基于FPGA的波长可调谐光收发器的软硬件设计研究

摘要

随着互联网技术的飞速发展,层出不穷的新兴业务对网络流量的要求不断增长,人们对网络接入带宽的需求也在不断增加.由于光纤接入技术在带宽容量和覆盖距离上具有无与伦比的优势,新的高带宽服务需求驱使运营商部署光纤接入网以解决"最后一公里"瓶颈.无源光网络(Passive Optical Network,PON)成为最理想的方式,因为在传输网络中没有有源部件,极大降低了运营和部署成本.基于时分和波分复用(Time-Wavelength Division Multiplexing,TWDM)的TWDM-PON则是下一代接入网的主流方案,在兼容现有PON和光分配网络(Optical Distribution Network,ODN)的基础上提供更大带宽,更远传输距离,更多用户接入.为了简化网络运营和系统的构建,所有的光网络单元(Optical Network Unit,ONU)必须是无色的,即ONU端采用相同结构的光收发器且能调谐到正确的上下行波长通道上,同时带来更高的数据传输能力和灵活性.本文提出和实现一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)高速串行收发技术的波长可调谐光收发器,并对其关键技术进行了研究,文章主要工作和内容如下: (1)阐述了半导体激光器基本理论和分布布拉格反射(Distributed Bragg Reflector,DBR)型可调谐激光器结构原理,建立了包含外部电寄生效应的等效电路模型.研究了DBR型可调谐激光器高速驱动与接口技术,结合电路模型仿真分析和实验参数提取为激光器驱动和外部匹配设计提供了参考依据. (2)提出了一种采用低成本三节DBR激光器的波长可调谐光收发器设计方案,分析了各功能模块的工作原理和设计方法,对基于FPGA的波长调谐控制技术和高速编码调制产生技术进行了研究,包括多码型变换和多速率输出. (3)对FPGA集成收发器体系结构和动态重配置过程进行了深入研究,完成了串行数据收发通道的模块化设计,实现了码型产生与变换,数据速率调整与匹配,输入输出模拟控制的重配置等功能,以满足灵活和动态光接入网的应用需求. (4)基于FPGA集成收发器数据收发结构和串并转换过程,对传统误码率检测同步方法做了改进,采用了一种速度快且资源消耗少的并行测试码型的新型同步方法,有望应用于可调谐收发器中进行在线链路测试和性能评估. (5)论述了基于可调谐收发器构建灵活的TWDM-PON系统的方法与过程,对多速率多码型调制信号在系统中的应用进行了理论分析和仿真.最后搭建了点对点的光纤传输系统对可调谐收发器功能进行了实验与验证,测试结果可以满足2.5Gbps上行信道的要求.

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