銘普助力下一代接入網(wǎng)高速光通信：25G ONU光模塊的創(chuàng)新設(shè)計與實現(xiàn)

  光纖到戶技術(shù)作為一種成熟的網(wǎng)絡(luò)接入方式，具備了傳輸速度快、帶寬大、信號質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于寬帶接入領(lǐng)域。隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動通信和寬帶接入等領(lǐng)域的快速發(fā)展，光纖到戶技術(shù)的推廣對光纖光纜的需求提供了巨大的市場機遇。

  自從2020年以來，我國開始大規(guī)模建設(shè)千兆光纖入戶網(wǎng)絡(luò)，在千兆光纖到戶的發(fā)展方面取得了顯著進展，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐漸成熟。然而，隨著4K/8K超高清電視、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR/AR）技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景的逐漸興起，對數(shù)據(jù)傳輸速率和時延提出了更高要求。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)速率仍然難以滿足這些新興業(yè)務(wù)場景需求。為此，IEEE最早在2016年就提出了IEEE802.3ca標(biāo)準(zhǔn)，明確了25Gb/s速率的光網(wǎng)絡(luò)單元（25G ONU）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，為高速光通信技術(shù)的發(fā)展指明了方向。

  銘普憑借其在光電領(lǐng)域的深厚積累，成功研發(fā)出具備更高速性能的25G ONU光模塊，為助力下一代寬帶接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

  01 光模塊總體設(shè)計

  銘普25G ONU光模塊，支持高達25Gb/s的傳輸速率，采用不歸零編碼（NRZ）調(diào)制方式，支持雙向傳輸，并通過波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)單纖雙向傳輸。整體結(jié)構(gòu)包括發(fā)射端和接收端兩部分，其中發(fā)射端包含控制單元（MCU）、驅(qū)動器、DC/DC電源等電芯片，以及分布反饋激光器（DFB）等光器件；接收端則包含限幅放大器、跨阻放大器（TIA）、雪崩光電二極管（APD）等關(guān)鍵組件。

光模塊整體原理框圖

  發(fā)射1286nm波長光信號傳輸過程：首先，當(dāng)DFB激光器發(fā)射光信號后，經(jīng)過非球透鏡進行光路匯聚以提高入纖功率耦合效率；其次，再經(jīng)過⑥隔離器隔離反射光后，防止反向光影響到DFB的工作性能；最終，再水平穿過③45°濾光片后進入①斜8°角的光纖適配器。

  接收1358nm波長光信號傳輸過程：首先，接收光信號經(jīng)過①光纖適配器輸入后，水平經(jīng)過③45°濾光片時，由于濾光片波長選擇特性導(dǎo)致1358nm波長無法穿過并產(chǎn)生全反射；其次，反射的接收光信號再經(jīng)過④0°濾光片濾除1358nm波長以外的光；最終，再經(jīng)過透鏡匯聚到APD探測器的光敏面上進行光信號吸收。

光模塊的整體結(jié)構(gòu)示意圖

  02 技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計

  針對高速信號線阻抗不連續(xù)的問題，銘普深入研究了高速信號線阻抗不連續(xù)點的處理技巧和印刷電路板（PCB）打孔工藝設(shè)計對傳輸信號線帶寬性能的影響機制。

  高頻線路分析與優(yōu)化：使用商用射頻仿真軟件對PCB高頻差分線阻抗進行精確計算與優(yōu)化。通過挖空設(shè)計、增加參考層介質(zhì)厚度、調(diào)整焊盤布局等手段，有效提升信號阻抗匹配性能，確保信號傳輸質(zhì)量。

PCB 高速信號走線設(shè)計圖

  PCB疊層設(shè)計優(yōu)化：采用8層布線結(jié)構(gòu)，結(jié)合低介電常數(shù)和損耗因子的材料，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性與高效性。通過對稱鋪銅地平面結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短信號回流路徑，降低串?dāng)_，提升電磁兼容性（EMC）的屏蔽效果，并優(yōu)化散熱性能。

材料和疊層設(shè)計參數(shù)

  發(fā)射與接收軟板設(shè)計：發(fā)射軟板采用微帶線結(jié)構(gòu)設(shè)計，接收軟板則采用接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過精細的打孔設(shè)計減少輻射損耗和抑制高次模分量，降低空間串?dāng)_，確保信號傳輸?shù)募儍襞c穩(wěn)定。

發(fā)射和接收軟板設(shè)計圖

  03 性能測試與卓越表現(xiàn)

  經(jīng)過專業(yè)測試設(shè)備（如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、寬帶示波器及誤碼儀）的嚴格測試驗證，銘普的25G ONU光模塊不僅全面滿足發(fā)射眼圖性能和接收靈敏度的指標(biāo)要求，而且性能余量遠超IEEE802.3ca協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

金手指側(cè)差分線回波損耗測試圖

  發(fā)射眼圖余量大于30%，抖動均方值在2ps左右，消光比大于5dB，超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)射光信號眼圖性能測試圖

  在1E-2誤碼率條件下，接收靈敏度達到-27dBm，優(yōu)于IEEE802.3ca協(xié)議要求的-24dBm，且串?dāng)_小于0.5dB。

  模塊總功耗低于2W，高效節(jié)能。

接收光信號誤碼率測試圖

  04 結(jié)語

  下一代光纖接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀顯示出技術(shù)創(chuàng)新和市場需求的雙重驅(qū)動，未來前景廣闊。25G-PON和50G-PON的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成為業(yè)界共識，應(yīng)用場景將更加多樣化，市場需求將持續(xù)增長。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的不斷拓展，光纖接入網(wǎng)絡(luò)將在未來的通信網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)更加重要的地位。

  銘普憑借其深厚的技術(shù)積累和創(chuàng)新能力，成功研發(fā)出高性能的25G ONU光模塊，不僅滿足了未來高速光通信技術(shù)的需求，更為公司在光通信領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。未來，銘普將繼續(xù)秉承創(chuàng)新精神，致力于光通信技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，為全球客戶提供更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)。

  錄音講解,開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):

  期刊來源:

  [1]魏興,陳聰,羅懿宸.25G ONU光模塊的高速性能設(shè)計與實現(xiàn)[J].光通信技術(shù),2024,48(04):25-30.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2024.04.005.