基于soa光開關的突發式超長距離光纖保護器的制作方法

專利名稱：基于soa光開關的突發式超長距離光纖保護器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光接入網技術領域，特別是涉及一種用于實現無源光網絡的主干光纖冗余保 護以及增大其傳輸距離和分支比的光路設備。
背景技術：
近年來以太網無源光網絡(EP0N) /吉比特無源光網絡(GP0N)做為新一代的無源光網絡 (PON)技術已經逐步成熟并得到迅速應用，PON技術已成為光接入網的主流技術。無源光網 絡是在點到多點的光網絡拓撲上實現綜合業務的接入。通常情況下，PON系統由光線路終端 (OLT)和光網絡單元(0NU),以及位于0LT和ONU之間的無源光分配網絡(0DN)構成。
EP0N/GP0N的線路速率都是千兆級的，10Gbps的EP0N/GP0N技術也正在發展中，可供利 用的帶寬資源大大提高，這使得運營商對PON技術投資獲得的可收益帶寬大幅度增加。但成 本效益因素、網絡可靠性等仍然是PON應用中的一大障礙。
一方面，P0N技術規定的最大傳輸距離是20km，最大分支比為1: 32 (HP0N)或1: 64 (GP0N)， 這在專網巾場以及農村地區的推廣中很難滿足要求。考慮成本效益因素，有必要發明一種光 路設備放大光路信號，擴展PON的覆蓋范圍。另一方面，由于PON采用的是點到多點的樹形 拓撲結構，0LT與0DN之間通過一根光纖連接遠端的多個0NU設備， 一旦主干光纖故障，所 有的ONU都將失去通信能力。為了提高網絡可靠性和生存性，中國電信(CTC)對PON設備的 技術要求中，規定了主干光纖冗余保護、0LT P0N 口冗余保護、全保護等保護模式，但是如 果0LT和0NU設備開發時沒有設計保護功能，則必須通過外加設備才能實現。
而傳統的光纖線路保護器只能對傳輸連續波信號的光纖鏈路保護，無法在P0N網絡中應 用；而且基于微機電(MEMS)光開關、波導光開關等技術設計的光纖線路保護器也無法實現 光路信號的放大，無法提高PON的覆蓋范圍。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基于S0A光開關的突發式超長距離光纖保護器。 該光纖保護器能兼容所有P0N系統，擴大P0N的傳輸距離和分支比，能實現P0N網絡的自動 光纖保護倒換。
本發明所采用的技術方案是本發明包括光線路終端接口、光分支器、S0A光開關、主千 光纖接口，它們順次相接。光分支器還和光探測器、控制邏輯電路依次相連。控制邏輯電路 也和S0A光開關相連。
本發明的優點本發明利用半導體光放大器(S0A)對協議透明，放大波長覆蓋S、 C、 L 波段，納秒級的開關速度等特性，設計的適用于突發模式的PON系統的光纖線路保護器，不 但可以實現無插損的冗余，還可以大大延長P0N的傳輸距離。現在光子器件的集成度和可靠 性已經大大提高，單片光子集成電路(PIC)可以集成多路SOA和無源光器件，采用P工C器件 設計從成本和可靠性方面都能夠滿足要求。本發明設計的突發式超長距離光纖保護器，兼容
各種協議的PON系統，支持正在發展中的10Gbps ETON/GP0N，最大支持50km的傳輸距離和 128路分支比，支持自動光纖保護倒換，最大保護倒換時間〈3ms，可以大大提高TON網絡的 可靠性和成本優勢。本發明為P0N系統提供一種協議透明，安全可靠，故障恢復快速的光纖 線路保護解決方案，當P0N主千光纖線路斷路或損耗變大導致時，能夠在極短時間內自動完 成光纖線路倒換，從而大大提高了 PON系統的穩定性。本發明維護非常簡單，能夠為開發商 提供很好的投資收益率。本發明設備提供一個PON接口和兩個主干光纖接口，支持i + l、丄 l主干光纖冗余保護，支持自動光纖保護倒換模式。


圖l是本發明的結構框圖。
圖2是本發明的器件連接圖。
圖3是本發明光探測部分信號狀態示意圖。
圖4是本發明光探測部分電路示意圖。
圖5是本發明控制邏輯電路示意圖。
圖6是本發明S0A光開關的驅動電路示意圖。
圖7是本發明SOA光開關的溫控電路示意圖。
具體實施例方式
本發明位于P0N系統的0LT和0DN之間。如圖1所示，本發明包括光線路終端接口、光 分支器、S0A光開關、主干光纖接口，它們順次相接。光分支器還和光探測器、控制邏輯電 路依次相連。控制邏輯電路也和S0A光開關相連。
本發明的器件連接圖如圖2所示。外接0LT的光線路終端接口，可以為SC/PC型。SC是日 本ntt公司開發的矩形嵌入式塑料外殼接頭，PC表示回波損耗值》40db。主干光纖接口包括 主用光接口和備用光接口，接口類型為SC/APC， APC表示回波損耗值》60db。主干光纖接口 通過兩根主干光纖以2: N的0DN網絡連接用戶端0NU設備，N為自然數。
光探測器包括主用光探測器PD1和備用光探測器PD2。 S0A (半導體光放大器)光開關包 括主用S0A光開關S0A1和備用S0A光開關S0A2。光線路終端接口通過第一波分復用器WDM1 和光分支器相連，主用S0A光開關通過第二波分復用器WDM2和主用光接n相連，備用S0A光 開關通過第三波分復用器W畫3和備用光接口相連。主用S0A光開關S0A1兩端分別接有主用 光接n和主用光探測器PD1;備用S0A光開關S0A2兩端分別接有備用光接口和備用光探測器 PD2。
S0A光開關實現光信號的放大與光路的開關，選用的S0A模塊X用光子集成技術將兩路 S0A (上行1310mn放大，下行1490nm放大)集成在一個蝶形封裝的模塊里面，模塊耦合封裝 了 4個光纖接口實現上下行信號的接入。
每個SOA光開關都接有驅動電路和溫控電路。主用SOA光開關S0A1接有驅動電路1和溫 控電路1，備用SOA光開關S0A2接有驅動電路2和溫控電路2。 SOA的通斷通過控制SOA的 驅動電路實現。各驅動電路分別接至控制邏輯電路的相應控制端，驅動電路1接至控制邏輯 電路的開關控制l端，驅動電路2接至控制邏輯電路的開關控制2端。SOA是閾值器件，為
獲得較快的調制速率、降低調制電流，應該給S0A加上一個直流偏置。選擇直流預偏置電流
考慮兒個方面1、加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以減小電光延遲時間，還可以抑制張
馳振蕩，當S0A偏置電流在閾值附近時，較小的調制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖， 這樣可以減小碼型效應和結發熱效應。2、偏置電流也不能過大，由于S0A本身存在一定自 發輻射噪聲(ASE)輸出，會使經SOA后輸出的光信號消光比惡化，降低光開關的性能指標。
S0A驅動電路能對控制邏輯電路輸出的控制信號和外置撥碼開關設置的參考電平信號進 行轉換，最終換成電流信號加載到SOA上從而形成光信號放大輸出。外置的撥碼開關設置驅 動電路注入SOA的直流偏置和交流調制電流的大小，以實現對SOA光信號增益的調制。如圖 6所示，驅動電路接受控制信號和參考電平撥碼設置的輸入，經過電平轉換后接至電流開關 驅動電路，通過該電路控制調制電流(Is)的通斷。調制電流和直流偏置電流(1。)分別由調 制恒流源和偏置恒流源提供，二電流匯集成總電流(It。，al)供發光二極管發光，以控制SOA 驅動電路。因此，三種電流的關系為T,, = I。 + TS。調制恒流源受調制電流控制電路的控制， 偏置恒流源受偏置電流控制電路的控制。外置的撥碼開關設置驅動電路注入S0A的直流偏置 和交流調制電流的大小以實現對SOA光信號增益的調制
如圖7所示，溫控電路可保證SOA工作在恒定的溫度下。溫控電路包括電橋電路、積分 放大電路、加法器、絕對值電路、溫控芯片和SOA制冷器，它們依次相連。溫控芯片還外接 電流檢測器。電橋電路包括兩臂， 一臂包含阻值為R的電阻、熱敏電阻Re,另一臂也包含一 個阻值為R的電阻和反饋電阻R,。溫控電路利用S0A內部的熱敏電阻構成反饋電路電橋的一 臂，這樣當SOA工作導致溫度變化時，熱敏電阻Re的阻值相應的發生變化，電橋兩臂產生電 壓差，通過積分放大電路實現電壓差放大，將這個參考電壓差提供給溫控芯片，進而相應的 調整SOA制冷器中的去除熱電制冷器電路(TEC)中的電流，從而實現對激光器工作溫度的控 制和實時監測。
本發明的S0A控制電路，可以針對工程應用中不同的傳輸距離和分支比要求，通過控制 邏輯電路輸出的開關控制信號，經驅動電路控制單元的電平轉換，控制著驅動電路的交流調 制電流輸出與否，控制光信號的通過與關斷。
S0A光開關可選-48V直流或者220V交流供電，對外輸出5V或3. 3V直流電壓。光接口有 指示燈指示光路狀態，并有外部撥碼開關根據工程應用情況調節S0A的增益等參數。本發明 可選用的S0A光開關的參數為上行S0A器件的最大偏置電電流為200raA，光信號最大增益 為20dB，飽和輸出功率為0dBm，噪聲指數為7dB，增益平坦度為3dB，偏振相關增益小于ldB。 下行SOA器件的最大偏置電電流為450mA,光信號最大增益為13dB，飽和輸出功率為13dBm， 噪聲指數為7dB，增益平坦度為3dB，偏振相關增益小于ldB。
光分支器包括下行光分支器和上行光分支器。下行光分支器包括第- 一分二光分路器 spliUerl (分光比1:2),它的兩個輸出端分別接至主用S0A光開關S0A1和備用S0A光開關 S0A2的下行輸入端口。上行光分支器包括二合一光分路器印litterO (分光比2:1)、第二一 分二光分路器splittcr2 (分光比1:2)和第三一分二光分路器splitter3 (分光比l:2)。第 二一分二光分路器splitter2的輸入端接至主用S0A光開關S0A1的上行輸出端，第二一分二
光分路器splitter2的兩個輸出端分別接至二合一光分路器印litter0的一個輸入端和主用 光探測器PD1。第二一分二光分路器splitter3的輸入端接至備用S0A光開關S0A2的上行輸 出端，第三一分二光分路器splitter3的兩個輸出端分別接至二合一光分路器鄧litter0的 另一個輸入端和備用光探測器PD2。
0LT光接口通過內部的1310/1490波段WDM1器件分成1310nra、 1490nm光信號光路1490nm 下行光路通過下行光分支器(splitterl)接兩路SOA模塊的1490nm輸入端；經過SOA模塊 的放大的1310nm上行光信號，首先通過l個l: 2分支器(splitter2或spiit,ter3)分為兩 路,其中一路接PD探測器(PD1或PD2)用于信號探測，另一路再接1個2:1分支器(splitterO) 的分支端，該分支器的總端接TOM1器件的1310nm輸入端。
由圖4的光探測電路示意圖。光探測電路通過光電二極管PD接收光信號，其可采用同軸 封裝的1310nmPIN接收組件，典型接收靈敏度〈-40dBm,帶寬要求很低。光電二極管PD的陰 極接外接5V電源VCC，其陽極接至采樣電阻R1，還和反饋放大器A的反向端相連。采樣電阻 Rl的另一端接地。反饋放大器A的同向端通過電阻R2接地。反饋放大器A的輸出端反饋接 至反向輸入端，還接至三極管T的基極。三極管T的集電極輸出電壓信號Vy還通過電阻 R4接至3. 3V外接電源。三極管T的基極和集電極間還接有電阻R3。三極管T的發射極接地。
要實現突發信號的檢測，首先要清楚PON協議規定的注冊過程。以EPON技術為例，多點 控制協議(MK'P)的原理為OLT在下行廣播通道，按照固定的周期開啟發現窗口。 ONU上電 后等到來自OLT的門(Gate)消息，就向OLT發送應答幀，然后由OLT控制開啟注冊過程， 只有在OLT授權的時間窗口內，ONU才被允許發送光功率。ONU的上行光信號首先通過SOA模 塊(S0A1或S0A2)放大輸出后，通過1:2的分路器(splitter2或splitter3)再接PD探測 器(PD1或PD2)。 PD探測器將光信號轉換為光電流，電流通過釆樣電阻R1轉換為電壓信號。 考慮到OLT的接收靈敏度一般為-28dBm左右，當接收光功率過低時，系統會表現出BER告警、 FER告警以及ONU經常掉線等不穩定現象，因此在PD探測時采樣電阻Rl可以調整到-31dBm U:2分支器的插損為3dBm)時，取樣電壓為O. 7V，當光功率小于臨界值(-31dBm)時三極 管T截至，探測電路沒有脈沖信號輸出，當光功率大于臨界值時三極管T飽和導通，有LVTTL 電平的反脈沖信號輸出(有光時為0，無光時為l)。用示波器測試可以看到，在0.5ras左右 的固定周期里能夠探測到多個脈沖信號。要注意的是ONU只有收到了 OLT的Gate消息，才會 向OLT發送應答信號，因此如果PD探測不到光信號，就可以判斷光路有問題。綜上所述，光 探測器通過運放電路1或運放電路2將相應光路的狀態信息通過電壓信號V,。,傳送至控制邏輯 電路。圖3中最上面的邏輯層示意圖、中間的光功率層示意圖、最下面的時序示意圖相互對 應，清楚的反應了本發明實現突發信號檢測的原理。邏輯層上，空閑傳輸時間(無傳輸)和 數據幀相交替。空閑傳輸時間(時序圖中3.3V高電平)對應光功率層的功率上升、下降或無 光，數據幀(時序圖中OV低電平)對應物理媒介相關子層(PMD)穩定區間。
如圖5所示，控制邏輯電路可使用復雜可編程邏輯器件(CPLD)。 ONU上報的光信號由同 步信息和數據幀組成，EPON規定的協議突發時間不小于512ns。協議突發時間包括同步時間 和變長協議數據單元(PDU)幀長。同步時間又包括光通斷時間(Laser_on/off)和建立時間
(settling time)。 GP0N的協議突發時間比EP0N嚴格，為不小于64ns，最小數據幀或者PDU 消息幀的長度為64字節，如果按照1Gbps的速率，則0MJ上行光信號的持續時間不小于 0.5^。 CPLD根據10MHz的參考頻率，定時每0.5^ (或更快的頻率)采樣一次兩路光探測 器輸出的LOS脈沖信號。CPLD內部設置多位計數器，采樣時如果是低電平(有光)則計數器 加1，并定時每隔2ms對計數器清零。CPLD還每隔lms判斷比較兩路探測信號的計數器的狀 態。CPLD根據判斷結果控制SOA光開關打開與關斷，實現光纖的自動保護倒換如果判斷主 用線路故障，則倒換到備用線路，反之依然；如果兩路都探測不到信號，則CPLD控制邏輯會 每隔2s依次輪換打開兩路S0A光開關，探測光信號， 一直到探測到其中一路有光信號上報。 由于對主干光纖保護倒換的判斷比較簡單，基本上只判斷ONU上報的光功率信號，所以保護 倒換和恢復的時間很短，設計〈3ms，實際測試倒換時間為2.8ms。總之，CPLD控制邏輯電路 輸出的開關控制信號，經過驅動電路控制單元的電平轉換，控制著驅動電路的交流調制電流 輸出與否，控制光信號的通過與關斷。
權利要求
1. 基于SOA光開關的突發式超長距離光纖保護器，其特征是包括光線路終端接口、光分支器、SOA光開關、主干光纖接口，它們順次相接；光分支器還和光探測器、控制邏輯電路依次相連；控制邏輯電路也和SOA光開關相連。
2. 如權利要求1所述的基于SOA光開關的突發式超長距離光纖保護器，其特征是光分支器包括下行光分支器和上行光分支器。
3. 如權利要求2所述的基于S0A光開關的突發式超長距離光纖保護器，其特征是S0A 光開關包括主用SOA光開關和備用S0A光開關，主干光纖接口包括主用光接口和備用光接口， 光探測器包括主用光探測器和備用光探測器；主用S0A光開關兩端分別接有主用光接口和主 用光探測器；備用SOA光開關兩端分別接有備用光接口和備用光探測器。
4. 如權利要求3所述的基于S0A光開關的突發式超長距離光纖保護器，其特征是光線 路終端接口通過第一波分復用器和光分支器相連，主用SOA光開關通過第二波分復用器和主 用光接口相連，備用SOA光開關通過第三波分復用器和備用光接口相連。
5. 如權利要求3所述的基于S0A光開關的突發式超長距離光纖保護器，其特征是卜—行 光分支器包括第一一分二光分路器，它的兩個輸出端分別接至主用SOA光開關和備用SOA光 開關的下行輸入端口；上行光分支器包括二合一光分路器、第二一分二光分路器和第二一一分 二光分路器；第二一分二光分路器的輸入端接至主用SOA光丌關的上行輸出端，第二一分二光分路器的兩個輸出端分別接至二合一光分路器的一個輸入端和主用光探測器；第三一分二光分路器的輸入端接至備用SOA光開關的上行輸出端，第三一分二光分路器的兩個輸出端分別接至二合一光分路器的另一個輸入端和備用光探測器。
全文摘要
本發明提供了一種基于SOA光開關的突發式超長距離光纖保護器，包括光線路終端接口、光分支器、SOA光開關、主干光纖接口，它們順次相接。光分支器還和光探測器、控制邏輯電路依次相連。控制邏輯電路也和SOA光開關相連。該光纖保護器能兼容所有PON系統，擴大PON的傳輸距離和分支比，能實現PON網絡的自動光纖保護倒換。
文檔編號G02B6/26GK101394231SQ20081019752
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月4日 優先權日2008年11月4日
發明者吳廣生, 張傳浩, 楊戰兵, 胡保民, 巍 許 申請人:武漢長光科技有限公司