CN203387513U - 一种吉比特无源光网络用光节点光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种吉比特无源光网络用光节点光模块，包括激光发射器、内置光电二极管的激光探测器和集成激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器于一体的三合一集成芯片。其中，三合一集成芯片分别与激光发射器和激光探测器连接。激光发射器和激光探测器分别通过光纤与光模块壳体上设置的光接口相连接。本实用新型采用三合一集成芯片，提高了光模块的集成度，减少了其***器件，为光模块的日益小型化提供了更多的布线空间。同时本实用新型对升压电路进行简化，在满足光模块的发射、接收、数字诊断三大功能要求的前提下，更进一步地简化了光模块的结构，从而使本实用新型的生产成本大大降低，利于批量生产。

Description

一种吉比特无源光网络用光节点光模块

技术领域

本实用新型涉及属于光通信技术领域，具体涉及一种吉比特无源光网络用光节点光模块。

背景技术

随着互联网的飞速发展，人们对网络资源的需求急速增长，对互联网提供的服务趋向多元化，而这一切的实现都需要高速的光网络作为载体。目前高速光网络的建设已成为国家意志，三网融合成为大势所趋，其为用户提供崭新的互动娱乐方式和生活体验,为企业、商户提供全面的服务。

随着光纤到户、小区的大规模部署和越发成熟的光网络建设，各大设备商，原料商，器件商逐鹿光通信产业，加剧了FTTH（Fiber To The Home，光纤到户）产业链的商业化技术性竞争。作为光纤通信***的核心部件——光模块，在当前世界范围内对其的海量需求，也使得光模块的成本控制在整个光模块的研发生产过程中显得尤为重要。

具有数字诊断功能的ONU（Optical Network Unit，光节点）光模块是近年来市场上的主流产品，其内部硬件设计多采用发射和接收一体的芯片搭配低成本单片机来实现智能监控诊断功能。目前这种方案日趋成熟，各模块厂商之间产品性能质量极为接近，价格战愈演愈烈。这种多芯片方案引入了更多的引脚走线，增加了PCB板的信号层数，增加了成本，也为布线带来困难。

同时由于通用型单片机并非专为光模块所设计，其与发射接收一体芯片之间的软硬件配合在应对不同应用环境时经常出现误动作等问题，为今后的海量应用埋下隐患。

基于以上原因，如何能够以极低的硬件成本实现光模块对数字诊断功能的支持，以满足电信运营商、通信设备商大幅降低光模块成本的需求，是广大光模块开发商亟待解决的主要问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供了一种吉比特无源光网络用光节点光模块，其能在满足光模块所要求具备的基本功能的同时，简化电路结构，大幅降低硬件成本。

根据本实用新型的实施例，提供了一种吉比特无源光网络用光节点光模块（以下简称GPON ONU光模块），包括激光发射器和内置光电二极管的激光探测器，以及

集成激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器于一体的三合一集成芯片，所述三合一集成芯片分别与所述激光发射器和所述激光探测器连接；

所述激光发射器和所述激光探测器分别通过光纤与光模块壳体上设置的光接口相连接。

优选地，所述激光探测器内的光电二极管为雪崩光电二极管；以及

所述光模块内部还设有为所述雪崩光电二极管提供高压的升压电路；所述升压电路的输入端与所述光模块的电源电压连接，其输出端与所述激光探测器中的雪崩光电二极管连接。

其中，所述升压电路为由开关、电感、二极管和电容组成的开关直流升压电路，所述开关直流升压电路中的开关为金氧半场效晶体管；其中，

所述金氧半场效晶体管的源极与所述雪崩光电二极管连接，其栅极与所述三合一集成芯片连接，其漏极接地。

优选地，所述开关直流升压电路中的二极管为整流二极管。

进一步地，所述光模块还包括：

镜像电流源，其输入端与所述激光探测器内的光电二极管连接，其输出端与所述三合一集成芯片的数据接口连接。

更进一步地，所述光模块还包括：设置于所述三合一集合芯片外部的存储器，所述存储器与所述三合一集合芯片总线连接。

其中，所述存储器为EEPROM，通过I²C总线与所述三合一集合芯片连接。

所述光模块壳体上设置的光接口为插拔型接口或尾纤型接口。

其中，所述尾纤型接口为SC接口、ST接口或FC接口中的任意一种。

优选地，所述光模块采用SFF或者SFP的封装形式进行封装。

由上述技术方案可知，本实用新型中的GPON ONU光模块，其三合一芯片设计方案集成度高，***器件使用少，为日益小型化的光模块提供了更多的布线空间。同时本实用新型对为雪崩光电二极管提供高压的升压电路进行简化，从而在满足GPON ONU光模块的发射、接收、数字诊断三大功能要求的前提下，进一步简化了GPON ONU光模块的结构，从而使GPONONU光模块的生产成本降低，利于批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1示出了传统GPON ONU光模块的电路图；

图2示出了本实用新型中GPON ONU光模块的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本实用新型进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。

在传统吉比特无源光网络的光节点光模块（GPON ONU光模块）的电路设计中，通常都是采用双芯片的闭环设计方案。图1示出了传统GPON ONU光模块的电路图。参见图1，双芯片指集成有激光驱动器和限幅放大器的收发一体芯片U1。其中，收发一体芯片U1、具有一定数据存储容量的通用型单片机MCU、升压电路101和激光器BOSA（集成激光发射器102和光电探测器103）构成闭环控制回路，实现光模块对数字诊断功能的支持。

在图1所示闭环控制回路中，在发射端，激光器BOSA中的激光发射器102内集成有发光二极管和背光检测二极管，收发一体芯片U1通过向激光发射器102输入偏置电流Ibias和调制电流Imod来驱动激光发射器102中的发光二极管发光，以实现将用户发送的数据转换为光信号通过光纤传送至局端。激光发射器102中的背光检测二极管与收发一体芯片U1电连接。背光检测二极管根据发光二极管的发光强度产生相应的背光电流Impd，并将背光电流Impd发送至收发一体芯片U1，收发一体芯片U1根据背光电流Impd调节偏置电流Ibias，以使检测到的偏置电流Ibias能够与其内部预先设置的参考电流相当，从而提供恒定的光输出功率。

在接收端，为满足GPON ONU光模块高速、高灵敏度的需求，光电探测器103中的接收二极管多采用雪崩型光电二极管（APD）。升压电路101与电源电压连接，用于将+3.3V电压转换成APD需要的35V～55V的高压以保证APD正常工作。其中，升压电路101包括升压芯片和倍压整流电路。由于升压芯片体积较小，散热较差，从而限制升压芯片不能承受较大的工作电流，因此需要倍压整流电路对其输出的交流信号进行整流并二倍压。同时在电压的输出端，还需要对输出电压进行电压采集，由单片机对采集电压进行控制，以保证输出电压的稳定。

在接收光功率监控方面，光电接收器APD通过其内部的光敏二极管接收经光纤输入的光信号，进而产生与之对应的响应电流Ipd，通过镜像电流源产生该电流的镜像电流Ipd’，镜像电流Ipd’经接收电流采集电路传输至单片机，实现对连续模式下平均接收光功率的监控校准。

由图1所示的双芯片闭环电路设计方案可以清楚地看出：传统的GPONONU光模块电路结构复杂，需要考虑单片机和收发一体芯片之间软硬件的配合，升压电路101布线，因此使得GPON ONU光模块中不仅PCB布线复杂、硬件成本高，而且可选用的单片机型号较少，模块工作的稳定性差。

为了解决传统GPON ONU光模块电路所存在的上述缺陷，本实施例提出了一种采用三合一集成芯片设计的GPON ONU光模块电路，以达到简化电路设计、降低硬件成本的目的。下面通过具体的实施例来详细阐述本实用新型中GPON ONU光模块电路的组建结构及其工作原理。

图2示出了本实用新型中GPON ONU光模块的电路图。如图2所示，吉比特无源光网络用光节点光模块包括激光发射器201和内置光电二极管的激光探测器202和集成激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器于一体的三合一集成芯片203。其中，

三合一集成芯片203分别与激光发射器201和激光探测器202连接；激光发射器201和激光探测器202分别通过光纤与光模块壳体上设置的光接口相连接。优选地，本实施例中所述的激光发射器201采用DFB型激光发射器201。

本实施例中，激光探测器202内的光电二极管为雪崩光电二极管，相应地，光模块内部还设有为雪崩光电二极管提供高压的升压电路204。升压电路204的输入端与光模块的电源电压连接，其输出端与激光探测器202中的雪崩光电二极管连接，用于为雪崩光电二极管提供能够正常工作的高压。

优选地，本实施例中采用由开关、电感L1、二极管D1和电容C1组成的开关直流升压电路204。开关直流升压电路204中，开关为金氧半场效晶体管（MOSFET），二极管D1为整流二极管。其中，金氧半场效晶体管的源极(S)与雪崩光电二极管连接，其栅极（G）与三合一集成芯片203连接，其漏极（D）接地。由于开关直流升压电路204为本技术领域的公知技术，此处对其工作原理不再进行详细阐述。与现有GPON ONU光模块中的升压电路相比，本实施例中的升压电路更加简化。

进一步地，本实用新型中的光模块还包括：

镜像电流源205，其输入端与激光探测器202内的雪崩光电二极管连接，其输出端通过RSSI与三合一集成芯片203的数据接口连接。镜像电流源205用于根据雪崩光电二极管产生的响应电流Ipd得到响应电流的镜像电流Ipd’,并将镜像电流Ipd’发送给三合一集成芯片203。

更进一步，本实施例中的光模块还包括：设置于三合一集合芯片外部的EEPROM存储器206，EEPROM存储器206通过I²C总线与三合一集合芯片连接，本实施例中，I²C总线包括数据线SDA和时钟线SCL两根双向信号线。

下面对本实施例中GPON ONU光模块的工作原理进行详细阐述。

本实用新型中，GPON ONU光模块将激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器MCU内核集成在一颗三合一集成芯片203中，配合激光探测器202和激光发射器201，采用开环控制方式组建光模块电路。三合一集成芯片203中，微控制器MCU与激光驱动电路、限幅放大电路通信，以实现对激光器驱动电路和限幅放大电路的控制和配置，同时读取需要的监控量，用于实现光模块的监控功能。此外，在三合一集成芯片203中还可以进一步集成ADC、DAC、主从I²C控制器、温度传感器、电压参考源和振荡器等功能单元，以简化***电路的设计。

在发射端，当用户需要发送数据时，三合一集成芯片203中的激光驱动器首先产生偏置电流Ibias，作用于激光发射器201中的发光二极管，驱动发光二极管发光。与此同时，用户发出的数据信号输入到激光驱动器，进而生成调制电流Imod调制到偏置电流Ibias上，通过控制激光发射器201中发光二极管的导通程度来改变激光的发光强弱，进而将数据信号转变成光信号，通过光纤线缆传送至局端。

本实用新型中，利用光功率补偿查表的方法来补偿光功率随温度变化而产生的变化，即：根据DFB激光发射器201的特点，随着温度的升高阈值电流增大的特点，对阈值电流进行补偿，从而使得光功率在高低温的环境下都能保持恒定。从而避免了自动功率控制回路APC LOOP的使用，简化了电路结构。不仅如此，采用单芯片的设计方案，在选择激光发射器201时，可以采用仅封装有发光二极管而无背光检测二极管的激光器元件进行电路设计，从而可以达到进一步降低硬件成本的目的。

采用三合一集成芯片203，芯片内部的MCU可对激光驱动电路进行直接控制，与传统双芯片中MCU与激光驱动器通过模拟I²C接口进行通信的方法相比，本实用新型具有更加快速控制响应的特点。同时MCU还可根据实时监控的收发模块的温度、供电电压和激光偏置电流的不同情况来对激光驱动电路进行及时的控制，以保证光模块的无故障运行。

在光信号的接收方面，激光探测器202通过其内部的雪崩光电二极管接收通过光纤输入的光信号，并将光信号转换成电信号后，通过其差分数据输出端OUT、-OUT输出。

在接收光功率监控方面，激光探测器202通过其内部的雪崩光电二极管接收通过光纤输入的光信号，进而产生与之对应的响应电流Ipd。镜像电流源205根据该电流镜像出镜像电流Ipd’，并将镜像电流Ipd’通过RSSI传输至三合一集成芯片203中，进而通过三合一集成芯片203内置的模数转换器ADC转换成数字以提供给MCU，从而实现对连续模式下平均接收光功率的监控校准。

在三合一集成芯片203的***配置大容量的存储器，本实施例以EEPROM存储器为例进行说明。其中，EEPROM存储器206的容量可根据需要进行具体选择。优选地，本实施例中，EEPROM存储器206采用I²C总线的方式与三合一集成芯片203进行通信。在EEPROM存储器206内部划分有程序存储区和数据存储区，三合一集成芯片203中的微处理器MCU通过I²C总线从EEPROM存储器206内上载程序和传输数据，即通过一颗三合一集成芯片203和一个EEPROM芯片，实现了光模块的发射、接收、数字诊断等全部功能，电路结构极为简单。

本实施例的吉比特无源光网络用光节点光模块采用插拔型接口或尾纤型接口，将外部光纤线缆***到光模块的插拔型或尾纤型光接口中，便可实现光模块与外部光纤线缆的连接。其中，尾纤型接口可采用SC接口、ST接口或FC接口中的任意一种。具体地，本实用新型中的吉比特无源光网络用光节点光模块可采用SFF或者SFP的封装形式。

由以上技术可知，本实施例所提出的GPON ONU光模块三合一芯片设计方案集成度高，***器件使用少，为日益小型化的光模块提供了更多的布线空间。同时本实用新型对为雪崩光电二极管提供高压的升压电路204进行简化，从而在满足GPON ONU光模块的发射、接收、数字诊断三大功能要求的前提下，进一步简化了GPON ONU光模块的结构，从而使GPONONU光模块的生产成本降低，利于大批量生产。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非用于限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种吉比特无源光网络用光节点光模块，包括激光发射器和内置光电二极管的激光探测器，其特征在于，还包括：

集成激光驱动电路、限幅放大电路和微处理器于一体的三合一集成芯片，所述三合一集成芯片分别与所述激光发射器和所述激光探测器连接；

所述激光发射器和所述激光探测器分别通过光纤与光模块壳体上设置的光接口相连接。

2.根据权利要求1所述的光节点光模块，其特征在于，所述激光探测器内的光电二极管为雪崩光电二极管；以及

所述光模块内部还设有为所述雪崩光电二极管提供高压的升压电路；所述升压电路的输入端与所述光模块的电源电压连接，其输出端与所述激光探测器中的雪崩光电二极管连接。

3.根据权利要求2所述的光节点光模块，其特征在于，所述升压电路为由开关、电感、二极管和电容组成的开关直流升压电路，所述开关直流升压电路中的开关为金氧半场效晶体管；其中，

所述金氧半场效晶体管的源极与所述雪崩光电二极管连接，其栅极与所述三合一集成芯片连接，其漏极接地。

4.根据权利要求3所述的光节点光模块，其特征在于，所述开关直流升压电路中的二极管为整流二极管。

5.根据权利要求1或2所述的光节点光模块，其特征在于，还包括：

镜像电流源，其输入端与所述激光探测器内的光电二极管连接，其输出端与所述三合一集成芯片的数据接口连接。

6.根据权利要求5所述的光节点光模块，其特征在于，还包括：设置于所述三合一集合芯片外部的存储器，所述存储器与所述三合一集合芯片总线连接。

7.根据权利要求6所述的光节点光模块，其特征在于，所述存储器为EEPROM，通过I²C总线与所述三合一集合芯片连接。

8.根据权利要求1所述的光节点光模块，其特征在于，所述光模块壳体上设置的光接口为插拔型接口或尾纤型接口。

9.根据权利要求8所述的光节点光模块，其特征在于，所述尾纤型接口为SC接口、ST接口或FC接口中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的光节点光模块，其特征在于，所述光模块采用SFF或者SFP的封装形式进行封装。

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