基于SOA光开关的突发式超长距离光纤保护器

具体实施方式

本发明位于PON系统的OLT和ODN之间。如图1所示，本发明包括光线路终端接口、光分支器、SOA光开关、主干光纤接口，它们顺次相接。光分支器还和光探测器、控制逻辑电路依次相连。控制逻辑电路也和SOA光开关相连。

本发明的器件连接图如图2所示。外接OLT的光线路终端接口，可以为SC/PC型。SC是日本ntt公司开发的矩形嵌入式塑料外壳接头，PC表示回波损耗值≥40db。主干光纤接口包括主用光接口和备用光接口，接口类型为SC/APC，APC表示回波损耗值≥60db。主干光纤接口通过两根主干光纤以2：N的ODN网络连接用户端ONU设备，N为自然数。

光探测器包括主用光探测器PD1和备用光探测器PD2。SOA(半导体光放大器)光开关包括主用SOA光开关SOA1和备用SOA光开关SOA2。光线路终端接口通过第一波分复用器WDM1和光分支器相连，主用SOA光开关通过第二波分复用器WDM2和主用光接口相连，备用SOA光开关通过第三波分复用器WDM3和备用光接口相连。主用SOA光开关SOA1两端分别接有主用光接口和主用光探测器PD1；备用SOA光开关SOA2两端分别接有备用光接口和备用光探测器PD2。

SOA光开关实现光信号的放大与光路的开关，选用的SOA模块采用光子集成技术将两路SOA(上行1310nm放大，下行1490nm放大)集成在一个蝶形封装的模块里面，模块耦合封装了4个光纤接口实现上下行信号的接入。

每个SOA光开关都接有驱动电路和温控电路。主用SOA光开关SOA1接有驱动电路1和温控电路1，备用SOA光开关SOA2接有驱动电路2和温控电路2。SOA的通断通过控制SOA的驱动电路实现。各驱动电路分别接至控制逻辑电路的相应控制端，驱动电路1接至控制逻辑电路的开关控制1端，驱动电路2接至控制逻辑电路的开关控制2端。SOA是阈值器件，为获得较快的调制速率、降低调制电流，应该给SOA加上一个直流偏置。选择直流预偏置电流考虑儿个方面：1、加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以减小电光延迟时间，还可以抑制张驰振荡，当SOA偏置电流在阈值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲，这样可以减小码型效应和结发热效应。2、偏置电流也不能过大，由于SOA本身存在一定自发辐射噪声(ASE)输出，会使经SOA后输出的光信号消光比恶化，降低光开关的性能指标。

SOA驱动电路能对控制逻辑电路输出的控制信号和外置拨码开关设置的参考电平信号进行转换，最终换成电流信号加载到SOA上从而形成光信号放大输出。外置的拨码开关设置驱动电路注入SOA的直流偏置和交流调制电流的大小，以实现对SOA光信号增益的调制。如图6所示，驱动电路接受控制信号和参考电平拨码设置的输入，经过电平转换后接至电流开关驱动电路，通过该电路控制调制电流(I_s)的通断。调制电流和直流偏置电流(I_o)分别由调制恒流源和偏置恒流源提供，二电流汇集成总电流(I_total)供发光二极管发光，以控制SOA驱动电路。因此，三种电流的关系为I_total＝I_o+I_s。调制恒流源受调制电流控制电路的控制，偏置恒流源受偏置电流控制电路的控制。外置的拨码开关设置驱动电路注入SOA的直流偏置和交流调制电流的大小以实现对SOA光信号增益的调制

如图7所示，温控电路可保证SOA工作在恒定的温度下。温控电路包括电桥电路、积分放大电路、加法器、绝对值电路、温控芯片和SOA制冷器，它们依次相连。温控芯片还外接电流检测器。电桥电路包括两臂，一臂包含阻值为R的电阻、热敏电阻R_c，另一臂也包含一个阻值为R的电阻和反馈电阻R_f。温控电路利用SOA内部的热敏电阻构成反馈电路电桥的一臂，这样当SOA工作导致温度变化时，热敏电阻R_c的阻值相应的发生变化，电桥两臂产生电压差，通过积分放大电路实现电压差放大，将这个参考电压差提供给温控芯片，进而相应的调整SOA制冷器中的去除热电制冷器电路(TEC)中的电流，从而实现对激光器工作温度的控制和实时监测。

本发明的SOA控制电路，可以针对工程应用中不同的传输距离和分支比要求，通过控制逻辑电路输出的开关控制信号，经驱动电路控制单元的电平转换，控制着驱动电路的交流调制电流输出与否，控制光信号的通过与关断。

SOA光开关可选-48V直流或者220V交流供电，对外输出5V或3.3V直流电压。光接口有指示灯指示光路状态，并有外部拨码开关根据工程应用情况调节SOA的增益等参数。本发明可选用的SOA光开关的参数为：上行SOA器件的最大偏置电电流为200mA，光信号最大增益为20dB，饱和输出功率为0dBm，噪声指数为7dB，增益平坦度为3dB，偏振相关增益小于1dB。下行SOA器件的最大偏置电电流为450mA，光信号最大增益为13dB，饱和输出功率为13dBm，噪声指数为7dB，增益平坦度为3dB，偏振相关增益小于1dB。

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一一分二光分路器splitter1(分光比1:2)，它的两个输出端分别接至主用SOA光开关SOA1和备用SOA光开关SOA2的下行输入端口。上行光分支器包括二合一光分路器splitter0(分光比2:1)、第二一分二光分路器splitter2(分光比1:2)和第三一分二光分路器splitter3(分光比1:2)。第二一分二光分路器splitter2的输入端接至主用SOA光开关SOA1的上行输出端，第二一分二光分路器splitter2的两个输出端分别接至二合一光分路器splitterO的一个输入端和主用光探测器PD1。第三一分二光分路器splitter3的输入端接至备用SOA光开关SOA2的上行输出端，第三一分二光分路器splitter3的两个输出端分别接至二合一光分路器splitter0的另一个输入端和备用光探测器PD2。

OLT光接口通过内部的1310/1490波段WDM1器件分成1310nm、1490nm光信号光路：1490nm下行光路通过下行光分支器(splitter1)接两路SOA模块的1490nm输入端；经过SOA模块的放大的1310nm上行光信号，首先通过1个1：2分支器(splitter2或splitter3)分为两路，其中一路接PD探测器(PD1或PD2)用于信号探测，另一路再接1个2:1分支器(splitter0)的分支端，该分支器的总端接WDM1器件的1310nm输入端。

由图4的光探测电路示意图。光探测电路通过光电二极管PD接收光信号，其可采用同轴封装的1310nm PIN接收组件，典型接收灵敏度<-40dBm，带宽要求很低。光电二极管PD的阴极接外接5V电源VCC，其阳极接至采样电阻R1，还和反馈放大器A的反向端相连。采样电阻R1的另一端接地。反馈放大器A的同向端通过电阻R2接地。反馈放大器A的输出端反馈接至反向输入端，还接至三极管T的基极。三极管T的集电极输出电压信号V_los，还通过电阻R4接至3.3V外接电源。三极管T的基极和集电极间还接有电阻R3。三极管T的发射极接地。

要实现突发信号的检测，首先要清楚PON协议规定的注册过程。以EPON技术为例，多点控制协议(MPCP)的原理为：OLT在下行广播通道，按照固定的周期开启发现窗口。ONU上电后等到来自OLT的门(Gate)消息，就向OLT发送应答帧，然后由OLT控制开启注册过程，只有在OLT授权的时间窗口内，ONU才被允许发送光功率。ONU的上行光信号首先通过SOA模块(SOA1或SOA2)放大输出后，通过1:2的分路器(splitter2或splitter3)再接PD探测器(PD1或PD2)。PD探测器将光信号转换为光电流，电流通过采样电阻R1转换为电压信号。考虑到OLT的接收灵敏度一般为-28dBm左右，当接收光功率过低时，系统会表现出BER告警、FER告警以及ONU经常掉线等不稳定现象，因此在PD探测时采样电阻R1可以调整到-31dBm(1:2分支器的插损为3dBm)时，取样电压为0.7V，当光功率小于临界值(-31dBm)时三极管T截至，探测电路没有脉冲信号输出，当光功率大于临界值时三极管T饱和导通，有LVTTL电平的反脉冲信号输出(有光时为0，无光时为1)。用示波器测试可以看到，在0.5ms左右的固定周期里能够探测到多个脉冲信号。要注意的是ONU只有收到了OLT的Gate消息，才会向OLT发送应答信号，因此如果PD探测不到光信号，就可以判断光路有问题。综上所述，光探测器通过运放电路1或运放电路2将相应光路的状态信息通过电压信号V_los传送至控制逻辑电路。图3中最上面的逻辑层示意图、中间的光功率层示意图、最下面的时序示意图相互对应，清楚的反应了本发明实现突发信号检测的原理。逻辑层上，空闲传输时间(无传输)和数据帧相交替。空闲传输时间(时序图中3.3V高电平)对应光功率层的功率上升、下降或无光，数据帧(时序图中0V低电平)对应物理媒介相关子层(PMD)稳定区间。

如图5所示，控制逻辑电路可使用复杂可编程逻辑器件(CPLD)。ONU上报的光信号由同步信息和数据帧组成，EPON规定的协议突发时间不小于512ns。协议突发时间包括同步时间和变长协议数据单元(PDU)帧长。同步时间又包括光通断时间(Laser_on/off)和建立时间(settling time)。GPON的协议突发时间比EPON严格，为不小于64ns，最小数据帧或者PDU消息帧的长度为64字节，如果按照1Gbps的速率，则ONU上行光信号的持续时间不小于0.5μs。CPLD根据10MHz的参考频率，定时每0.5μs(或更快的频率)采样一次两路光探测器输出的LOS脉冲信号。CPLD内部设置多位计数器，采样时如果是低电平(有光)则计数器加1，并定时每隔2ms对计数器清零。CPLD还每隔1ms判断比较两路探测信号的计数器的状态。CPLD根据判断结果控制SOA光开关打开与关断，实现光纤的自动保护倒换：如果判断主用线路故障，则倒换到备用线路，反之依然；如果两路都探测不到信号，则CPLD控制逻辑会每隔2s依次轮换打开两路SOA光开关，探测光信号，一直到探测到其中一路有光信号上报。由于对主干光纤保护倒换的判断比较简单，基本上只判断ONU上报的光功率信号，所以保护倒换和恢复的时间很短，设计<3ms，实际测试倒换时间为2.8ms。总之，CPLD控制逻辑电路输出的开关控制信号，经过驱动电路控制单元的电平转换，控制着驱动电路的交流调制电流输出与否，控制光信号的通过与关断。