低成本的解决方案。
图1为传统非NGPON2ONU功能模块的突发解决方案，其中：
突发数据信号：可能是突发的数据信号，也可能是连续的数据信号，一般为PECL(正射极耦合逻辑)、CML(电流模式逻辑)等高速接口电平；
突发控制信号：一般为TTL电平，是系统控制ONU发光和无光的时序信号。
激光器驱动电流：是激光器的偏置电流和调制电流的总和，其中调制电流通过突发数据信号产生，而偏置电流根据激光器的发光功率而产生，驱动电流受突发控制信号控制。
突发光信号：由激光器驱动电流产生。
显而易见的是，该激光器工作在突发模式下，激光器有段时间是不工作的，在该段不工作区间内，激光器温度偏低；相反，在工作区间温度变高，进而导致波长发生偏移，具体如附图2所示。
针对上述问题，现有传统的解决方案大致有如下几种：
方案一：DBR(分布式布拉格反射激光器)+MZ(马赫曾德尔电光调制器)+SOA(半导体光放大器)单片集成方案，或者DBR(分布式布拉格反射激光器)+SOA(半导体光放大器)+MZ(马赫曾德尔电光调制器)单片集成方案，该方案广泛用于DWDM(密集波分复用系统)系统中。由于是单片集成方案，采用磷铟砷化镓单晶片工艺复杂，在单片上集成如此多功能，良率极低并且生产测试复杂，从而造成价格高，规模小，不适合大规模无源光接入网络使用。
方案二：EML(电吸收调制激光器)单片集成方案
EML内部集成了DFB(分布式反馈)激光器，该激光器的温度系数一般为0.1纳米/度，通过半导体加热和制冷来调整激光器的工作温度，从而达到调整EML波长的目的，数据信号调制通过EA(电吸收)来实现。该方案的优点是用光器件技术成熟，成本较方案一低。缺点则在于难以达到NGPON2的无光水平，并且由于是10吉波特率信号的调制，因此对EA设计生产提出了很高的要求，良率低且成本高。同时EML方案功耗很高，普通工艺生产的EML发射光功率较低，难以达到NGPON2的规格指标，波长稳定性也难以控制。
方案三：DFB方案
DFB激光器的温度系数一般为0.1纳米/度，通过半导体加热和制冷来调整激光器的工作温度，从而实现调谐；同时，由于调制通过直接调制实现，因此容易实现高光功率。该方案的优点是工艺成熟、价格便宜以及光功率大。缺点则在于直接调制DFB激光器在突发工作模式下，DFB工作电流会在有和无之间跳变，传统的自动温度控制电路无法快速反馈并控制激光器温度，造成DFB结温度变化很大，从而DFB的发射光波长也会漂移，波长稳定性差，不能满足NGPON2中波长间隔要求。
发明内容
针对上述方案的不足，本发明旨在提供一种大光功率、波长稳定性好的可调谐突发光模块及其实现方法。
根据本发明的一方面，提供一种可调谐突发光模块，其包括：高速DFB激光器、光开关功能模块、TEC功能模块、高速调制信号和偏置电流功能单元、突发控制功能电路、功能控制单元、温度/波长控制功能模块、主板接口、高速数据信号接口、I2C控制信号接口以及突发控制信号接口，其中高速数据信号接口、I2C控制信号接口以及突发控制信号接口均与主板接口通信连接；高速数据信号接口与高速调制信号和偏置电流功能单元通信连接，向其输出高速数据信号；突发控制信号接口与高速调制信号和偏置电流功能单元以及突发控制功能电路通信连接，分别向它们输出突发控制信号；突发控制功能电路与光开关功能模块通信连接，突发控制信号经过突发控制功能电路被转换为光开光功能模块需要的控制信号；高速调制信号和偏置电流功能单元通过输入到其中的高速数据信号和突发控制信号对上述高速数据信号进行调理，使得与其通信连接的高速DFB激光器发光；高速DFB激光器与光开关功能模块连接，高速DFB激光器输出的光信号通过光开关功能模块后，实现了突发功能；主板接口通过I2C控制接口与功能控制单元通信连接，功能控制单元与温度/波长控制功能模块通信连接，用以设置可调谐光模块的温度及波长，同时获取温度/波长控制功能模块的工作信息；温度/波长控制功能模块与TEC功能模块通信连接，用以控制TEC功能模块的温度；TEC功能模块与高速DFB激光器连接，对其进行温度控制。
根据本发明的可调谐突发光模块，其中高速DFB激光器支持至少10Gbps的调制速率。
根据本发明的可调谐突发光模块，其中光开关功能模块实现输出光的光突发控制，当控制电平为“高”时，输出正常功率光信号，当控制电平为“低”时，输出功率为低的光信号。
根据本发明的可调谐突发光模块，其中光开关功能模块输出的光信号的时序小于128.6ns，并且满足ITU-T G.989规范要求。
根据本发明的可调谐突发光模块，其中TEC功能模块在设置温度不同的情况下，可以实现不同的工作波长，可以使DFB激光器稳定工作在某一个特定温度下，进而使得DFB激光器发射的光的波长稳定在特定波长，通过调整激光器的温度，可以实现可调谐功能。
根据本发明的可调谐突发光模块，其中获取的温度/波长控制功能模块的工作信息例如包括告警信息、诊断信息等相关信息。
根据本发明的另一方面，提供一种前述可调谐突发光模块的实现方法，包括如下步骤：(1)主板接口根据业务需要，通过突发控制信号接口输出突发控制信号并且通过高速数据信号接口输出高速数据信号，其中突发控制信号被同时送入高速调制信号和偏置电流功能单元和突发控制功能电路，高速数据信号被送入高速调制信号和偏置电流功能单元；(2)高速调制信号和偏置电流功能单元通过输入数据信号和突发控制信号对上述高速数据信号进行调理，使得高速DFB激光器发光并且输出连续高速调制的光信号至光开关功能模块；(3)通过主板接口输入的突发控制信号经过突发控制功能电路被转换为光开关功能模块需要的控制信号，并将其输出至光开关功能模块；(4)光开关功能模块根据来自突发控制功能电路的控制信号、按照系统提供的突发控制信号的时序对自高速DFB激光器输出的连续高速调制的光信号进行调理并输出满足NGPON2时序的光信号；(5)同时，主板接口通过I2C控制接口与功能控制单元通信，温度/波长控制功能模块接收功能控制单元的控制信号，对TEC功能模块进行控制，调整高速DFB激光器的工作温度，实现温度稳定和可调谐功能，使高速DFB激光器在整个工作时间段内波长偏移极小，完全满足NGPON2的规范。
根据本发明的再一方面，提供一种包括前述可调谐突发光模块的无源光网络系统。
附图说明
图1：传统非NGPON2ONU功能模块的突发解决方案
图2：传统非NGPON2ONU功能模块的数据信号。
图3：根据本发明的可调谐突发光模块的结构图
图4：根据本发明的可调谐突发光模块的数据信号
具体实施方式
本发明的可调谐突发光模块总体上采用单片集成的高速DFB激光器+光开关解决方案。如图3所示，根据本发明的可调谐突发光模块包括：高速DFB激光器1、光开关功能模块2、TEC功能模块3、高速调制信号和偏置电流功能单元4、突发控制功能电路5、功能控制单元6、温度/波长控制功能模块7、主板接口8、高速数据信号接口9、I2C控制信号接口10以及突发控制信号接口11。
高速DFB激光器1，其支持至少10Gbps的调制速率直接调制的电光信号转换；由于采用了直接调制的方式，可以实现大光功率输出，激光器的工作波段符合NGPON2波长范围的要求。光开关功能模块2，其对高速DFB激光器1输出光的光信号进行突发控制，当控制电平为“高”时，输出正常功率光信号，当控制电平为“低”时，输出功率为低的光信号(满足NGPON2规范)，输出的光信号信号时序小于128.6ns，并且满足ITU-T G.989规范要求。TEC功能模块3，其对高速DFB激光器1进行温度控制，在设置温度不同的情况下，可以实现不同的工作波长。高速调制信号和偏置电流功能单元4，其完成高速调制信号的调理和偏置电流的生成，通过输入数据信号和突发控制信号对接收的高速数据信号进行调理，使得高速DFB激光器1发光，由于调理后的数据信号保持了连续性，因此，高速DFB激光器1在整个工作时间段内波长偏移极小，完全满足NGPON2的规范，通过高速数据信号接口9进入高速调制信号和偏置电流功能单元4的信号，可能是突发的，也可能是连续的，该功能模块可以根据突发控制信号11对高速信号进行调理，调理后的数据信号如图4所示。突发控制功能电路5，通过主板接口输入的突发控制信号经过突发控制功能电路5被转换为光开光功能模块需要的控制信号。功能控制单元6，其通过控制温度/波长控制功能模块7进而控制TEC功能模块3。主板接口8，其分别与高速数据信号接口9、I2C控制信号接口10以及突发控制信号接口11通信连接。高速数据信号接口9与高速调制信号和偏置电流功能单元4通信连接，向其输出高速数据信号。突发控制信号接口11与高速调制信号和偏置电流功能单元4以及突发控制功能电路5通信连接，分别向它们输出突发控制信号。突发控制功能电路5与光开关功能模块2通信连接，突发控制信号经过突发控制功能电路5被转换为光开光功能模块2需要的控制信号。高速DFB激光器1与光开关功能模块2连接，高速DFB激光器1输出的光信号通过光开关功能模块2后，实现了突发功能。主板接口8通过I2C控制接口10与功能控制单元6通信连接，功能控制单元6与温度/波长控制功能模块7通信连接，用以设置可调谐光模块的温度及波长，同时获取温度/波长控制功能模块7的工作信息。温度/波长控制功能模块7与TEC功能模块3通信连接，用以控制TEC功能模块的温度。
本发明的可调谐突发光模块的具体实现方法如下：包括如下步骤：(1)主板接口8根据业务需要，通过突发控制信号接口输出突发控制信号11并且通过高速数据信号接口9输出高速数据信号，其中突发控制信号11被同时送入高速调制信号和偏置电流功能单元4和突发控制功能电路5，高速数据信号进入高速调制信号和偏置电流功能单元4；(2)高速调制信号和偏置电流功能单元4通过输入数据信号和突发控制信号对上述高速数据信号进行调理，使得高速DFB激光器1发光并且输出连续高速调制的光信号至光开关功能模块2；(3)通过主板接口输入的突发控制信号经过突发控制功能电路5被转换为光开关功能模块需要的控制信号，并将其输出至光开关功能模块；(4)光开关功能模块2根据来自突发控制功能电路5的控制信号、按照系统提供的突发控制信号11的时序对高速DFB激光器1输出的连续高速调制的光信号进行调理并输出满足NGPON2时序的光信号；(5)同时，主板接口通过I2C控制接口10与功能控制单元6通信，温度/波长控制功能模块7接收功能控制单元6的控制信号，对TEC功能模块进行控制，调整高速DFB激光器的工作温度，实现温度稳定和可调谐功能，使高速DFB激光器1在整个工作时间段内波长偏移极小，完全满足NGPON2的规范。
本发明的有益效果：
(1)高速DFB激光器1工作在直接调制的模式，避免了其他后级调制器方案需要降低第一级激光器的光功率的问题，从而容易满足发光效率高，大光功率的技术规范；
(2)通过高速调制信号和偏置电流功能单元4功能，使得高速DFB激光器1工作在连续的高速信号调制状况下，与传统的连续模式工作的DWDM光模块一样，可以实现稳定的波长光信号输出。
(3)通过光开关功能模块2，将高速DFB激光器1输出的连续高速调制的光信号，按照系统提供的突发控制信号11的时序，输出满足NGPON2时序的光信号。
(4)通过温度/波长控制功能模块7和控制TEC功能模块3，改变高速DFB激光器1的工作温度，可以轻松实现波长的可调谐功能。

Claims (7)

1.一种可调谐突发光模块，包括：高速DFB激光器、光开关功能模块、TEC功能模块、高速调制信号和偏置电流功能单元、突发控制功能电路、功能控制单元、温度/波长控制功能模块、主板接口、高速数据信号接口、I2C控制信号接口以及突发控制信号接口；其中，高速数据信号接口、I2C控制信号接口以及突发控制信号接口均与主板接口通信连接；高速数据信号接口与高速调制信号和偏置电流功能单元通信连接，向其输出高速数据信号；突发控制信号接口与高速调制信号和偏置电流功能单元以及突发控制功能电路通信连接，分别向它们输出突发控制信号；突发控制功能电路与光开关功能模块通信连接，突发控制信号经过突发控制功能电路被转换为光开光功能模块需要的控制信号；高速调制信号和偏置电流功能单元通过输入到其中的高速数据信号和突发控制信号对上述高速数据信号进行调理，使得与其通信连接的高速DFB激光器发光；高速DFB激光器与光开关功能模块连接，高速DFB激光器输出的光信号通过光开关功能模块后，实现了突发功能；主板接口通过I2C控制接口与功能控制单元通信连接，功能控制单元与温度/波长控制功能模块通信连接，用以设置可调谐光模块的温度及波长，同时获取温度/波长控制功能模块的工作信息；温度/波长控制功能模块与TEC功能模块通信连接，用以控制TEC功能模块的温度；TEC功能模块与高速DFB激光器连接，对其进行温度控制；
所述的可调谐突发光模块的实现方法，包括如下步骤： (1)主板接口根据业务需要，通过突发控制信号接口输出突发控制信号并且通过高速数据信号接口输出高速数据信号，其中突发控制信号被同时送入高速调制信号和偏置电流功能单元和突发控制功能电路，高速数据信号被送入高速调制信号和偏置电流功能单元；(2)高速调制信号和偏置电流功能单元通过输入数据信号和突发控制信号对上述高速数据信号进行调理，使得高速DFB激光器发光并且输出连续高速调制的光信号至光开关功能模块；(3)通过主板接口输入的突发控制信号经过突发控制功能电路被转换为光开关功能模块需要的控制信号，并将其输出至光开关功能模块；(4)光开关功能模块根据来自突发控制功能电路的控制信号、按照系统提供的突发控制信号的时序对自高速DFB激光器输出的连续高速调制的光信号进行调理并输出满足NGPON2时序的光信号；(5)同时，主板接口通过I2C控制接口与功能控制单元通信，温度/波长控制功能模块接收功能控制单元的控制信号，对TEC功能模块进行控制，调整高速DFB激光器的工作温度，实现温度稳定和可调谐功能，使高速DFB激光器在整个工作时间段内波长偏移极小，完全满足NGPON2的规范。
2.根据权利要求1所述可调谐突发光模块，其中高速DFB激光器支持至少10Gbps的调制速率。
3.根据权利要求1-2任一项所述的可调谐突发光模块，其中光开关功能模块实现输出光的光突发控制，当控制电平为“高”时，输出正常功率光信号，当控制电平为“低”时，输出功率为低的光信号。
4.根据权利要求3所述的可调谐突发光模块，其中光开关功能模块输出的光信号的时序小于128.6ns，并且满足ITU-T G.989规范要求。
5.根据权利要求1-2任一项所述的可调谐突发光模块，其中TEC功能模块在设置温度不同的情况下，可以实现不同的工作波长，可以使DFB激光器稳定工作在某一个特定温度下，进而使得DFB激光器发射的光的波长稳定在特定波长，通过调整激光器的温度，可以实现可调谐功能。
6.根据权利要求1-2任一项所述的可调谐突发光模块，其中获取的温度/波长控制功能模块的工作信息包括告警信息、诊断信息。
7.一种无源光网络系统，其包括如权利要求1-6任一项所述的可调谐突发光模块。
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