基于XGSPON搭配DFB激光器的10G速率OLT端收发一体芯片的制作方法

基于xgspon搭配dfb激光器的10g速率olt端收发一体芯片
技术领域
1.本发明属于集成电路和光通信领域。


背景技术：

2.在光通信局端设备olt(optical line termination的缩写，光线路终端)中，突发la(限幅放大器)完成对上一级突发跨阻放大器tia传送来的不同幅度电信号进行限幅放大。la中还包含los(loss of signal，信号丢失)模块，判断la输入信号是否符合传输协议要求并作出关断或者开启主通道的操作。连续ldd(laser diode driver激光二极管驱动器)将电信号的数据流转化为调制电流驱动激光器发光传递光信号。ldd中包含阈值配置模块配合apc(自动光功率控制)和atc(自动温度控制)模块完成对ldd的反馈控制。
3.无源光网络的具体实现方式大致分为：基于atm传输协议的apon(atm-passive optical network的缩写，atm无源光网络)，基于以太网的epon(ethernet passive optical network的缩写，以太网无源光网络)，以及gbit以上速率的gpon(gigabit-capable passive optical network的缩写，千兆比特无源光网络)三种解决方案。在三种实现方式中gpon能够提供更高的速率、较高的接入性能和网络效率，较强的灵活性和可伸缩性。能够满足现有及未来可能出现的多种业务对带宽的需求。
4.然而随着市场的竞争和新时代的迈进，需要对基于gpon技术的局端设备olt收发一体芯片的架构和速率进行升级。
5.因此，针对以上不足，需要对基于gpon标准的olt终端的速率进行升级，使其能满足市场的需求，做到低成本、高速率。


技术实现要素：

6.针对现有基于gpon标准的olt终端速率低的问题，本发明提供一种基于xgspon搭配dfb激光器的10g速率olt端收发一体芯片。
7.本发明所述基于xgspon搭配dfb激光器的10g速率olt端收发一体芯片，包括突发模式接收机rx、连续模式发射机tx和数字控制单元digital；
8.突发模式接收机rx对每个oun客户端的传来的光信号经过突发跨阻放大器tia放大成电信号，并对所述电信号进行幅度检测，将幅度符合阈值要求的信号输出给主机，并配置快速恢复模块以泄放交流耦合电容内的电荷实现多包传输互不干扰，进而满足xgspon协议时序的要求；
9.连续模式发射机tx接收pcb板衰减输出的电信号，根据衰减程度选择旁路bypass路径传输，或经过时钟数据恢复cdr路径提高信号质量后输出来驱动dfb激光器；
10.数字控制单元digital与主机通讯，及给突发模式rx和连续模式发射机tx提供控制信号。
11.优选地，突发模式接收机rx包括预放大器pre_amplifier、电平判决单元level detector、突发10g限幅放大器burstla_10g、电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer、信号检
测输出缓冲器buffer和快速恢复模块；
12.预放大器pre_amplifier的正相输入端、反相输入端用于接收突发跨阻放大器tia传来的突发数据包；快速恢复模块用于快速恢复电路以保证时序，使前后两个突发数据包避免物理碰撞；
13.预放大器pre_amplifier的输出端同时连接突发10g限幅放大器burstla_10g的输入端和电平判决单元level detector的输入端；
14.突发10g限幅放大器burstla_10g的输出端连接电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer的输入端；
15.电平判决单元level detector的输出端同时连接信号检测输出缓冲器buffer的输入端和电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer的开启关闭的控制端；
16.电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer的两个输出端分别连接rx部分的输出引脚rx_outp、rx_outn；
17.信号检测输出缓冲器buffer的输出端连接芯片引脚rx_sd，突发模式接收机rx通过芯片引脚rx_sd向主机发送检测结果；
18.当芯片引脚la_reset接收到主机发送的复位信号时，芯片通过引脚rx_sd向主机发送反馈信号。
19.优选地，快速恢复模块内置或外置于突发模式接收机rx，快速恢复模块包括电阻r7、r8、r9、r10；和开关s1、s2；
20.快速恢复模块外置于突发模式接收机rx时，突发跨阻放大器tia的正相输出端通过交流耦合电容c9连接快速恢复模块的电阻r10的一端、电阻r8的一端和芯片正相输入引脚rx_inp；
21.突发跨阻放大器tia的反相输出端通过交流耦合电容c8连接快速恢复模块的电阻r9的一端、电阻r7的一端和芯片反相输入引脚rx_inn；
22.芯片正相输入引脚rx_inp、芯片反相输入引脚rx_inn分别连接预放大器pre_amplifier的正相输入端、反相输入端；
23.电阻r10的另一端连接开关s1的一端；
24.电阻r9的另一端连接开关s2的一端；
25.开关s1和s2的控制端同时连接复位信号线la_reset；
26.rx部分的基准电压引脚vref同时连接电阻r7的另一端、r8的另一端、开关s1的另一端和开关s2的另一端；
27.快速恢复模块内置于突发模式接收机rx时，突发跨阻放大器tia的正反相输出端通过交流耦合电容c9、c8连接芯片正相输入引脚rx_inp、反相输入引脚rx_inn；
28.在芯片内部，芯片正相输入引脚rx_inp连接电阻r10的一端、电阻r8的一端和预放大器pre_amplifier的正相输入端；
29.芯片反相输入引脚rx_inn连接电阻r9的一端、r7的一端和预放大器pre_amplifier的反相输入端；
30.电阻r10的另一端连接开关s1的一端；
31.电阻r9的另一端连接开关s2的一端；
32.开关s1和s2的控制端同时连接芯片的复位引脚la_reset；
33.rx部分的基准电压vref同时连接电阻r7的另一端、r8的另一端、开关s1的另一端和开关s2的另一端。
34.优选地，连续模式发射机tx包括输入端缓冲器input buffer、旁路bypass、时钟数据恢复cdr、dfb激光器驱动器、偏置电流控制单元和调制电流控制单元，
35.择一启动旁路bypass或时钟数据恢复cdr路径；
36.原始高速电信号经过pcb板上的金属走线后形成的衰减信号通过芯片引脚tx_inp和tx_inn接入输入端缓冲器input buffer，输入端缓冲器input buffer将该衰减信号沿开通路径传输至dfb激光器驱动器的输入端；
37.偏置电流控制单元的偏置电流输出端连接芯片引脚bias，并为dfb激光器提供偏置电流；
38.调制电流控制单元的调制电流输出端连接dfb激光器驱动器的调制电流输入端；
39.dfb激光器驱动器的输出端连接芯片引脚tx_outp、tx_outn，dfb激光器驱动器为dfb激光器提供调制电流；
40.主机通过芯片引脚txdis向芯片发送关闭偏置电流和调制电流指令来关闭连续模式发射机tx。
41.优选地，择一启动旁路bypass或时钟数据恢复cdr路径由数字控制单元digital根据外部指令进行控制。
42.优选地，择一启动旁路bypass或时钟数据恢复cdr路径的方式为主机自行切换通道：速率8g以下时，表征信号衰减不严重，启动旁路bypass；当速率在8g-14g时，表征信号衰减很严重，由主机控制启动时钟数据恢复cdr路径。
43.优选地，数字控制单元digital包括寄存器数字核、模数转换器adc、从i2c和温度传感器temp sensor；
44.温度传感器temp sensor的输出端通过模数转换器adc连接寄存器数字核的温度信号输入端；
45.从i2c的输入端连接时钟芯片引脚scl；从i2c的输入输出端口连接外部指令芯片引脚sda；从i2c的输出端连接寄存器数字核的外部指令输入端，寄存器数字核控制连续模式发射机tx的路径选择；寄存器数字核还通过控制端口实现对突发模式接收机rx和连续模式发射机tx的配置。
46.优选地，数字控制单元digital中配置突发模式接收机rx的控制端口包括眼交叉点调整控制端口cpa、输出摆幅控制端口sw ctrl、输出极性反转控制端口pol ctrl和信号丢失控制端口los ctrl。
47.优选地，数字控制单元digital中配置连续模式发射机tx的控制端口包括光功率控制端口apc、眼交叉点调整控制端口cpa、抖动优化控制端口eq、眼图优化控制端口eo和输出极性反转控制端口pol ctrl；
48.光功率控制端口apc的输入端连接监视电流芯片引脚mpd。
49.本发明的有益效果：本发明提出了一种基于xgspon搭配dfb激光器的10g速率olt收发一体芯片的电路结构，在基础的gpon协议架构上速率进一步提升，将下行连续数据速率由基础的2.5gbps提升到10gbps，上行突发数据速率也由基础的2.5gbps提升到10gbps，实现上下行速率对称(symmetric)，同时提高了向用户端onu的上传和下载速率。能够搭配
价格相较于eml激光器更低廉的dfb激光器发射传输数据。
50.本发明提出基于xgspon搭配dfb激光器的10g olt端收发一体芯片整体框架结构。10gbps突发模式la、带有可关闭或者可开启cdr的10gbps连续模式ld，再配合数字模块优化眼图传输质量，搭配价格较低的dfb激光器，使得该收发一体芯片的最终使用成本得到下降。
附图说明
51.图1是本发明所述基于xgspon搭配dfb激光器的原理图，快速恢复电路外置；
52.图2是图1中本发明所述基于xgspon搭配dfb激光器的10g速率olt端收发一体芯片的结构示意图；
53.图3是本发明所述基于xgspon搭配dfb激光器的原理图，快速恢复电路内置；
54.图4是图3中本发明所述基于xgspon搭配dfb激光器的10g速率olt端收发一体芯片的结构示意图。
具体实施方式
55.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
56.本发明中提出了基于xgspon搭配dfb激光器的10g olt收发一体芯片，芯片框架内接收机(rx)中的快速恢复电路和对tia传来的电信号进行幅度检测，发射机(tx)中的可切换启停的时钟数据恢复(cdr)模块和能够驱动dfb激光器的激光器驱动器以及模块化可配置的数字部分(digital)是该发明实现方式的关键。
57.在连续模式的tx部分采用可根据实际传输眼图质量启用或者关闭时钟数据恢复模块cdr，并搭配价格相较于eml激光器更低廉的dfb激光器发射传输数据。在突发模式的rx部分，可对上级tia传输来的电信号进行幅度检测，满足要求后开启输出驱动(cml buffer)传输数据。为了满足xgspon协议严格的时序要求，在芯片的外围或者内部加入快速恢复电路，泄放交流耦合电容内的电荷实现多包传输互不干扰。数字部分digital通过两条信号线scl和sda与主机通讯，实现对olt收发一体芯片内部的rx和tx的数据传输质量优化。
58.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
59.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
60.具体实施方式一：下面结合图1至4说明本实施方式，本实施方式所述基于xgspon搭配dfb激光器的10g速率olt端收发一体芯片，包括突发模式接收机rx、连续模式发射机tx和数字控制单元digital；
61.突发模式接收机rx对每个oun客户端的传来的光信号经过突发跨阻放大器tia放大成电信号，并对所述电信号进行幅度检测，将幅度符合阈值要求的信号输出给主机，并配置快速恢复模块以泄放交流耦合电容内的电荷实现多包传输互不干扰，进而满足xgspon协议时序的要求；
62.连续模式发射机tx接收pcb板衰减输出的电信号，根据衰减程度选择旁路bypass路径传输，或经过时钟数据恢复cdr路径提高信号质量后输出来驱动dfb激光器；
63.数字控制单元digital与主机通讯，及给突发模式rx和连续模式发射机tx提供控制信号。
64.本实施方式搭配dfb激光器，其外围电路如图1所示，包括电阻r1～r6、电容c1～c7、电感l1～l7及监视二极管mpd，其中通过监视二极管mpd将监视电流引至芯片mpd引脚。
65.突发模式接收机rx包括预放大器pre_amplifier、电平判决单元level detector、突发10g限幅放大器burstla_10g、电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer、信号检测输出缓冲器buffer和快速恢复模块；
66.预放大器pre_amplifier的正相输入端、反相输入端用于接收突发跨阻放大器tia传来的突发数据包；快速恢复模块用于快速恢复电路以保证时序，使前后两个突发数据包避免物理碰撞；
67.预放大器pre_amplifier的输出端同时连接突发10g限幅放大器burstla_10g的输入端和电平判决单元level detector的输入端；
68.突发10g限幅放大器burstla_10g的输出端连接电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer的输入端；
69.电平判决单元level detector的输出端同时连接信号检测输出缓冲器buffer的输入端和电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer的开启关闭的控制端；
70.电流模式逻辑输出缓冲器cml buffer的两个输出端分别连接rx部分的输出引脚rx_outp、rx_outn；
71.信号检测输出缓冲器buffer的输出端连接芯片引脚rx_sd，突发模式接收机rx通过芯片引脚rx_sd向主机发送检测结果；
72.当芯片引脚la_reset接收到主机发送的复位信号时，芯片通过引脚rx_sd向主机发送反馈信号。
73.其中，快速恢复模块外置或内置于突发模式接收机rx。
74.参见图1和2，快速恢复模块外置于突发模式接收机rx，快速恢复模块包括电阻r7、r8、r9、r10；和开关s1、s2；突发跨阻放大器tia的正相输出端通过交流耦合电容c9连接快速恢复模块的电阻r10的一端、电阻r8的一端和芯片正相输入引脚rx_inp；
75.突发跨阻放大器tia的反相输出端通过交流耦合电容c8连接快速恢复模块的电阻r9的一端、电阻r7的一端和芯片反相输入引脚rx_inn；
76.芯片正相输入引脚rx_inp、芯片反相输入引脚rx_inn分别连接预放大器pre_amplifier的正相输入端、反相输入端；
77.电阻r10的另一端连接开关s1的一端；
78.电阻r9的另一端连接开关s2的一端；
79.开关s1和s2的控制端同时连接复位信号线la_reset；
80.rx部分的基准电压引脚vref同时连接电阻r7的另一端、r8的另一端、开关s1的另一端和开关s2的另一端；
81.参见图3和4，快速恢复模块内置于突发模式接收机rx时，快速恢复模块包括电阻r7、r8、r9、r10；和开关s1、s2；突发跨阻放大器tia的正反相输出端通过交流耦合电容c9、c8
连接芯片正相输入引脚rx_inp、反相输入引脚rx_inn；
82.在芯片内部，芯片正相输入引脚rx_inp连接电阻r10的一端、电阻r8的一端和预放大器pre_amplifier的正相输入端；
83.芯片反相输入引脚rx_inn连接电阻r9的一端、r7的一端和预放大器pre_amplifier的反相输入端；
84.电阻r10的另一端连接开关s1的一端；
85.电阻r9的另一端连接开关s2的一端；
86.开关s1和s2的控制端同时连接芯片的复位引脚la_reset；
87.rx部分的基准电压vref同时连接电阻r7的另一端、r8的另一端、开关s1的另一端和开关s2的另一端。
88.采用内置方式时，将快速恢复模块内置到收发一体芯片内部，其好处是减小外围电路的占地面积和节约成本。
89.突发模式接收机rx的工作原理：位于中心局的olt收发一体芯片对应多个用户端的onu，因此olt收发一体芯片的接收端rx需要突发的接收来自oun端不同幅值的电信号(突发tia已将不同幅值的光信号转换成电信号后给rx的限幅放大器la)，预放大器pre-amplifier将上级tia输出的有衰减的电信号进行增强(预加重)，再将电信号分成两路，一路传递给la_10g限幅放大器把信号放大到限幅状态，10g限幅放大器为了达到10g速率要求内部采用了多种提升速率带宽的方法：例如电感峰化，电容简并，亦或者在关键信号通路节点使用截至频率高的双极性晶体管。另一路传递给信号检测模块(电平判决单元level detector)，该模块对信号进行幅度检测(应对xgspon协议，不进行设计难度大的速率检测，简化芯片)，只有当幅度符合阈值要求，该信号检测模块输出指令开启输出驱动级cml buffer，同时将判断结果传递给芯片外(通过rx_sd引脚)的主机。为了满足xgspon严格的协议时序要求，在rx部分必须增加快速恢复电路，以使得突发la完成一个数据包的接收后，能够立刻恢复正常状态，进而快速的接收下一个突发数据包，避免了两个数据包的物理碰撞。芯片引脚vref为la的两输入端提供直流工作点，也对la两输入端的所连接的电容c8、c9进行电荷泄放，当复位信号la_reset为0时，开关s1和开关s2关断，电容上的电荷通过电阻r7＝r8(大阻值)缓慢的泄放到地；当复位信号la_reset为1时，开关s1和开关s2开启，电容上的电荷通过电阻r9＝r10(小阻值)快速的泄放到地；达到快速重建直流工作点的目的。通过调整电阻r7,r8,r9,r10的阻值来满足rx的性能要求和时序要求。vref的电压值可通过数字部分的两条通讯信号线，人为设定电压值大小。复位信号la_reset由主机给出。
90.连续模式发射机tx包括输入端缓冲器input buffer、旁路bypass、时钟数据恢复cdr、dfb激光器驱动器、偏置电流控制单元和调制电流控制单元，
91.择一启动旁路bypass或时钟数据恢复cdr路径；
92.原始高速电信号经过pcb板上的金属走线后形成的衰减信号通过芯片引脚tx_inp和tx_inn接入输入端缓冲器input buffer，输入端缓冲器input buffer将该衰减信号沿开通路径传输至dfb激光器驱动器的输入端；
93.偏置电流控制单元的偏置电流输出端连接芯片引脚bias，并为dfb激光器提供偏置电流；
94.调制电流控制单元的调制电流输出端连接dfb激光器驱动器的调制电流输入端；
95.dfb激光器驱动器的输出端连接芯片引脚tx_outp、tx_outn，dfb激光器驱动器为dfb激光器提供调制电流；
96.主机通过芯片引脚txdis向芯片发送关闭偏置电流和调制电流指令来关闭连续模式发射机tx。
97.择一启动旁路bypass或时钟数据恢复cdr路径由数字控制单元digital根据外部指令进行控制。
98.择一启动旁路bypass或时钟数据恢复cdr路径的方式为主机自行切换通道：速率8g以下时，表征信号衰减不严重，启动旁路bypass；当速率在8g-14g时，表征信号衰减很严重，由主机控制启动时钟数据恢复cdr路径。
99.连续模式发射机tx工作原理：tx部分主通道能够接收和处理连续的电信号数据流，该数据流的速率为1-14gbps。原始高速电信号经过pcb板上的金属走线后产生衰减，产生信号误码，为了解决高速信号衰减问题，在tx内部加入cdr(时钟数据恢复)以提高高速信号的质量，倘若高速信号衰减不严重也可以直接从bypass路径传输。dfb类型的激光器支持远程(≥10km)的数据传输，因此tx内部需要提供一个输出大电流的驱动器10g dfb driver,激光器的偏置电流bias和调制电流modulation需要根据环境温度，激光器发光效率，激光器的老化，实时的调整电流大小，因此current control模块配合apc光功率控制模块，将监视光电二极管mpd采集的激光器发光功率信息进行反馈，在通过数字部分的数据写入，配置合理的电流值大小。
100.择一启动旁路bypass或时钟数据恢复cdr路径包括两种方式：
101.第一种、预先判断，再根据判断结果通过sad引脚将外部指令写入数字控制单元digital，数字控制单元digital将该选择指令送给tx。预先判断指选择旁路bypass路径还是时钟数据恢复cdr路径是根据芯片所测信号的衰减成都判断，在使用芯片之前先对经过pcb板上的金属走线后产生的衰减信号进行检测，查看tx输出眼图的质量是否满足协议标准，若符合标准就从旁路bypass传输，不符合标准则开启cdr，优化信号质量。
102.第二种、也可以让主机自行切换通道，速率8g以下时，表征信号衰减不严重，启动旁路bypass；当速率在8g-14g时，表征信号衰减很严重，由主机控制启动时钟数据恢复cdr路径优化信号质量。
103.数字控制单元digital包括寄存器数字核、模数转换器adc、从i2c和温度传感器temp sensor；
104.温度传感器temp sensor的输出端通过模数转换器adc连接寄存器数字核的温度信号输入端；
105.从i2c的输入端连接时钟芯片引脚scl；从i2c的输入输出端口连接外部指令芯片引脚sda；从i2c的输出端连接寄存器数字核的外部指令输入端，寄存器数字核控制连续模式发射机tx的路径选择；寄存器数字核还通过控制端口实现对突发模式接收机rx和连续模式发射机tx的配置。
106.数字控制单元digital中配置突发模式接收机rx的控制端口包括眼交叉点调整控制端口cpa、输出摆幅控制端口sw ctrl、输出极性反转控制端口pol ctrl和信号丢失控制端口los ctrl。
107.数字控制单元digital中配置连续模式发射机tx的控制端口包括光功率控制端口
apc、眼交叉点调整控制端口cpa、抖动优化控制端口eq、眼图优化控制端口eo和输出极性反转控制端口pol ctrl；
108.光功率控制端口apc的输入端连接监视电流芯片引脚mpd。
109.数字控制单元digital工作原理：数字部分digital能够对突发模式接收机rx和连续模式发射机tx内部完成配置。
110.突发模式接收机rx内可配置的功能有：
111.眼图交叉点调整cpa、输出摆幅控制sw_ctrl、输出极性反转pol_ctrl、信号丢失阈值设置los_ctrl等；
112.连续模式发射机tx内可配置的功能有：
113.激光器光功率控制apc、眼图交叉点优化cpa、抖动优化eq、眼图优化eo、输出极性反转pol_ctrl等；内置的高精度多位adc将温度传感器temp sensor采集的环境温度转化成数字量再通过从i2c的数据信号线sda读取到外部。adc也可以将其他可量化的数据通过从i2c读取到外部，例如监视电流值、偏置电流值、调制电流值等；用户也可以通过芯片外部主i2c向芯片内部的寄存器数字核写入数字量，以优化收发一体芯片的各项传输性能。
114.数字部分还加入数字诊断监视digital diagnostics monitoring(ddm)功能，实时监测光等级、芯片内温度、电源电压等数据。
115.本发明提出的基于xgspon搭配dfb激光器的10g olt收发一体芯片，在10g突发接收端rx使用幅度检测对输入信号进行判断是否符合传输协议要求，可内置或外置的快速恢复电路能够让交流耦合电容快速泄放电荷，为下一次接受数据包建立稳定的工作点。在10g连续发射端tx内置了一个高速率的时钟数据恢复单元cdr，保证了将要发射的电信号的完整性，有利于激光器发射出高质量光，为了驱动长距高速dfb激光器，内置的高速激光驱动器配合偏置电流和调制电流模块能够输出大电流；在数字部分内置了多位寄存器和高精度adc和从i2c，将各类关键数据通过sda信号线传递给外部，也能通过该线写入优化性能的相关模块数字量，保证收发一体芯片的接收信号和发送型号的高质量。ddm模块实时读取芯片内关键工作信息，超过阈值即可关闭收发一体芯片，避免芯片和激光器受到损伤。
116.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。