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一种硅光收发芯片的50GPON光通信系统
申请号	CN202410080631.2	申请日	2024-01-19	公开(公告)号	CN118018116A	公开(公告)日	2024-05-10
申请人	绍兴中科通信设备有限公司;			发明人	王苗庆; 戴磊; 黄伟; 俞国平; 傅家奇;
摘要	本发明提供一种硅光收发芯片的50GPON光网络通信系统，所述系统包含具有配置成用于时分波分检测的下行传输器和上行接收器系统的光线路终端OLT；所述系统还包含与所述OLT可操作通信的分离器ODN和与所述分离器可操作通信的多个光网络单元ONU；所述光线路终端OLT包括：第一DSP芯片，第一硅光收发芯片，第一外置光源，第一T IA芯片和第一复用器，每个所述光网络单元包括：第二DSP芯片，第二硅光收发芯片，第二外置光源，第二T IA芯片和第二复用器；所述第二硅光收发芯片与所述第二复用器分别通过光纤阵列FA耦合与外置供电单元连接；本发明光网络通信系统网络高速电信号的传输路径，市场前景良好。
权利要求	1.一种硅光收发芯片的50GPON光网络通信系统，所述系统包括具有配置成用于时分波分检测的下行传输器和上行接收器系统的光线路终端OLT；所述系统还包含与所述OLT可操作通信的分离器ODN和与所述分离器可操作通信的多个光网络单元ONU；其特征在于：所述光线路终端OLT包括：第一DSP芯片，第一硅光收发芯片，第一外置光源，第一TI A芯片和第一复用器，其中：所述第一DSP芯片输出端与所述第一硅光收发芯片连接；所述第一硅光收发芯片输出端与所述第一复用器连接；所述第一复用器输出端与所述第一硅光收发芯片连接；所述第一硅光收发芯片与所述第一TIA芯片；所述第一TIA芯片输出端与所述第一DSP芯片连接；其中：所述第一硅光收发芯片与所述第一复用器分别通过光纤阵列FA耦合与外置供电单元连接；每个所述光网络单元包括：第二DSP芯片，第二硅光收发芯片，第二外置光源，第二TI A芯片和第二复用器，其中：所述第二DSP芯片输出端与所述第二硅光收发芯片连接；所述第二硅光收发芯片输出端与所述第二复用器连接；所述第二复用器输出端与所述第二硅光收发芯片连接；所述第二硅光收发芯片与所述第二TIA芯片；所述第二TIA芯片输出端与所述第二DSP芯片连接；其中：所述第二硅光收发芯片与所述第二复用器分别通过光纤阵列FA耦合与外置供电单元连接；其中：所述第一硅光收发芯片与所述第二硅光收发芯片均包括：第一耦合单元、光相位调制单元、光电探测单元、光滤波单元和第二耦合单元；其中：所述第一耦合单元将硅基波导与光纤不同光模斑进行耦合输出FA耦合光波所述光位调制单元将耦合光波进行相位调整后的第一光信号输入给所述光滤波单元；所述光滤波单元将第一光信号和第二耦合单元输出的FA耦合光波按照不同波长进行分离后的第二光信号输入光探测单元；所述光电探测单元将第二光信号处理后的高速电信号输入给所述第一TIA芯片或第二TIA芯片；其中：所述第一DSP芯片和所述第二DSP芯片均包括：PCS编码单元、PCS解码单元和金手指光模块；其中：所述PCS编码单元对金手指光模块输入的两路25GNRZ电信号通过预加算法获得一路 50GNRZ的电信号输出给第一DSP芯片或所述第二DSP芯片；所述PCS解码单元将第一TIA芯片和第二TIA芯片输入25GNRZ电信号进行时钟数据恢复均衡处理的25GNRZ电信号输出给金手指光模块。 2.根据权利要求1所述的一种硅光收发芯片的50GPON光网络通信系统，其特征在于：所述光相位调制单元采用硅基铌酸锂LiNbO3电光调制器；所述光电探测单元为集成的波导型锗硅Ge/Si光电探测器；所述光滤波单元为集成的波导光栅结构的无源硅基滤波器。 3.根据权利要求1所述的一种硅光收发芯片的50GPON光网络通信系统，其特征在于：所述外置供电单元包括第一电流控制电路和第二电流控制电路；其中：第一电流控制电路用于控制半导体制冷器TEC提供稳定波长；第二电流控制电路用于调制可调偏置器和可调光大器的电流提供高光信号。 4.根据权利要求1所述的一种硅光收发芯片的50GPON光网络通信系统，其特征在于：所述第一TIA芯片和第二TIA芯片均包括阻放大器TIA、分相器和差分驱动单元。
说明书全文	一种硅光收发芯片的50GPON光通信系统技术领域 [0001] 本发明涉及网络通信数据技术领域，尤其涉及一种硅光收发芯片的50GPON光通信系统。背景技术 [0002] 网络通信系统利用无源光网络(PON)。所述系统包含具有配置成用于时分波分检测的下行传输器和上行接收器系统的光线路终端(OLT)。所述系统进一步包含与所述OLT可操作通信的分离器和与所述分离器可操作通信的多个光网络单元(ONU)。所述多个ONU中的每一个配置成(i)从所述OLT接收下行突发信号，且(ii)将至少一个上行突发信号传输到所述OLT。所述上行接收器系统进一步包含功率控制模块和配置成产生光学LO信号的本机振荡器(LO)。所述功率控制模块配置成适应性地实时控制所述光学LO信号的功率电平。 [0003] 现有技术中常规技术路线的50G PON光模块，关键器件包括DSP芯片，激光器驱动芯片，激光器，雪崩光电二极管APD，电信号放大器TIA等，同时为实现单纤双向收发功能，发射机和接收机需要光学滤波片对收发两个波长的光信号进行分离。 [0004] 一、常规技术路线存在的缺点： [0005] 常规技术路线光模块的架构，从DSP芯片到光器件之间的高速信号传输链路，高速电信号的传输路径太长，要经过不同阻抗的连接器和光器件，特别是光器件与印刷电路板PCB连接使用的软性线路板FPC，客观存在不同程度的阻抗不匹配问题，导致高速电信号质量劣化严重，需要依赖DSP芯片更强大的算法和更高性能的光器件来弥补损耗。 [0006] DSP芯片的处理方式通常是增强对高速电信号进行预加重和均衡等算法处理，带来的问题就是DSP芯片需要更高的功耗，并会产生很强的高频信号辐射，影响光模块整体的电磁兼容能力。 [0007] 而高性能的光器件，需要更高的带宽及耦合工艺，这必定会增加光模块的成本和技术壁垒，不利于50G PON产业的推广和发展。 [0008] 随着5G时代的到来，在虚拟现实、智能家居、超高清(3D)视频、工业控制、Cloud VR等业务的强力驱动下，互联网流量爆炸式增长的趋势，超宽带接入需求日益凸显。 [0009] 目前三大运营商已陆续进入10GPON规模部署阶段，光接入网进入更新换代的过程，正是全面启动部署下一代PON技术研究的关键时机。50G PON作为下一代PON技术，面向2025年左右部署已成为业界共识。50G PON的需求、架构、物理层和协议层等标准化工作在 2023年4月已基本完成。 [0010] 对于50G PON光模块，目前需要面对以下技术挑战：1、支持突发功能的高速率的光器件和电芯片；2、更高的发射光功率；3、高灵敏度的高速接收机；4、需要克服高速传输带来的色散问题。 [0011] 为了实现50Gbps的传输速率，有两种信号调制方式，一种是50Gbps NRZ调制，另一种是25Gbd四阶脉冲幅度调制(PAM4)调制。由于PAM4信号传输代价较大，不适合大损耗场景，50G PON只能选择NRZ调制。在电芯片方面，目前业界支持突发功能的激光器驱动芯片已成熟商用的只能达到25G速率。现阶段能实现的50G PON光模块方案为下行(Downstream)速率选择50G NRZ，上行(Upstream)速率选择突发25G NRZ，实现50G PON的非对称应用，如图一所示。 [0012] 50G PON光模块的协议ITU‑T G.9804.3规定，要满足光分配网ODN链路Class C+(32dB)的功率预算需求，传输速率为50Gbps的下行发射光功率要达到+8.5dBm，下行接收灵敏度要达到‑24dBm，现阶段业界的技术路线普遍使用的发射机为高速电吸收调节激光器EML搭配半导体光放大器SOA，接收机为雪崩光电二极管APD搭配高速电信号放大器TIA，这对高速率的光器件有更高的挑战。 [0013] DSP数字信号处理技术的应用在50G PON光模块里是必不可少的，DSP芯片的主要作用包括：1、提供高达50Gbps的NRZ调制信号；2、提供上行方向的突发时钟恢复及均衡；3、提供前向纠错FEC功能来提升接收灵敏度；4、补偿光器件带宽不足导致的码间干扰ISI；5、补偿高速长距离传输带来的色散损伤；6、支持多速率选择。受益于PAM4技术的多年发展，DSP技术现在已非常成熟。发明内容 [0014] 针对现有技术问题，本发明是提供一种硅光收发芯片的50GPON光模块，硅光收发芯片替代常规技术路线中的发射机和接收机，无需使用光器件与印刷电路板PCB连接的软性线路板FPC，极大地简化和缩短了高速电信号的传输路径。硅光收发芯片高集成度带来的小型化、低功耗、高可靠性以及低成本，将大大提升本发明方案50G PON光模块的市场竞争力。 [0015] 为了解决技术问题，本发明采用如下技术方案： [0016] 一种硅光收发芯片的50GPON光网络通信系统，所述系统包括具有配置成用于时分波分检测的下行传输器和上行接收器系统的光线路终端OLT；所述系统还包含与所述OLT可操作通信的分离器ODN和与所述分离器可操作通信的多个光网络单元ONU； [0017] 所述光线路终端OLT包括：第一DSP芯片，第一硅光收发芯片，第一外置光源，第一TIA芯片和第一复用器，其中：所述第一DSP芯片输出端与所述第一硅光收发芯片连接；所述第一硅光收发芯片输出端与所述第一复用器连接；所述第一复用器输出端与所述第一硅光收发芯片连接；所述第一硅光收发芯片与所述第一TIA芯片；所述第一TIA芯片输出端与所述第一DSP芯片连接；其中：所述第一硅光收发芯片与所述第一复用器分别通过光纤阵列FA耦合与外置供电单元连接； [0018] 每个所述光网络单元包括：第二DSP芯片，第二硅光收发芯片，第二外置光源，第二TIA芯片和第二复用器，其中：所述第二DSP芯片输出端与所述第二硅光收发芯片连接；所述第二硅光收发芯片输出端与所述第二复用器连接；所述第二复用器输出端与所述第二硅光收发芯片连接；所述第二硅光收发芯片与所述第二TIA芯片；所述第二TIA芯片输出端与所述第二DSP芯片连接；其中：所述第二硅光收发芯片与所述第二复用器分别通过光纤阵列FA耦合与外置供电单元连接，其中： [0019] 所述第一硅光收发芯片与所述第二硅光收发芯片均包括：第一耦合单元、光相位调制单元、光电探测单元、光滤波单元和第二耦合单元；其中： [0020] 所述第一耦合单元将硅基波导与光纤不同光模斑进行耦合输出FA耦合光波[0021] 所述光位调制单元将耦合光波进行相位调整后的第一光信号输入给所述光滤波单元； [0022] 所述光滤波单元将第一光信号和第二耦合单元输出的FA耦合光波按照不同波长进行分离后的第二光信号输入光探测单元； [0023] 所述光电探测单元将第二光信号处理后的高速电信号输入给所述第一TIA芯片或第二TIA芯片； [0024] 所述第一DSP芯片和所述第二DSP芯片均包括：PCS编码单元和PCS解码单元；其中： [0025] 所述PCS编码单元对金手指光模块输入的两路25GNRZ电信号通过预加算法获得一路50GNRZ的电信号输出给第一DSP芯片或所述第二DSP芯片； [0026] 所述PCS解码单元将第一TIA芯片和第二TIA芯片输入25GNRZ电信号进行时钟数据恢复均衡处理的25GNRZ电信号输出给金手指光模块。 [0027] 进一步地，所述光相位调制单元采用硅基铌酸锂LiNbO3电光调制器；所述光电探测单元为集成的波导型锗硅Ge/Si光电探测器；所述光滤波单元为集成的波导光栅结构的无源硅基滤波器。 [0028] 进一步地，所述外置供电单元包括：第一电流控制电路和第二电流控制电路；其中： [0029] 所述第一电流控制电路用于控制半导体制冷器TEC提供稳定波长； [0030] 所述第二电流控制电路用于调制可调偏置器和可调光大器的电流提供高光信号。 [0031] 进一步地，所述第一TIA芯片和第二TIA芯片均包括阻放大器TIA、分相器和差分驱动单元。 [0032] 有益效果 [0033] 1、本发明采用硅光收发芯片设计的50G PON系统，无需使用光器件与印刷电路板PCB连接的软性线路板FPC，极大地简化和缩短了高速电信号的传输路径；硅光收发芯片高集成度带来的小型化、低功耗、高可靠性以及低成本，将大大提升本发明方案50G PON光模块的市场竞争力。 [0034] 2、本发明采用外置光源利用FA耦合到硅光收发芯片，降低了硅光收发芯片片上直接耦合激光器带来的耦合难度，另外，外置光源通过光纤跳线，可以放置在印刷电路板PCB的边缘位置，降低了PCB布局设计难度，包括外置光源的TEC电流控制电路，偏置电流驱动电路和SOA电流驱动电路； [0035] 3、本发明采用高精度可调偏置电极电压控制电路，对硅光硅光收发芯片的光调制器的进行精确相位调制，匹配DSP芯片输出的50GNRZ高速信号的频率抖动，达到最佳调制效果。附图说明 [0036] 图1是现有技术中50G PON的光通信系统示意图； [0037] 图2是本发明一种硅光收发芯片的50GPON光通信系统示意图； [0038] 图3是本发明中涉及DSP芯片结构示意图； [0039] 图4是本发明中涉及硅光收发芯片结构示意图； [0040] 图5是本发明中涉及TIA芯片结构示意图。具体实施方式 [0041] 下面结合附图2～图5对本发明做出详细说明： [0042] 如图2所示，本发明提供一种硅光收发芯片的50GPON光网络通信系统；该系统利用无源光网络PON。所述系统包含具有配置成用于时分波分检测的下行传输器和上行接收器系统的光线路终端100。所述系统进一步包含与所述可操作通信的分离器200，和与所述分离器可操作通信的多个光网络单元300。 [0043] 所述光线路终端OLT包括：第一DSP芯片，第一硅光收发芯片，第一外置光源，第一TIA芯片和第一复用器，其中：所述第一DSP芯片输出端与所述第一硅光收发芯片连接；所述第一硅光收发芯片输出端与所述第一复用器连接；所述第一复用器输出端与所述第一硅光收发芯片连接；所述第一硅光收发芯片与所述第一TIA芯片；所述第一TIA芯片输出端与所述第一DSP芯片连接；其中：所述第一硅光收发芯片与所述第一复用器分别通过光纤阵列FA耦合与外置电源连接。 [0044] 每个所述光网络单元包括：第二DSP芯片，第二硅光收发芯片，第二外置光源，第二TIA芯片和第二复用器，其中：所述第二DSP芯片输出端与所述第二硅光收发芯片连接；所述第二硅光收发芯片输出端与所述第二复用器连接；所述第二复用器输出端与所述第二硅光收发芯片连接；所述第二硅光收发芯片与所述第二TIA芯片；所述第二TIA芯片输出端与所述第二DSP芯片连接；其中：所述第二硅光收发芯片与所述第二复用器分别通过光纤阵列FA耦合与外置电源连接。其中： [0045] 第一DSP芯片和第二DSP芯片均包括：PCS编码单元和PCS解码单元； [0046] 所述PCS编码单元对金手指光模块输入的两路25GNRZ电信号通过预加算法获得一路50GNRZ的电信号输出给第一DSP芯片或所述第二DSP芯片；所述PCS解码单元将第一TIA芯片和第二TIA芯片输入25GNRZ电信号进行时钟数据恢复均衡处理的25GNRZ电信号输出给金手指光模块。 [0047] 所述PCS编码单元将光模块金手指输入的两路25G NRZ电信号合成一路50G NRZ的电信号(Gearbox功能)，再输出到硅光收发芯片的发射端，同时PCS解码单元接收TIA芯片输入的一路25G NRZ电信号，经过DSP芯片内部的时钟数据恢复等操作，输出一路25G NRZ电信号到光模块的金手指，如图3所示； [0048] 第一DSP芯片、第二第二DSP提供对电信号进行预加重和均衡等可调算法，对输入输出的电信号进行整形，匹配实际电路以达到更好的信号质量。 [0049] 所有的差分信号对都要进行电路阻抗匹配仿真，良好的阻抗匹配可以降低第一DSP芯片、第二DSP芯片的算法预算。 [0050] 硅光收发芯片功能块的说明： [0051] 所述第一硅光收发芯片与所述第二硅光收发芯片均包括：第一耦合单元、光相位调制单元、光电探测单元、光滤波单元和第二耦合单元；其中： [0052] 所述第一耦合单元将硅基波导与光纤不同光模斑进行耦合输出FA耦合光波[0053] 所述光位调制单元将耦合光波进行相位调整后的第一光信号输入给所述光滤波单元； [0054] 所述光滤波单元将第一光信号和第二耦合单元输出的FA耦合光波按照不同波长进行分离后的第二光信号输入光探测单元； [0055] 所述光电探测单元将第二光信号处理后的高速电信号输入给所述第一TIA芯片或第二TIA芯片。其中： [0056] 本发明的第一硅光收发芯片、第二硅光收发芯片均具有光相位调制器、硅基雪崩光电探测器、硅基光波分复用滤波器和低损耗耦合器，如图四所示： [0057] 光相位调制单元是基于硅基铌酸锂LiNbO3电光调制器，片上集成马赫曾德干涉仪MZI，对入射光进行相位调制，输出带调制的光信号，具有高调制速率、低啁啾、低波长依赖度的优点。对于50G PON光模块下行方向50Gbps的超高速调制速率及1342nm特殊波长要求，铌酸锂LiNbO3电光调制器有明显的性能优势。光调制单元需要外部提供高精度可调偏置电极电压控制电路，对其两侧设置金属电极以施加调制电场，并利用推挽电极在LiNbO3波导中实现更低偏压相位调制；光电探测单元采用硅基雪崩光电探测器APD，硅基雪崩光电探测器APD为片上集成的波导型锗硅Ge/Si光电探测器，将入射高速光信号转化为高速电信号，具有高灵敏度、高响应度、大带宽的优点。硅基雪崩光电探测器APD 光探测器需要外部提供低噪声可调高压控制电路，实现雪崩光电探测器工作在最佳灵敏度； [0058] 光滤波器单元采用硅基光波分复用滤波器，所述硅基光波分复用滤波器为片上集成的波导光栅结构的无源硅基滤波器，对光栅内满足特定的布拉格条件的波长进行反射或透射，实现发射端和接收端两路不同波长光信号的分离，具有低插入损耗、低通道串扰的优点。 [0059] 所述第一耦合单元、第二耦合单元采用低损耗耦合器为逆锥形波导耦合器结构，实现将硅基波导与光纤不同大小的光模斑进行耦合，具有耦合效率高、工艺简单、容差高的优点。 [0060] 所述外置供电单元包括：第一电流控制电路用于控制半导体制冷器TEC提供稳定波长；第二电流控制电路用于调制可调偏置器和可调光大器的电流提供高光信号。本发明中硅光收发芯片使用马赫曾德调制MZM，是一种外调制方式，需要外置分布式反馈激光器DFB作为光载波，光载波进入调制器，高速信号以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从而完成信号调制，如图4所示。本发明涉及外置光源有两点要求，一是波长稳定，二是高光功率。波长稳定需要外部提供半导体制冷器TEC电流控制电路，使激光管工作在稳定的温度，实现波长稳定。高光功率需要外部提供可调偏置电流和可调光大器SOA电流控制电路，实现输出合适的高光功率到硅光收发芯片中的光调制器。 [0061] 本发明TIA芯片主要包含跨阻放大器TIA、分相器和差分驱动输出，如图5所示。对从雪崩光电探测器APD输出的微弱电流信号放大成电压信号，同时将电压信号分相成差分信号输出。TIA芯片的主要参数指标包括工作带宽、增益、输入噪声等。 [0062] 尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

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