专利名称：基于soa光开关的突发式超长距离光纤保护器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光接入网技术领域，特别是涉及一种用于实现无源光网络的主干光纤冗余保 护以及增大其传输距离和分支比的光路设备。
背景技术：
近年来以太网无源光网络(EP0N) /吉比特无源光网络(GP0N)做为新一代的无源光网络 (PON)技术已经逐步成熟并得到迅速应用，PON技术已成为光接入网的主流技术。无源光网 络是在点到多点的光网络拓扑上实现综合业务的接入。通常情况下，PON系统由光线路终端 (OLT)和光网络单元(0NU),以及位于0LT和ONU之间的无源光分配网络(0DN)构成。
EP0N/GP0N的线路速率都是千兆级的，10Gbps的EP0N/GP0N技术也正在发展中，可供利 用的带宽资源大大提高，这使得运营商对PON技术投资获得的可收益带宽大幅度增加。但成 本效益因素、网络可靠性等仍然是PON应用中的一大障碍。
一方面，P0N技术规定的最大传输距离是20km，最大分支比为1: 32 (HP0N)或1: 64 (GP0N)， 这在专网巾场以及农村地区的推广中很难满足要求。考虑成本效益因素，有必要发明一种光 路设备放大光路信号，扩展PON的覆盖范围。另一方面，由于PON采用的是点到多点的树形 拓扑结构，0LT与0DN之间通过一根光纤连接远端的多个0NU设备， 一旦主干光纤故障，所 有的ONU都将失去通信能力。为了提高网络可靠性和生存性，中国电信(CTC)对PON设备的 技术要求中，规定了主干光纤冗余保护、0LT P0N 口冗余保护、全保护等保护模式，但是如 果0LT和0NU设备开发时没有设计保护功能，则必须通过外加设备才能实现。
而传统的光纤线路保护器只能对传输连续波信号的光纤链路保护，无法在P0N网络中应 用；而且基于微机电(MEMS)光开关、波导光开关等技术设计的光纤线路保护器也无法实现 光路信号的放大，无法提高PON的覆盖范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于S0A光开关的突发式超长距离光纤保护器。 该光纤保护器能兼容所有P0N系统，扩大P0N的传输距离和分支比，能实现P0N网络的自动 光纤保护倒换。
本发明所采用的技术方案是本发明包括光线路终端接口、光分支器、S0A光开关、主千 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S0A光开关相连。
本发明的优点本发明利用半导体光放大器(S0A)对协议透明，放大波长覆盖S、 C、 L 波段，纳秒级的开关速度等特性，设计的适用于突发模式的PON系统的光纤线路保护器，不 但可以实现无插损的冗余，还可以大大延长P0N的传输距离。现在光子器件的集成度和可靠 性已经大大提高，单片光子集成电路(PIC)可以集成多路SOA和无源光器件，采用P工C器件 设计从成本和可靠性方面都能够满足要求。本发明设计的突发式超长距离光纤保护器，兼容
各种协议的PON系统，支持正在发展中的10Gbps ETON/GP0N，最大支持50km的传输距离和 128路分支比，支持自动光纤保护倒换，最大保护倒换时间〈3ms，可以大大提高TON网络的 可靠性和成本优势。本发明为P0N系统提供一种协议透明，安全可靠，故障恢复快速的光纤 线路保护解决方案，当P0N主千光纤线路断路或损耗变大导致时，能够在极短时间内自动完 成光纤线路倒换，从而大大提高了 PON系统的稳定性。本发明维护非常简单，能够为开发商 提供很好的投资收益率。本发明设备提供一个PON接口和两个主干光纤接口，支持i + l、丄 l主干光纤冗余保护，支持自动光纤保护倒换模式。
图l是本发明的结构框图。
图2是本发明的器件连接图。
图3是本发明光探测部分信号状态示意图。
图4是本发明光探测部分电路示意图。
图5是本发明控制逻辑电路示意图。
图6是本发明S0A光开关的驱动电路示意图。
图7是本发明SOA光开关的温控电路示意图。
具体实施例方式
本发明位于P0N系统的0LT和0DN之间。如图1所示，本发明包括光线路终端接口、光 分支器、S0A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S0A光开关相连。
本发明的器件连接图如图2所示。外接0LT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0DN网络连接用户端0NU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。 S0A (半导体光放大器)光开关包 括主用S0A光开关S0A1和备用S0A光开关S0A2。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S0A光开关通过第二波分复用器WDM2和主用光接n相连，备用S0A光 开关通过第三波分复用器W画3和备用光接口相连。主用S0A光开关S0A1两端分别接有主用 光接n和主用光探测器PD1;备用S0A光开关S0A2两端分别接有备用光接口和备用光探测器 PD2。
S0A光开关实现光信号的放大与光路的开关，选用的S0A模块X用光子集成技术将两路 S0A (上行1310mn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S0A1接有驱动电路1和温 控电路1，备用SOA光开关S0A2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l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S0A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S0A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S0A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。
S0A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(Is)的通断。调制电流和直流偏置电流(1。)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(It。，al)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T,, = I。 + TS。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S0A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Re,另一臂也包含一 个阻值为R的电阻和反馈电阻R,。温控电路利用S0A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Re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S0A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。
S0A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S0A的增益等参数。本发明 可选用的S0A光开关的参数为上行S0A器件的最大偏置电电流为200raA，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ldB。 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),它的两个输出端分别接至主用S0A光开关S0A1和备用S0A光开关 S0A2的下行输入端口。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的输入端接至主用S0A光开关S0A1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印litter0的一个输入端和主用 光探测器PD1。第二一分二光分路器splitter3的输入端接至备用S0A光开关S0A2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邓litter0的 另一个输入端和备用光探测器PD2。
0LT光接口通过内部的1310/1490波段WDM1器件分成1310nra、 1490nm光信号光路1490nm 下行光路通过下行光分支器(splitterl)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l个l: 2分支器(splitter2或spiit,ter3)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(splitterO) 的分支端，该分支器的总端接TOM1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1310nmPIN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 Rl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Vy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(MK'P)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(S0A1或S0A2)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，电流通过釆样电阻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Rl可以调整到-31dBm U:2分支器的插损为3dBm)时，取样电压为O. 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l)。用示波器测试可以看到，在0.5ras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,。,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OV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)。 GP0N的协议突发时间比EP0N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0MJ上行光信号的持续时间不小于 0.5^。 CPLD根据10MHz的参考频率，定时每0.5^ (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lms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S0A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。
权利要求
1. 基于SOA光开关的突发式超长距离光纤保护器，其特征是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。
2. 如权利要求1所述的基于SOA光开关的突发式超长距离光纤保护器，其特征是光分支器包括下行光分支器和上行光分支器。
3. 如权利要求2所述的基于S0A光开关的突发式超长距离光纤保护器，其特征是S0A 光开关包括主用SOA光开关和备用S0A光开关，主干光纤接口包括主用光接口和备用光接口， 光探测器包括主用光探测器和备用光探测器；主用S0A光开关两端分别接有主用光接口和主 用光探测器；备用SOA光开关两端分别接有备用光接口和备用光探测器。
4. 如权利要求3所述的基于S0A光开关的突发式超长距离光纤保护器，其特征是光线 路终端接口通过第一波分复用器和光分支器相连，主用SOA光开关通过第二波分复用器和主 用光接口相连，备用SOA光开关通过第三波分复用器和备用光接口相连。
5. 如权利要求3所述的基于S0A光开关的突发式超长距离光纤保护器，其特征是卜—行 光分支器包括第一一分二光分路器，它的两个输出端分别接至主用SOA光开关和备用SOA光 开关的下行输入端口；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输入端接至主用SOA光丌关的上行输出端，第二一分二光分路器的两个输出端分别接至二合一光分路器的一个输入端和主用光探测器；第三一分二光分路器的输入端接至备用SOA光开关的上行输出端，第三一分二光分路器的两个输出端分别接至二合一光分路器的另一个输入端和备用光探测器。
全文摘要
本发明提供了一种基于SOA光开关的突发式超长距离光纤保护器，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。该光纤保护器能兼容所有PON系统，扩大PON的传输距离和分支比，能实现PON网络的自动光纤保护倒换。
文档编号G02B6/26GK101394231SQ20081019752
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者吴广生, 张传浩, 杨战兵, 胡保民, 巍 许 申请人:武汉长光科技有限公司