带数字诊断功能的小封装光模块设计方案.docx

1、带数字诊断功能的小封装光模块设计方案带数字诊断功能的小封装光模块设计方案第1章 、绪论1.1 课题概述小型封装可插拔光模块简称SFP模块，它采用先进的精密光学及电路集成工艺制作，尺寸只有普通双工SC(19)型光纤收发模块的一半，因此在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口成本。SFP模块还支持热插拔功能，即无需切断电源，光模块即可以与设备连接或断开，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不造成影响。热插拔功能也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。智能SFP模块，即具有数字诊断功能的SFP光模块，数字诊断控制器所带的存储空间分

2、为两部分一部分用于储存器件型号、制造商名称、序列号、器件的数据速率等基本信息，另一部分用于存储监控报警、校准常数与实时监控数据等数字诊断与监控相关信息。智能SFP模块是各厂商技术升级换代的标志性产品，它所特有的数字诊断功能可以实时监测光收发模块的温度、供电电压、激光偏置电流以及发射光功率和接收光功率。通过这些参数的测量，管理单元能迅速找出光纤链路中发生错误的具体位置，以简化维护工作，提高系统的可靠性。可以预见在今后两三年智能SFP光模块将成为市场的主要需求。本课题研究带数字诊断功能的小封装可热插拔光模块，课题来源于华工正源光子技术的“2.5G带数字诊断功能的小封装光模块”重点攻关项目，该项目的

3、工作主要分为器件、电路和结构三个部分，笔者有幸参与了电路部分的设计、PCB绘制、光模块测试与数字诊断软件调试等方面的工作，这些也是论文阐述的重点。1.2 光模块研究现状及发展方向通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成为现代信息网络的主要传输手段，在现在的光通信网络中，如广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模块的种类越来越多，要求越来越高，复杂程度也以惊人的速度发展。目前的光通信市场竞争越来越激烈，通信设备要求的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高。传统的激光器和探测器分离的光模块，己经很难适应现代通信设备的要求。为

4、了适应通信设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展，SFF(Small Form Factor)小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC(19)型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装光模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。此外，热插拔也是光模块的一个发展方向。未来的光模块必须支持热插拔，即无常切断电源，模块即可以与设备连接或断开，由于光模块可热插拔，网络管理

5、人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。热插拔性也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。同时，由于这种热交换性能，该模块可使网络管理人员能根据网络升级要求，对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划，而无需对系统板进行全部替换。支持热插拔功能的光模块目前有GBIC(Gigabit Interface Converter)和SFP(Small Form Pluggable)，由于SFP与SFF的外型大小相当，它可以直接插在电路板上，在封装上较省空间，其未来的发展趋势值得期待。通信设备的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高，要求光电器

6、件向低成本、低功耗的方向发展。目前光器件一般均采用混合集成工艺和气密封装工艺，下一步的发展将是非气密的封装，需要依靠无源光耦合(非X-Y-Z方向的调整)等技术进一步提高自动化生产程度，降低成本。随着光收发模块市场需求的迅速增长，功能电路、部分专用集成电路的供应商也逐渐增多，供应商在规模化、系列化方面的积极投资使得此类IC的性能越来越完善，成本也越来越低，从而缩短了光收发模块的开发周期，降低了成本。尤其是处理高速、小信号、高增益的前置放大器采用的是GaAs工艺和技术，SiGe技术的发展，使得这类芯片的成品率及制造成本得到很好的控制，同时可进一步降低功耗。另外采用非制冷激光器也进一步降低了光模块的

7、制造成本。目前的小封装光模块也都采用低电压3.3v供电，保证了端口的增加不会提高系统的功耗。人们对信息量要求越来越多，对信息传递速率要求越来越快，作为现代信息交换、处理和传输主要支柱的光通信网，一直不断向超高频、超高速和超大容量发展，传输速率越高、容量越大，传送每个信息的成本就越来越小。长途大容量方面当前的热点是10Gbit/s和40Gbit/s，最新市场研究表明，10Gbit/s数据通信收发模块的全球总消费量将从2001年的1.57亿美元增长到2010年的90亿美元。2001年早期使用10Gbit/s数据通信收发器的数量不到10万个，但到2003年，10Gbit/s数据通信收发模块将增加到2

8、00万个。在整个消费领域，继10-gigabit光纤通道之后，10-gigabit以太网将会有强烈的影响。目前SDH单通道光系统正向40Gbit/s冲击。高速系统和器件方面，很多公司今年推出了40Gbit/s系统。40Gbit/s方面目前的重点产品技术是：大功率波长可调/固定激光器、40G调制器(Inp EAM、LiNb03EOM、Polymer EOM)、高速电路(InP、GeSi材料)、波长锁定器、低色散滤波器、动态均衡器、喇曼放大器、低色散开关、40Gbit/s PD(PIN、APD)、可调色散补偿器组件(TU-DCM)，前向纠错(FEC)等。从现阶段电路技术来说，40Gbit/s已接近

9、“电子瓶颈”的极限。速率再高，引起的信号损耗、功率耗散、电磁辐射(干扰)和阻抗匹配等问题难以解决，即使解决，则要花费非常大的代价。CWDM技术兼备并行结构的低成本和单纤传输的优点，必将在未来的体系结构中起重要作用。该技术在保持较高的总数据速率的同时，充分利用传统的光技术，对收发器的设计是一种功能强且经济实用的方案。事实上，即使使用低速率的组件，CWDM收发器也能在成本、尺寸、功率预算比传统串行方案低的前提下，达到较高的数据速率。CWDM也是替代其它昂贵的WDM解决方案的可行之策。较宽的光邻道间隔提供健壮的性能，而无需像DWDM系统那样使用昂贵的温度控制机制。基本上，国外那些传统的大通信公司如安

10、捷伦、飞博创(fiberxon)、飞通、电信器件公司等都有自己的各种类型的CWDM光模块。值得一提的是现在又出现了一种单纤三向模块，这种新型模块不仅能在单一的光纤上进行双向数字通信，而且还有模拟影像信号接收器。它以三个不同的波长运作，以此消除此类应用常所需的额外纤线的成本。它的第三个波长用于播放模拟影像信号，第二个光探测器(PIN)接收标准的共享天线电视(CATV)影像信号，在一个光载波上进行调制。除了用于宽频被动光纤网络(BPON)系统外，若干衍生的模块还能用于千兆位被动光纤网络(GPON)，混合光纤同轴电缆(HFC)系统、以及点对点网络等不同的系统解决方案中。目前，国外英飞凌(Infine

11、on)公司已有相关产品。1.3 本文研究的主要容及所做的工作本文研究的对象是带数字诊断功能的光收发一体模块。本文研究的主要容及所做的工作有：1)光收发一体模块原理的研究:光收发一体模块发射部分、接收部分的组成、原理介绍。并以MAXIM公司的激光器驱动芯片max3735、后放max3748和前放max3744为例，对构成光收发一体模块的各主要部分和主要电路进行介绍。2)介绍激光器和激光器驱动电路的耦合方式。3)介绍光收发模块热插拔功能的实现技术。4)分析分立元件构成的自动功率控制电路与自动温度控制电路原理。5)介绍数字诊断光模块设计的理论基础，包括主机与数字诊断光模块通信的I2C总线技术；定义数

12、字诊断光模块技术要求与设计规的SFF-8472协议。6)给出数字诊断光模块的硬件电路实现，详细介绍了用DALLIS MAXIM公司的DSl859与激光器驱动芯片max3735、跨阻放大器芯片max3744以及限幅放大器芯片max3748设计出的这款高性价比的数字诊断光模块解决方案。7)介绍带数字诊断光模块的测试技术，先介绍一般光电指标包括发射光功率、消光比、光眼图、接收灵敏度以及高低告警值的测试原理与方法，并对常见的光眼图劣化现象的原因和解决方法进行分析，最后重点介绍了光模块数字诊断与监控功能的测试方法与实现，包括测试系统硬件电路的设计以及监控校准软件的介绍与具体实现方法。第2章 、光收发一体

13、模块及其设计2.1 光收发一体模块简介光收发一体模块由光发射器与光接收器组成，其主要功能是进行电/光与光/电信号的相互转换。光发射器的功能是将电信号转换成光信号，有用信号通过电端机进行模/数转换等相应处理，转换为数字NRZ码信号，此信号加入激光器驱动电路，并由驱动电路输出偏置电流与调制电流，以直接调制的方式驱动激光器产生相应的光信号。光接收器的功能是将光信号转换为电信号，它由探测器、跨阻放大器与限幅放大器组成。其中探测器的作用是将收到的光信号转换成微小的电流信号。再通过跨阻放大器将微小的电流信号转化成一定幅度的电压信号，最后通过限幅放大器限制信号电平落在所需要的准位，输出给接收电端机。光收发合

14、一模块原理框图如图2.1所示：接收机部分图2.1 光收发合一模块原理框图2.2 光发射部分光发射模块在光传输过程中起到一个电-光转换的作用，光发射模块输入的是电信号，输出的是光信号，部的激光器驱动芯片首先将输入的电信号调制成满足数字光纤通信系统传输要求的激光器驱动信号，激光器在驱动信号的驱动下发出相应的光信号，光信号被耦合进光纤中并传输到接收端。在数字光纤通信中，光源发出的光可以看作是光频载波，通过调制使其载荷，一般采用强度调制的方式。光发射模块主要由包含APC功能的激光驱动器，带背光探测器的激光器组件以及偏置和调制电路组成，如图2.2所示。光发射模块依靠光源器件LD将电信号转变成光信号，因此

15、LD是光发射模块中的核心元件，它的性能直接影响着光发射模块的主要指标。激光器驱动电路是光发射模块的主要电路，它将电信号通过电流强度调制的方式调制到半导体激光器上使之发出脉冲光信号，驱动电路还有自动光功率控制的功能，它能使发射模块有更稳定的输出，并对激光器起到保护作用。监控电路主要是对激光器的一些主要工作指标进行实时监控，包括背光功率监控电路和偏置电流监控，它能及时反映激光器的工作状态。图2.2 光发射模块框图2 2.1 2.2.1 激光器原理光源是光纤通信最重要的部分，也是价格最昂贵的部分。光纤通信用光源应满足以下要求：(1)体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；(2)发射的光波波长应位于光纤的

16、低损耗窗口，即0.85um、1.31um或1.55um波段；(3)可以进行光强度调制；(4)可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好；(5)发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；(6)温度稳定性好，温度变化时输出光功率以及波长变化应在允许围。光纤通信用光源的激射波长应在低损耗窗口波段，光源的发射功率要大，调制特性要好，可靠性高，适应性强，且价格要便宜。半导体光源满足以上要求，是目前光通信系统中最为重要的光源。1、半导体光源分类半导体光源分为FP(Fabry-Perot)法布里一珀罗激光器、分布布拉格反射激光器(DBR-LD)、分布反馈激光器DFB-LD、垂直腔面发射激光器(VCSEL)及

17、可调谐激光器。各种半导体激光器的分类比较见表2.1：表2.1 半导体激光器分类2、半导体激光二极管LD工作特性LD通过正向偏压下PN结中载流子的受激辐射复合而发出相干光，最简单的激光器组件是包括LD，PD和尾纤的组件。下面主要讨论激光二极管常用参数。1)P-I特性LD的P-I特性是指其输出功率P随注入电流I的变化关系。随着注入电流的增加，其输出功率增加，但不是成直线关系，存在一个阈值电流Ith，只有当注入电流大于阈值电流后，输出功率才随注入电流急剧增加，发射出激光，当注入电流小于阈值电流时，LD发出光谱很宽、相干性很差的荧光。LD的P-I特性随器件的工作温度变化而变化，LD是一个对温度很敏感的

18、器件，它的输出功率随温度发生很大的变化，其P-I特性曲线是系统设计和选择器件的重要依据。LD的阈值电流越低越好，并且要求在阈值时的自发辐射较小以保证足够的消光比。在直接注入电流调制时，由于调制依赖于阈值以上P-I曲线的线性关系，要求激光器具有良好的线性关系，尤其在模拟调制时对线性的要求更高。2)阈值电流()阈值电流是激光二极管开始振荡的正向电流。阈值电流随温度的升高而加大，阈值电流与温度T的关系可表示为 (2-l)式中，为器件的特征温度；，都以绝对温度表示，为常数。特征温度表征了LD的阈值电流对温度的敏感性，越大，器件的温度稳定性越好。阈值电流随温度的变化关系如图2.3所示。图2.3 光功率、

19、阈值电流与温度的关系(3)光输出功率()在阈值电流以上所加正向电流达到规定的调制电流时，从激光二极管输出的光功率定义为，对带有尾纤的激光二极管来说，把从光纤末端发射出的光功率定义为。光输出功率的单位为mw，有时也用dBm表示，dBm是功率相对于mw的衡量单位，mw和dBm的换算公式为： (2-2)(4)上升/下降时间上升/下降时间是指LD输出功率的脉冲响应时间。把光脉冲的上升时间定义为从额定光功率的10%升到90%所需的时间，把光脉冲下降时间定义为从额定光功率的90%降到10%所需的时间。2 2.1 2.2.2 自动功率控制与自动温度控制由前面的分析可以知道，激光器的阈值电流和斜效率会随着激光

20、器工作温度与使用寿命的变化而变化：随着工作温度的增加和工作时间的增加，激光器的阈值电流会增大，斜效率会变小，因而其输出光功率会变小。但是通信系统不允许激光器的输出光功率有大的波动，这就需要采用自动功率控制电路来维持激光器输出功率基本不变。另一方面，温度变化引起激光器输出光功率的变化虽然可以通过自动功率控制电路进行调节，使激光器输出光功率基本恒定。但自动功率控制电路并不能改变温度变化引起的激光器的阈值电流增大，斜效率变小，激光器长期工作在温度波动大的环境中会影响激光器的使用寿命缩短。因此，为了保证激光器长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路使激光器的工作温度保持在20左右。1、自动功率控制电路激

21、光器在使用中由于结温的变化以及老化等原因会使激光器的阈值电流增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有自动功率控制电路。激光器光功率自动控制有许多方法，一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法等。但最简单的方法是通过直接检测光功率来控制偏置电流。该方法是利用激光器组件中的背光二极管，监测激光器背光的大小，当功率小于某一额定值时，通过反馈电路使驱动电流增加，激光器输出功率增加为额定功率值。反之，若光功率大于某一额定值，则通过反馈电路使驱动电流减小，激光器输出功率随之减小，以使激光器输

22、出功率基本恒定不变。用分立元件实现的激光器光功率自动控制电路原理图如图2.4所示：VCC图2.4 激光器光功率自动控制原理图其工作过程为：激光器的背光被PIN管检测到并转换为电信号，由放大器A进行放大后送入比较放大器B的一个输入端。可调直流参考电压是一个可调的稳压电源。它可作为标准电压送到比较放大器B的另一个输入端。当LD输出功率降低时背光电流降低，放大器A的输出电压降低，这个电压送到比较放大器B和直流参考电压比较后使Q1基极电位升高，Q1射极电流增大，从而使激光器光输出功率增加。当LD输出功率增加时背光电流增大，放大器A的输出电压增高，这个电压送到比较放大器B和直流参考电压比较，使得Q1基极

23、电位降低，Q1射极电流减小，从而使激光器光输出功率降低，使激光器输出稳定的光功率。由于采用分立元件构成的自动功率控制电路体积较大，在高速应用中难于实现，现在一般在激光驱动器芯片中集成自动功率控制电路，其稳定功率的原理与分立元件构成的自动功率控制电路类似，但具有体积小、稳定性好、可靠性高等优点。集成电路构成的自动功率控制电路将在后面激光器驱动电路部分介绍。2、自动温度控制电路温度变化引起激光器输出光功率的变化虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常，但经APC调节后会使激光器的阈值电流增大，辐射效率发生变化，输出光功率变小，激光器的使用寿命缩短。因此，为了保证激光器长期稳定工作，必须

24、采用自动温度控制电路使激光器的工作温度保持在20左右。激光器的温度控制电路由微制冷器、热敏元件及控制电路组成。微制冷器多半采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的帕尔贴效应制成的。所谓帕尔贴效应，是指当直流电流通过由两种半导体材料组成的电偶时，在其一端吸热，一端放热的现象。将若干对电偶串联或并联，就组成微型半导体制冷器。半导体制冷器既可以制冷，又可加热，是制冷还是加热，以及制冷和加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。为了提高控制效率和精度，一般采用蝶型激光器，将热敏电阻和制冷器封装在激光器部，使热敏电阻直接探测激光器结区温度，制冷器直接和激光器的热沉相接触。光发射机自动温度控制原理图见图2

25、.5。 VCC图2.5 自动温度控制的原理图图中R1、R2、R3、Rt构成了一个桥式电路，Rt是一个负温度系数的热敏电阻，当温度升高，Rt变小，当温度降低，Rt变大，可以通过调节R3值来控制温度。当LD工作于指定温度时，三极管处于截止状态，制冷器不工作。当LD工作温度升高时，Rt变小，故A输出高电压，TEC开始制冷，使温度恢复到指定温度。当LD工作温度降低时，Rt变大，故A输出低电压，TEC开始制热，使温度恢复到指定温度，从而起到自动温度控制的作用。2.2.3 激光器驱动电路所有用于直接调制的半导体激光二极管普遍需要一个直流偏置电流来设定工作点和信号调制电流。直流偏置和调制电流的大小取决于激光

26、二极管的特性，不同类型、不同批号的器件都各不相同。激光驱动器应当具有足够的偏置和调制电流围，以使激光二极管有足够宽的选择围。为了补偿激光器的时间和温度漂移，激光驱动器必须保持最初设定的直流工作点。实现这种补偿的最好方法是引入自动功率控制(APC)。为检测实际激光功率，一只光敏二极管将激光强度转换为一个与之成正比的电流信号并将其反馈到激光驱动器，和一个预定的固定值相比较。根据比较结果，相应增加或减小直流偏置，使激光器功率保持稳定。通常，APC还包括告警功能，当激光二极管由于老化或其它原因无法再维持预定光功率时，发出告警信号。和工作点一样，光信号强度同样受激光二极管特性的时漂和温漂的影响。为保持稳

27、定的光信号“幅度”，有必要对时间和温度造成的特性变差进行补偿。这个问题可以通过增加一些外部电路，或采用集成自动调制控制(AMC)得以解决。除此基本功能外，系统必须能够在不影响数据输入的情况下通过禁止驱动器来中断激光器的发送。增加一个触发器或锁存器，使数据流经过再定时后再送入激光驱动器输出级，这样可以改善抖动性能。目前市场上已经有很多成熟的激光器驱动芯片方案，考虑到性价比、售后服务以及芯片方案的一致性我们选用MAXIM公司的MAX3735A激光器驱动芯片。1、激光驱动芯片MAX3735A介绍MAX3735A为+3.3V激光驱动器，用于速率围从155Mbps至2.7Gbps的SFP/SFF系统。为

28、驱动激光管，此芯片接收差分输入数据并提供驱动激光器所需的偏置电流和调制电流。与激光器直流耦合可满足多速率应用及减少外部元件数量。MAX3735A完全满足SFP MSA的时序要求和SFF-8472发送诊断要求。自动功率控制(APC)反馈环路使平均光功率在整个温度围及工作寿命保持恒定。MAX3735具有lOmA至60mA的宽围调制电流(交流耦合时可达85mA)并提供1mA至lOOmA的偏置电流，所以此芯片是用于驱动光纤模块中FP/DFB激光二极管的理想选择。MAX3735A提供发送禁止控制、带锁存的单点发送故障监视输出、光电流监测以及用来指示APC环无法再保持平均光功率的偏置电流监测功能。MAX3

29、735A激光驱动器包含三个部分：高速调制驱动器、带有自动功率控制(APC)的激光器偏置电路和保护电路。具体如图2.6所示：图2.6 MAX3735A功能框图1)高速调制驱动器输出级由高速差分对和可编程调制电流源组成。MAX3735A针对驱动15负载进行优化，要求OUT+的最低瞬态电压为0.6V。当激光二极管直流耦合到驱动器时，调制电流摆幅可以达到60mA：采用交流耦合时，电流摆幅可达85mA。为了与激光二极管连接，需采用一只阻尼电阻(RD)进行阻抗匹配。串联阻尼电阻与激光二极管的等效串联电阻应等于15。为减小由激光二极管寄生电感引起的光输出偏差和占空比失真，可能需要一个RC并联网络。数据速率为

30、2.7Gbps时，任何加载在激光二极管阴极的电容都会恶化光输出性能。由于BIAS输出直接与激光二极管阴极连接，可利用电感将BIAS引脚的寄生效应与激光器阴极隔离开，使该引脚的寄生电容最小。2)激光器偏置与APC控制为保持稳定的平均光功率，MAX3735A集成了一个APC环路，以补偿激光器门限电流在整个温度围和生命周期的变化。利用激光器组件封装的背光二极管将光功率转化成光电流。APC环路调节激光器偏置电流，以便使监测器电流与设置的参考电流相匹配。APC环路的时间常数由外部电容设定。3)保护电路保护电路包括输出禁止(TX_DISABLE)、输出故障锁定(TX_FAULT)和故障检测器。这部分电路监

31、测激光驱动器的运行，一旦检测到故障状态，就强行关断驱动器。故障可以是与VCC或GND短路。发送故障状态会一直被锁定，直到TX_DISABLE或Vcc引脚被触发复位。利用可选的关断电路，激光驱动器提供备用的激光二极管关断功能(如图2.6)。按照SFP MSA的要求，应将TX_FAULT引脚通过4.7k至10k电阻上拉至Vcc。4)保护电路电流监视器MAX3735A能够监视(BC_MON，PC_MON)偏置电流()和光电流()。通过映射部分电流，并在外部接地电阻产生电压实现监视功能。当BC_MON或PC_MON的电压大于1.38V时，进入故障状态。例如，在每个监测器输出端接100的电阻到地，可以得

32、到以下电压： (2-3) (2-4)2、MAX3735A外围电路设计为了便于计算相关参数。定义如表2.2所示的参数表2.2 参数定义1)设置调制电流如果已知激光器平均光功率()、斜效率()和消光比()，由表2.2可计算出调制电流： (2-5)然后通过调制电流与调制电阻关系曲线图查找该电流值所对应的电阻，选择25时的。2)APC环路通过调节电阻设置平均光功率。合理选择电阻，确定在整个温度围和产品生命周期希望保持的监视电流值。然后通过监测二极管电流与关系曲线图，选择监视电流值所对应的。3)MAX3735与激光二极管的接口信号在激光二极管电接口处的反射会引起光输出偏差，为了减少偏差，可在驱动电路输出与激光二极管之间串联一只阻尼电阻，见图2.6。此外，由于MAX3735的输出优化于15负载。因此，与的串联等效电阻应为15，其中是激光二极管的等效电阻。串联阻尼电阻一般为8至13，其值取决于所用激光二极管的等效电阻。为改善性能，常在靠近激光二极管阳极处接一旁路电容(典型值0.