ont-size:12px;"> 对GPON（吉比特无源光网络）系统中处于用户终端的ONT（光网络终端）设备的材料成本进行了深入分析，从理论上确定了BOB（板载光收发子组件）方案为最优方案；介绍了BOB方案的技术难点与解决办法；给出了此方案各方面硬件指标（如电磁兼容性、光接口指标等）的验证结果，结果表明，BOB方案可以在降低设备成本的前提下满足GPON ONT各项指标。
引言
PON（无源光网络）作为一款高效的宽带接入技术，目前已成为各大电信运营商的主推业务。PON方案遵循的标准主要有ITU（国际电信联盟）提出的GPON（吉比特无源光网络）标准以及IEEE（美国电气和电子工程师协会）提出的EPON（以太网无源光网络）标准这两种。由于GPON标准对光接口等指标的定义相对EPON标准更加严格，支持此标准的硬件设备的价格也相对较高，而过高的设备成本一度成为限制GPON大规模商用的门槛。
从GPON的拓扑结构可以看出，ONT（光网络终端）设备的数量与OLT（光线路终端）设备的数量比达到32∶1、64∶1，甚至128∶1，因此整个GPON系统的成本取决于ONT，若能降低ONT设备的成本，则GPON方案整体成本将会大为减少。
1.GPON ONT硬件成本分析
目前各设备制造商在进行GPON ONT硬件设计时所采用的典型架构如图1所示。2012年国内各大系统制造商对GPON ONT光模块的招标价格约为125元人民币，而整个GPON ONT的成本约为280元人民币，由此看来光模块的采购成本接近系统总成本的45%。如果能有效降低这一部分的成本，将能极大地降低系统的总成本。下面进一步分析光模块的成本结构，寻找其中可降成本的部分。
光模块各组件的成本构成如表1所示。表中，占光模块成本近一半的器件元件为实现光/电和电／光信号转换、放大的光学器件，其成本构成如表2所示。器件中用于光/电转换的APD（雪崩光电二极管）探测器管芯及TIA（跨阻放大器）与用于电/光转换的DFB（分布反馈）式激光器二极管管芯主要由三菱、住友等日系企业供应，其价格一直居高不下，而国产管芯质量有待提高，为了保证光模块性能，占光学器件成本80%的管芯目前还无法替代。光学器件的其他部分，如结构件、滤光片等是保证上下行波长路径正确的关键部件，不能省略，且其成本已经很低，除非结构件生产商以零利润销售，因此目前无其他办法降低光学组件辅料的成本。
由表1可知，外壳、插针、PCB与控制芯片这几部分占光模块总成本近30%，而这几部分的功能与光/电转换无关，可全部归为辅料。若有办法直接将这部分辅料去掉，无疑可显著降低光模块成本，进而降低整个系统的成本。
光模块成本构成中的DFB与APD芯片，在光/电转换中也起着至关重要的作用。DFB芯片的功能是将ONT系统发给光模块的高速数字信号转换为驱动激光器发光的电流信号；APD芯片的功能是将探测器输出的电压信号转换为标准的高速数字信号送至ONT系统。这两类芯片目前主要被欧美企业所垄断，虽然国内专家也成功研制出了类似产品，但目前尚未在市场上得到大规模的应用。
光模块与光学器件成本构成
2.降低成本方案
在上一节中提到了一种通过去掉光模块辅助材料来降低光模块成本的思路，现在继续讨论这一思路的可能性。光模块与GPON ONT系统一样，内部也是在PCB上焊接各种元器件，如果在系统PCB上能腾出足够的空间，将光模块上的电路全部布置在系统PCB上，则插针、外壳和PCB这3种辅料完全可以省去。另一个辅助材料是光模块电路中的主控芯片MCU（微控制单元），其主要功能是控制APD升压电路、存储BOSA（光收发组件）调制信息与DDM（数字诊断信息）以及向GPON远端系统片上系统芯片上报DDM 等3项功能。理论上，控制APD升压电路可由带数/模转换功能的BOSA驱动芯片来实现；信息的存储可由系统远端设备上的闪存来完成；而上报DDM 的功能则可通过由系统远端设备片上系统芯片直接从闪存中读取来实现。也就是说，MCU的各项功能在BOB（板载光收发子组件）电路中均可由已有的其他模块来实现，因此在电路中可省去光模块MCU，仅保留BOSA、光发射驱动模块、光接收限制放大模块和APD 升压电路。目前业内简称上述方案为BOB方案。
2.1 BOB方案的技术难点
BOB相对于传统光模块的最大不同在于其将光学器件直接焊接在系统PCB上。光模块的PCB外形充分考虑了BOSA的结构，其阶梯型外形可以使BOSA的发送端、接收端管脚以最短距离焊接在焊盘上，从而避免了管脚过长带来的电感增加或阻抗不匹配。而GPON ONT系统的PCB上并无此特殊设计，同时要求系统的外壳与PCB边缘紧密契合，若按光模块的方式将BOSA 管脚分别焊接在PCB板正反面，则需要重新设计外壳与PCB毛坯，为避免改动外壳与PCB，BOSA只能以插焊的形式焊接在PCB上。而由于BOSA特殊的结构，发送端与接收端的管脚互相垂直，若将其中一面焊在PCB上，另一面则将远离PCB插孔，焊接时此面的管脚就必须加长。如何放置BOSA器件、将影响减至最小是需要首先考虑的问题。另外，BOSA 光电转换电路中的高速信号对电磁干扰的屏蔽也因去掉了金属外壳而需要额外处理。
2.2 解决办法
BOSA激光器管芯与探测器管芯的垂直结构使得在将其焊接到ONT系统PCB时无法令两端的管脚都为最短。从焊接难度来看，选择BOSA一端紧贴PCB焊接，而另一端弯曲管脚后再焊接到PCB上的“直立”焊接方式，比侧面紧贴PCB，两端管脚均平行于PCB，再弯曲焊接到PCB上的“平躺”焊接方式更容易实现。并且“直立”焊接至少保证了一端的管脚最短，另一端可通过调节匹配电路来实现阻抗匹配。从BOSA器件相互垂直的结构可知，将探测器面紧贴PCB焊接，而光纤接口与PCB面平行，这个方向更利于BOSA的尾纤在PCB板上的放置。综上分析，可确定采用探测器管脚紧贴PCB焊接、激光器管脚弯折90°后再焊接到PCB上的方法来安装BOSA器件。虽然这种焊接方法会导致激光器管脚比较长，但是长引脚带来的影响可通过在激光器引脚线上加入LR补偿网络电路来解决，如图2所示。该网络可实现较大的高频阻抗，同时对小于工作频率的信号表现出较低的阻抗，这样能使激光器输出较快的上升沿下降沿速率［1］。LR值的选取有经验可循，电感值可在15～30nH 间变化，电阻值的范围是15～30Ω。
上文提到BOB方案需要增强电磁兼容性，其在PCB上的实现方法如图3所示。从图中可以看到，探测器与收发合一芯片间的模拟信号线用接地的铜皮包裹，表层包住走线的铜皮通过过孔与PCB板内的地层连接。这些铜皮可以有效吸收外界对这对模拟信号线的干扰，同时也可避免辐射对外产生影响。
3.样机测试及结果
BOB方案相对于以往使用光模块的GPON ONT，主要区别在于光接口电路与电磁兼容性，我们对BOB样机进行了测试，测试结果如下：
（1）光眼图
BOB 样机光接口发送端眼图采用Agilent 86100C光示波器抓取，如图4所示。由图可知，在保留30%富裕量的情况下，叠加3029次后的眼图仍然符合ITU－T G.984.2中规定的模板［2］。
图4 BOB方案光发送端眼图
（2）EMC（电磁兼容性）
GPON ONT设备与BOB方案相关的EMC主要表现在设备辐射发射指标上。BOB样机在国家光电子信息产品质量监督检验中心的测试结果均符合标准，设备辐射发射的测试结果分别如图5、图6所示。测试结果符合欧洲对通信设备辐射发射指标规定的EN55022：2008［3］标准。
图5 BOB设备水平方向辐射发射的测试结果
图6 BOB设备垂直方向辐射发射的测试结果
4.结束语
目前，BOB 方案已经受到国内多家GPON ONT设备制造商关注。对该方案进行功能和性能指标测试后得出的结果表明，该降低成本的方案在切实降低了设备成本的情况下，其数据传输性能以及EMC指标仍完全符合通信行业标准。该方案适用于使用光模块作为上联口的GPON ONT设备。