ont-size:12px;"> 對GPON（吉比特無源光網絡）系統中處于用戶終端的ONT（光網絡終端）設備的材料成本進行了深入分析，從理論上確定了BOB（板載光收發子組件）方案為最優方案；介紹了BOB方案的技術難點與解決辦法；給出了此方案各方面硬件指標（如電磁兼容性、光接口指標等）的驗證結果，結果表明，BOB方案可以在降低設備成本的前提下滿足GPON ONT各項指標。
引言
PON（無源光網絡）作為一款高效的寬帶接入技術，目前已成為各大電信運營商的主推業務。PON方案遵循的標準主要有ITU（國際電信聯盟）提出的GPON（吉比特無源光網絡）標準以及IEEE（美國電氣和電子工程師協會）提出的EPON（以太網無源光網絡）標準這兩種。由于GPON標準對光接口等指標的定義相對EPON標準更加嚴格，支持此標準的硬件設備的價格也相對較高，而過高的設備成本一度成為限制GPON大規模商用的門檻。
從GPON的拓撲結構可以看出，ONT（光網絡終端）設備的數量與OLT（光線路終端）設備的數量比達到32∶1、64∶1，甚至128∶1，因此整個GPON系統的成本取決于ONT，若能降低ONT設備的成本，則GPON方案整體成本將會大為減少。
1.GPON ONT硬件成本分析
目前各設備制造商在進行GPON ONT硬件設計時所采用的典型架構如圖1所示。2012年國內各大系統制造商對GPON ONT光模塊的招標價格約為125元人民幣，而整個GPON ONT的成本約為280元人民幣，由此看來光模塊的采購成本接近系統總成本的45%。如果能有效降低這一部分的成本，將能極大地降低系統的總成本。下面進一步分析光模塊的成本結構，尋找其中可降成本的部分。
光模塊各組件的成本構成如表1所示。表中，占光模塊成本近一半的器件元件為實現光/電和電／光信號轉換、放大的光學器件，其成本構成如表2所示。器件中用于光/電轉換的APD（雪崩光電二極管）探測器管芯及TIA（跨阻放大器）與用于電/光轉換的DFB（分布反饋）式激光器二極管管芯主要由三菱、住友等日系企業供應，其價格一直居高不下，而國產管芯質量有待提高，為了保證光模塊性能，占光學器件成本80%的管芯目前還無法替代。光學器件的其他部分，如結構件、濾光片等是保證上下行波長路徑正確的關鍵部件，不能省略，且其成本已經很低，除非結構件生產商以零利潤銷售，因此目前無其他辦法降低光學組件輔料的成本。
由表1可知，外殼、插針、PCB與控制芯片這幾部分占光模塊總成本近30%，而這幾部分的功能與光/電轉換無關，可全部歸為輔料。若有辦法直接將這部分輔料去掉，無疑可顯著降低光模塊成本，進而降低整個系統的成本。
光模塊成本構成中的DFB與APD芯片，在光/電轉換中也起著至關重要的作用。DFB芯片的功能是將ONT系統發給光模塊的高速數字信號轉換為驅動激光器發光的電流信號；APD芯片的功能是將探測器輸出的電壓信號轉換為標準的高速數字信號送至ONT系統。這兩類芯片目前主要被歐美企業所壟斷，雖然國內專家也成功研制出了類似產品，但目前尚未在市場上得到大規模的應用。
光模塊與光學器件成本構成
2.降低成本方案
在上一節中提到了一種通過去掉光模塊輔助材料來降低光模塊成本的思路，現在繼續討論這一思路的可能性。光模塊與GPON ONT系統一樣，內部也是在PCB上焊接各種元器件，如果在系統PCB上能騰出足夠的空間，將光模塊上的電路全部布置在系統PCB上，則插針、外殼和PCB這3種輔料完全可以省去。另一個輔助材料是光模塊電路中的主控芯片MCU（微控制單元），其主要功能是控制APD升壓電路、存儲BOSA（光收發組件）調制信息與DDM（數字診斷信息）以及向GPON遠端系統片上系統芯片上報DDM 等3項功能。理論上，控制APD升壓電路可由帶數/模轉換功能的BOSA驅動芯片來實現；信息的存儲可由系統遠端設備上的閃存來完成；而上報DDM 的功能則可通過由系統遠端設備片上系統芯片直接從閃存中讀取來實現。也就是說，MCU的各項功能在BOB（板載光收發子組件）電路中均可由已有的其他模塊來實現，因此在電路中可省去光模塊MCU，僅保留BOSA、光發射驅動模塊、光接收限制放大模塊和APD 升壓電路。目前業內簡稱上述方案為BOB方案。
2.1 BOB方案的技術難點
BOB相對于傳統光模塊的最大不同在于其將光學器件直接焊接在系統PCB上。光模塊的PCB外形充分考慮了BOSA的結構，其階梯型外形可以使BOSA的發送端、接收端管腳以最短距離焊接在焊盤上，從而避免了管腳過長帶來的電感增加或阻抗不匹配。而GPON ONT系統的PCB上并無此特殊設計，同時要求系統的外殼與PCB邊緣緊密契合，若按光模塊的方式將BOSA 管腳分別焊接在PCB板正反面，則需要重新設計外殼與PCB毛坯，為避免改動外殼與PCB，BOSA只能以插焊的形式焊接在PCB上。而由于BOSA特殊的結構，發送端與接收端的管腳互相垂直，若將其中一面焊在PCB上，另一面則將遠離PCB插孔，焊接時此面的管腳就必須加長。如何放置BOSA器件、將影響減至最小是需要首先考慮的問題。另外，BOSA 光電轉換電路中的高速信號對電磁干擾的屏蔽也因去掉了金屬外殼而需要額外處理。
2.2 解決辦法
BOSA激光器管芯與探測器管芯的垂直結構使得在將其焊接到ONT系統PCB時無法令兩端的管腳都為最短。從焊接難度來看，選擇BOSA一端緊貼PCB焊接，而另一端彎曲管腳后再焊接到PCB上的“直立”焊接方式，比側面緊貼PCB，兩端管腳均平行于PCB，再彎曲焊接到PCB上的“平躺”焊接方式更容易實現。并且“直立”焊接至少保證了一端的管腳最短，另一端可通過調節匹配電路來實現阻抗匹配。從BOSA器件相互垂直的結構可知，將探測器面緊貼PCB焊接，而光纖接口與PCB面平行，這個方向更利于BOSA的尾纖在PCB板上的放置。綜上分析，可確定采用探測器管腳緊貼PCB焊接、激光器管腳彎折90°后再焊接到PCB上的方法來安裝BOSA器件。雖然這種焊接方法會導致激光器管腳比較長，但是長引腳帶來的影響可通過在激光器引腳線上加入LR補償網絡電路來解決，如圖2所示。該網絡可實現較大的高頻阻抗，同時對小于工作頻率的信號表現出較低的阻抗，這樣能使激光器輸出較快的上升沿下降沿速率［1］。LR值的選取有經驗可循，電感值可在15～30nH 間變化，電阻值的范圍是15～30Ω。
上文提到BOB方案需要增強電磁兼容性，其在PCB上的實現方法如圖3所示。從圖中可以看到，探測器與收發合一芯片間的模擬信號線用接地的銅皮包裹，表層包住走線的銅皮通過過孔與PCB板內的地層連接。這些銅皮可以有效吸收外界對這對模擬信號線的干擾，同時也可避免輻射對外產生影響。
3.樣機測試及結果
BOB方案相對于以往使用光模塊的GPON ONT，主要區別在于光接口電路與電磁兼容性，我們對BOB樣機進行了測試，測試結果如下：
（1）光眼圖
BOB 樣機光接口發送端眼圖采用Agilent 86100C光示波器抓取，如圖4所示。由圖可知，在保留30%富裕量的情況下，疊加3029次后的眼圖仍然符合ITU－T G.984.2中規定的模板［2］。
圖4 BOB方案光發送端眼圖
（2）EMC（電磁兼容性）
GPON ONT設備與BOB方案相關的EMC主要表現在設備輻射發射指標上。BOB樣機在國家光電子信息產品質量監督檢驗中心的測試結果均符合標準，設備輻射發射的測試結果分別如圖5、圖6所示。測試結果符合歐洲對通信設備輻射發射指標規定的EN55022：2008［3］標準。
圖5 BOB設備水平方向輻射發射的測試結果
圖6 BOB設備垂直方向輻射發射的測試結果
4.結束語
目前，BOB 方案已經受到國內多家GPON ONT設備制造商關注。對該方案進行功能和性能指標測試后得出的結果表明，該降低成本的方案在切實降低了設備成本的情況下，其數據傳輸性能以及EMC指標仍完全符合通信行業標準。該方案適用于使用光模塊作為上聯口的GPON ONT設備。