SONET/SDH系统中的光电转换机制

本文阐述了光纤传输系统中接收和发送部分的光电转换机制,并着重介绍了抖动和脉冲失真等固有问题及其解决方案。

Andreas Mühlschei

ASIC FAE

Maxim Integrated Products

• 光接收器
  

• 抖动和失真
  

• 光发送器
  

• 直接调制激光二极管
  

为了实现在光纤上传输数据,必须在发送端把电信号转换成光信号,然后在接收端再把光信号还原成电信号。上述转换工作是由包含电子器件和光器件的收发单元完成的。

因特网业务的高速增长对电信网络的传输容量提出了更高要求。而光缆就能经济有效地满足这种更大数据吞吐量的需求,与铜缆相比它的传输容量是非常巨大的。

本文论述了光纤传输系统中收发器的性能。光纤系统的物理特性允许人们不需要对它进行升级或安装额外的线缆就可以提高传输比特率或引入另外的传输技术,从而达到增加系统容量的效果。

现代传输系统广泛采用时分复用(TDM)技术,比特率可达10Gbps。表一给出了同步光网络(SONET)和同步数字分层系统(SDH)中不同的传输速度。波分复用(WDM)技术能够进一步提高传输容量,它能在一根光纤上发送时间复用的多条数据流,而每个数据流利用的波长则各不相同。然而,WDM收发器中的电子器件与基于TDM的SDH系统中的电子器件是不同的,因为光源和线路放大器在两个系统中的工作原理也是不相同的。

光接收器

光接收器用来检测光纤上传来的光信号并把它转换成电信号,电信号放大后就可以恢复出数据波形和时钟信号。可能需要对数据流进行串并转换,这取决于数据速率和随后CMOS功能的系统性设置。这样接收器的输出端口就会再生串行或并行的比特数据流并输出恢复时钟(表1)。

表1:输出恢复时钟。

PIN二极管或雪崩光电二极管(APD)将接收到的光转换成信号电流。PIN二极管相对来说比较便宜,其工作电压与其它电子元件相同。然而对于给定的光功率它产生的电子要比APD少得多。因此用APD做的接收器具有更高的灵敏度,相应的发送器也就有更长的传输距离。这一优点弥补了对APD偏置电路的需求,该偏置电路的用途是提供30V到100V范围内的反极性工作电压。除了具有更高的成本,APD器件会增加更多的噪声并且需要冷却。

光检测器将提取出来的电流传送给传输阻抗放大器(TIA)。阻抗放大器首先进行电流到电压的转换,形成的单端电压经TIA放大后一般还需转换成先进接收器所需的差分信号。TIA必须具有高负载能力以及高输入灵敏度,以便使接收器具有更大的动态范围。

为了有效地接收经长距离传输或因发送器老化(或两者兼有)而削弱的光信号,必须提高输入灵敏度,并把TIA的噪声减至最小。另外高负载能力可以避免强光信号失真所引起的比特误码。

为了确保工作的稳定性和所需带宽,TIA可以达到的最大增益的调整范围相当狭窄。这一限制可能会导致在低功率光信号时所产生的输出电压幅度不足,从而难以满足进一步处理的要求。为了放大1mV到2mV范围内的TIA电压,必须在TIA末端配置一个末级放大器,大多数情况下是限幅放大器。

限幅放大器的输出电压摆幅是一定的,它的最大值与输入信号强度无关。限幅放大器一般提供信号丢失指示器,当信号低于用户定义的门限时将忽略输入信号。由于该参数与系统有关,因此必须能够进行外部调整。当信号电平接近门限值时,迟滞比较器能够确保指示器发出标志信号。

在接收器中位于限幅放大器后的重要元件莫过于时钟和数据恢复(CDR)电路。它会根据输入信号作出定时和幅度等级的决定,并形成时间和幅度再生的数据流。从接收到的信号中最先恢复出来的是接收时钟。有多种可能性,如外部SAW滤波器和外部参考时钟能够支持这一时钟恢复功能,但只有完整的集成化方法才能解决成本和性能问题。

抖动和失真

集成化时钟恢复电路的抖动特性符合国际电信联盟(ITU)的推荐标准。抖动是指比特位轻微的相位移动,因为个别比特位在传输时相位不能完全保持不变。“眼图”可以反映抖动效果,眼图中有多个重合的伪随机比特序列。图2描述了在眼睁开时由眼模测出的数据流质量。

ITU标准定义了抖动的误差、转移和产生。受限放大器输出的信号质量通常是比较低的,此时眼图是睁开的,这是因为光传输系统中的元件并非是理想化的。为了达到无误码性能,CDR必须承受一定数量的数据输入抖动,并且在线路终端和中继器中的所有接收单元都必须符合ITU关于抖动容限的建议标准。

除此之外,噪声和脉冲失真都会减少相位的冗余度,这一指标用于同步接收比特并还原成逻辑电平。在本地时钟与数据流同步过程中需要用到锁相环(PLL),用于使时钟与数据字的中间保持一致。为了在接收数据信号的上升沿和下降沿出现不均匀变化时优化比特误码率(BER),系统必须具备可以调整时钟和数据之间相位关系的可选项功能。

CDR通常会提供失锁告警,用于监示锁相环PLL是否锁定于接收数据流。由CDR产生的再生串行数据流和恢复时钟信号一般会送给串并转换器,而串并转换速率则取决于比特速率和CMOS系统元件的接口能力。串并转换器也必须提供与CMOS兼容的接口。为了使串行数据流与不同的串并转换器输出保持比特位的一致,串并转换器必须具有比特同步功能。

光发送器

光发送器将CMOS系统元件发送过来的电子比特序列转换成光数据流。如图1所示,光发送器包括一个带时钟同步器、驱动器和光源的并串转换器。

两个重要的波长范围即窗口二和三用于在电信网络的光纤上传送信息。在光学窗口内信号质量所受影响更小(有更小的散射),并且单位光纤长度的衰耗也更小。范围在1000nm到1300nm之间的第二个光学窗口具有更小的散射性。范围在1500nm到1800nm之间的第三个光学窗口能够提供单位光纤长度上最小的衰耗(图3)。

图3:衰耗和散射值与第二、第三光学窗口波长的相互关系。

光传输系统中的光源可以有多种选择。比如发光二极管(LED)主要用于低成本短离的LAN连接。然而LED的缺点使它不能用作电信系统中的发送器。较宽的频谱波长使得多种光纤模式同时存在,因此很难让它工作在第二和第三光学窗口的波长。

与LED不同,光调制激光发送器如电子吸收和Mach-Zehnder类型是具有高纯度频谱的光源,它们能够工作在第三个光学窗口。因此在长距离传输系统中推荐使用这种光源,此时高性能是主要的,而成本则是次要的因素。

直接调制激光二极管

对于大多数电信干线中的光纤链路来说,许多类型的直接调制半导体激光二极管都能为长距离和短距离传输提供最佳的性价比。这些器件均可以在第二个和第三个光学窗口中工作。

所有直接调制用到的半导体激光二极管都需要一个直流偏置电流来设置工作点,以及调制电流用于信号传输。直流偏置和调制电流的大小取决于激光二极管的特性,根据类型的不同取值是不一样的。在设计发送单元时这些参数随时间和温度的变化需要详细考虑,特别是对于那些具有最佳性价比的非冷却类型半导体激光管。因此激光驱动器必须能够提供足够大小的偏置和调制电流用以支持光发送器工作。

为了补偿激光管由于时间和温度的变化造成的参数漂移,激光驱动器必须保持最初调整过的直流工作点。实现补偿的最佳途径是引入自动功率控制(APC)。为了检测出实际的激光功率,可以采用光电二极管把激光转换成相应的电流并送入激光驱动器,然后再与预设的值作比较。只要有一点变化都会引起直流偏置电流增加或减少,直到达到初始预定义值。

通常APC具有告警功能,即当激光二极管的光功率不能再继续调整时就产生告警。就如工作点一样,由时间和温度的变化引起的激光二极管特性参数的漂移会改变光信号的强弱。为了保持光信号幅度不变,有必要根据这些特性参数的下降趋势进行补偿。通过增加外部电路或者利用APC环路中已有的光电管进行集成化自动调制控制可以解决这一问题。

除了这些基本功能外,系统还必须能够在不中断输入端接收数据的情况下通过改变驱动器状态中止激光的发送。在激光驱动器中增加单稳态触发器或锁存器或者增加并串转换器可以在数据流到达激光驱动器的输出级前进行再定时,从而可以有效地提高抖动性能。

位于激光二极管驱动器与低速CMOS系统元件之间有一个并串转换器,其作用是把并行数据转换为串行数据流,从而使激光管驱动器能够接收。与接收单元的串并转换器相似,并串转换器的转换速率取决于传输位速率与CMOS系统接口的速度。再定时与并串转换功能要求被同步的传输时钟。通常时钟同步电路与并串转换器集成在一起,并与PLL一起工作。

同步电路主要用来确保数据传输时具有最小的抖动值。因此同步电路在光纤传输系统的发送器中扮演着重要的角色。

欲了解更多信息,请联系Andreas Mühlschei。

E-mail: andreasm@

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